WO2013035948A1 - 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체 - Google Patents

영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체 Download PDF

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magnetic field
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rotor
differential inductance
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이상빈
홍종만
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation

Definitions

  • Recording medium recording state diagnosis device, diagnosis method, and program for executing diagnosis method of permanent magnet synchronous motor
  • the present invention relates to a recording medium on which a state diagnosis apparatus, a diagnostic method, and a program for executing the diagnostic method of a permanent magnet synchronous motor are recorded. More specifically, the potato and eccentric states of the permanent magnet in the permanent magnet synchronous motor are diagnosed.
  • Permanent Magnet Synchronous Machines are widely used in electric vehicle wind turbines, trams and propulsion systems due to their high efficiency, high power density and ease of control.
  • Permanent Magnet (PM) Rotors are one of the most important parts of PMSM that determine the performance, efficiency and reliability of motor drive systems. Recently, it has been found that the demagnetization of the permanent magnet, the eccentricity of the rotor, and the failure of the bearings are the main root causes of PMSM failure, and intensive studies have been conducted to detect such failures. These failures can occur due to manufacturing defects, stress during operation, and malfunctions, which can lead to serious degradation of motor performance and efficiency. Therefore, it is important to periodically check the state of rare electrons and the whole process of driving the motor for optimum motor performance.
  • Unrecoverable partial or total potatoes are a problem that can arise due to thermal, electrical, mechanical and environmental stresses on the permanent magnets.
  • the main root cause of irreversible potatoes is the 'operating point effect', which is due to the transition of the performance (load) curve due to the temperature-dependent decrease in the potato curve and the decrease in the magnetor motive force (mmf).
  • the result is a combined effect. If the operating point (intersection of the potato curve and the performance curve) falls below the inflection point of the potato curve, the magnet is permanently demagnetized.
  • changes in metal properties in magnetic materials due to increased temperature and / or corrosion / oxidation can lead to recoverable potatoes.
  • NdFeB magnets known for their high energy density and reasonable price, are widely used to produce high performance, high energy density PMSMs.
  • NdFeB magnets have low temperature characteristics (low operating temperature and high temperature coefficient) ⁇ low corrosion resistance (under moisture or chlorine in the environment) and It is sensitive to unrecoverable potatoes due to low mechanical stiffness (breaks due to corrosion, chips or gold).
  • void eccentricity may occur due to defects in the operation or manufacturing phase of the motor, and the original eccentricity is required within 5-10% of the void.
  • Static Eccentricity is a state where the position of the minimum radial void is fixed. This is caused by an ovoid of the stator core or an incorrect position of the stator core, which generally does not change over time.
  • Dynamic Eccentricity is a state in which the minimum radial void rotates with the rotor. This is caused by old bearings, bent shafts, asymmetric thermal expansion of the rotor or high levels of static eccentricity. Eccentricity causes unbalanced magnetic attraction that results in vibration, creepy, bearing breakage and / or deflection of the rotor.
  • MCSA Motor Current Signature Analysis
  • f ri and ⁇ are the rotor ideal and fundamental frequency components
  • k is an integer
  • p is the number of pole pairs.
  • the MCSA has many of the advantages mentioned above, there are many limitations in its implementation in practical use.
  • the motor operates under steady-state conditions where the speed and load vary continuously, making it difficult to obtain the exact result of Equation 1.
  • Time-frequency analysis techniques have been studied for reliable detection. However, this also increases costs due to computational strength and hardware specifications, making it difficult to apply to low-cost drive products. Since there is an asymmetry of the magnetic flux pattern that induces the current component in Equation 1, a uniform or symmetrical potato that is usually present cannot be detected.
  • a critical limitation of the MCSA is that oscillating load torques (eg, reciprocating compressors) produce side lobes at the same frequency components as in equation (1).
  • Model-based estimation of rotor flux or torque constant k t proportional to mean PM intensity has also been studied for potato detection.
  • the rotor flux ⁇ and the torque constant k t also decrease with increasing temperature (especially for ceramic and NdFeB magnets) and change with the magnetic saturation of the core.
  • rotor flux or torque constant k t estimation is highly dependent on model accuracy and parameters. Therefore, variations in the model due to nonlinear cross-magnetization effects, magnetic saturation, and rotor temperature variations should be considered, which is quite difficult, as the rotor flux dr or the torque constant k t may be small or local defects may occur. It becomes sensitive. As a result, rotor flux or torque constant k t estimates are difficult to provide as indicators sensitive to void eccentricity.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2009-22091 discloses that the induced voltage caused by the permanent magnet detected from the motor in the no-load operation state or the induced voltage calculated from the current detected from the motor is lower than the reducer limit curve for the normal permanent magnet.
  • the technical structure which judges that a permanent magnet is demagnetized is disclosed.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2011-68446 discloses that a stator voltage measured from a synchronous generator is decomposed into a normal component voltage and a reverse phase component voltage, and the ratio of the reverse phase component voltage to the normal component voltage is calculated and then obtained for a normal permanent magnet.
  • a technical configuration for judging the demagnetization of permanent magnets as compared to the ratio is disclosed.
  • Korean Patent Publication No. 2010-45718 discloses a plurality of magnetic fields having different directions while penetrating the rotating shaft of the rotor in a state where the synchronization is stopped, and the current measured from the stator winding and the normal rotor for each magnetic field. Diagnose potato condition of permanent magnets by comparing the current measured in the stator winding with Technical configuration is disclosed.
  • the prior arts described in Korean Patent Laid-Open Publications disclose only a configuration for detecting only a potato state of a permanent magnet, and are different from the present invention in a potato state detection technique.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the technical problem to be achieved by the present invention is to easily diagnose the potato state and the eccentric state of the permanent magnet synchronous motor without expensive separate equipment without disassembling the motor It is to provide an apparatus and method that can be.
  • Another technical problem to be achieved by the present invention is to record a program for executing a method in the computer to diagnose the potato state and the eccentric state of the permanent magnet synchronous motor easily without expensive separate equipment without disassembling the motor To provide the medium.
  • the apparatus for diagnosing the state of a permanent magnet synchronous motor includes a plurality of magnetic fields in which a direct magnetic field and an alternating magnetic field are superposed in the pole direction of the permanent magnet when the rotor is in a stationary state.
  • a magnetic field generating unit ;
  • a stator current measuring unit configured to measure a current flowing in the stator windings corresponding to each of the generated magnetic fields;
  • the potato state of the permanent magnet and the eccentric state of the rotor on the basis of the change of the differential inductance with respect to the polar component value of the permanent magnet of the current flowing in the stator windings measured corresponding to each of the generated magnetic fields.
  • a state diagnosis unit to diagnose wherein the differential inductance is the flux linkage measured from the alternating magnetic field component with respect to the amount of change in the polar component value of the permanent magnet of the current by the alternating magnetic field component included in the generated magnetic field. It is defined as the amount of change in the polar component value of the permanent magnet.
  • a method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor includes: (a) a plurality of DC magnetic fields and alternating magnetic fields superposed in the pole direction of the permanent magnets when the rotor is in a stopped state; Generating a magnetic field of the; (b) measuring a current flowing in the stator windings corresponding to each of the generated magnetic fields; And (c) Diagnosing the demagnetized state of the permanent magnet and the eccentric state of the rotor based on the change of the differential inductance with respect to the polar component value of the permanent magnet of the current flowing in the stator winding measured for each of the generated magnetic fields Wherein the differential inductance is measured from the alternating magnetic field component (fkx) with respect to the amount of change in the polar component value of the permanent magnet of the current by the alternating magnetic field component included in the generated magnetic field. linkage) is defined as the amount of change in the polar component value of the permanent magnet.
  • the recording medium which records the program for executing the condition diagnosis apparatus, the diagnosis method, and the diagnosis method of the permanent magnet synchronous motor it is possible to easily operate the permanent magnet synchronous motor without expensive equipment without disassembling the motor.
  • the potato state of the permanent magnet and the core state of the rotor can be diagnosed.
  • the existing hardware resources such as the current sensor and the controller of the inverter for driving the permanent magnet synchronous motor are used as it is, there is an advantage that there is no need to add additional hardware.
  • it can quickly and easily diagnose the demagnetization and eccentricity of permanent magnets compared to conventional diagnostic methods that take hours and are expensive.
  • model-based or counter electromotive force-based permanent magnet synchronous motor rotor detection methods it has higher sensitivity and reliability, and costs less.
  • FIG. 1 is a view for explaining a state diagnosis technique in the apparatus and method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing a magnetic field density distribution of an unexcited permanent magnet synchronous motor in a normal state
  • FIG. 3 shows an equivalent magnetic circuit model for the d-axis magnetic field path, the stator winding in the d-axis direction, the voids and the stator, and the rotor core constituting the permanent magnet;
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the magnetomotive force characteristics of a d-axis magnetic flux path for a permanent magnet and stator winding modeled as a source of magnetomotive force.
  • 6 is a diagram showing a relationship between a d-axis linkage flux and a current and a d-axis inductance and a differential inductance curve
  • 7 is a diagram showing the d-axis differential inductance curve according to the d-axis linkage flux and current relationship and the permanent magnet potato;
  • FIG. 9 is a diagram showing the results of a DC sperm magnetic FE simulation of magnetic flux density due to permanent magnets without a stator current applied to a motor having an eccentricity.
  • FIG. 10 is a d-axis chain link magnetic flux and current for air gap eccentricity. Curves and differential inductance curves;
  • FIG. 11 is a view showing the configuration of a preferred embodiment of the state diagnosis device of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a process of performing an embodiment of a method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention
  • FIG. 13 shows the configuration of the motor rotor and the permanent magnets used in the experiment, and a photograph of the permanent magnets broken to test the partial potatoes.
  • Example G is a mechanical schematic for the axis and key arrangement to produce 50% dynamic eccentricity (sample G);
  • FIG. 1 is a view for explaining a state diagnosis technique in the apparatus and method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention.
  • a signal is applied to the permanent magnet synchronization synchronizer 110 using the inverter 100 whenever the motor is in a stopped state, in order to detect and classify the potato state and the air gap eccentricity of the permanent magnet.
  • Inverter 100 obtains equivalent differential inductance Ld ' Permanent magnet synchronous motor for small alternating magnetic fields added to d-axis direct current magnetic field
  • FIG. 2 is a diagram showing a magnetic field density distribution of an unexcited permanent magnet synchronous motor in a normal state.
  • a direct current finite element (FE) simulation of a four-pole internal permanent magnet synchronous motor was performed to understand the magnetic properties of the d-axis.
  • the magnetic field distribution of a permanent magnet synchronous motor without stator excitation appears in the rotor at standstill and is arranged in one of the minimum reluctance paths.
  • the magnetic field path in the d-axis direction, the stator windings in the d-axis direction, the air gap, the stator, and the rotor core constituting the permanent magnet may be represented by an equivalent magnetic circuit model shown in FIG. 3.
  • F, R, ⁇ and N represent the number of windings of the magnetic force, magnetic resistance, magnetic flux and equivalent, respectively, and the subscripts pm, g, g and 1 represent the permanent magnet, the void core and the load, respectively. Since magnetic materials have a specific permeability similar to air, permanent magnets are generally modeled as a flux-dependent magnetic force with an internal power magnetoresistance.
  • the d-axis stator current i d ⁇ 0
  • the analysis can be simplified by looking at the permanent magnet and the winding as a source of magnetic force and including mecanicas part of the total magnetic investment.
  • the magnetic force curve forms a vertical line and the value is the sum of the permanent magnet and the winding magnetic force.
  • the permeability curve includes the combined effect of the permeability of permanent magnets, voids and cores, and the slope of the permeability curve is proportional to the inductance.
  • the operating point of the magnetic circuit in the d-axis direction is determined by the intersection of the potato curve and the permeability curve, similar to that shown in FIG. Positive currents (i d > 0) generating magnetic flux in the d-axis direction from FIGS. 3 to 5 increase the magnetic force and the magnetic flux, and reduce the inductance (the slope of the investment curve).
  • the magnetic force curve for the d-axis magnetic flux shown in FIG. 5 is represented by N as shown in FIG. 6. By multiplying or dividing it can be redrawn as the current i d curve for flux lingage ⁇ ⁇ ].
  • the d _ i d curve is equal to the inductance of the coil, and the rewritten curve is the flux calculation in the d-axis direction of the permanent magnet synchronous motor as shown in Equation 2 below.
  • d-axis differential inductance 1 that is, the differential inductance with respect to the polar component value of the permanent magnet
  • L d ' is the ⁇ -i curve at each point on the ⁇ -i curve
  • the reduction in IV at saturation is more important than the reduction in L d because it is a derivative of the ⁇ -i curve.
  • the d-axis differential inductance at the operating point applies an alternating stator magnetic field in the d-axis direction. It can be obtained by calculating the reactive component of impedance from the fundamental component of stator voltage and current. If the magnitude of the alternating magnetic field is not too large, the inductance is ⁇
  • L d 'at the operating point of the -i curve, which is generally designed to be located before the inflection point of the curve in the linear region for optimal performance. If a stator alternating magnetic field is added to the stator direct current magnetic field in the a- axis direction, the direct current magnetic field shifts the operating point, and at this point, the value of L d 'can be obtained from the alternating current component. For example, if the applied DC current component is equal to I d , the operating point of FIG. 6 moves from point a to point b, and the value of L d 'obtained from the alternating current component is from L d, a ' to L d due to saturation.
  • the stator field applied at an angle of ⁇ as a reference includes an alternating magnetic field with a peak pulsating between ⁇ and ⁇ + 180 ° and a fixed dc magnetic field at ⁇ . It can be obtained with sine-delta pulse width modulation with three phase voltage reference sets as
  • V (0, ffl ⁇ c cos (6) + F ac cos (0) ⁇ sin (ro,
  • V dc and V ac are the voltage magnitudes of the dc and ac components, respectively, and ⁇ is the excitation frequency.
  • the applied magnetic field does not cause torque in the device because the direct current field aligns the rotor at the rotor's current position, and the alternating magnetic field produces torque of the same magnitude in the opposite direction.
  • the d-axis angle ⁇ can be easily estimated by the initial rotor position estimation method based on rotor protrusion and / or saturation.
  • the reference voltage and current vector in the d-axis direction ⁇ can be calculated by the following equation from the equations 6 and i as , i bs and i cs current measurements. [Equation 7]
  • i d (at) k ⁇ [cos (0) cos (6-2 ⁇ 3) cos (e + 27i / 3)].
  • the equivalent L d ′ may be extracted from the phase fundamental components of the reference voltage V d and the current vector I d by the following equation.
  • Partial or uniform permanent magnet demagnetization for one of the reasons described above weakens the magnetomotive force (F P) of the permanent magnet, which results in a weakening of ⁇ ⁇ or ⁇ resort.
  • the d- axis of FIG. 6 may be shifted to the left.
  • the open circuit operating point is moved down in the linear region (point d from point a in FIG. 7) towards the origin with a decrease in and. Since the operating points are in the linear region (the slope of the ⁇ -i curve at points a and d is similar to L d .
  • a 'L d, d ') the value of L d 'does not change significantly with the potato.
  • high DC magnetic fields are required to saturate the cores of motors with demagnetized permanent magnets. Also for the normal permanent magnet shown in Fig.
  • L d ′ can be measured under the same excited state (I d > 0). If L d 1 is expressed as a function of I d , L d ′ begins to decrease as the core starts to saturate with an increase of 1 ⁇ 1 as shown in FIG. 8.
  • L d ′ converges to a lower value.
  • the L d '-I d curve for a motor with a normal permanent magnet shifts to the right because a large I d is needed to saturate the core.
  • the value of L d ′ for the magnet increases with a constant range of applied DC magnetic field component or I d .
  • the optimum value of the direct current magnetic field for the maximum detection sensitivity depends on the design of the motor. This value is the absolute value of 1 change
  • L d , e low 'decrease.
  • the slope of the permeability curve increases with the reduced void, but the operating point enters the saturation region due to the increase of the magnetic flux. This results in a reduction in L d '(L d, e . Up ') as shown in FIG. Since ⁇ is equal to the underlying supersaturation, the permeability curves for the two magnetic circuits converge to similar values with large direct current components.
  • L d , e , low 'and L d , e Since both up 'decrease, the value of L d, e ' for eccentric motors decreases from L d, a 'for L d ' values of concentric motors.
  • L d ' The change in L d 'measured for a pre-determined level of DC magnetic field or I d to determine the demagnetization and eccentricity of the permanent magnet synchronous motor is determined by L d . a 'is compared to the value. If the permanent magnet is demagnetized, the value of L d 'is increased, and if the rotor is eccentric, the value of L d ' is decreased, which enables clear detection and classification of the failure of the rotor of the permanent magnet synchronous motor.
  • Permanent magnets also suffer from demagnetization, which can be recovered as the permanent magnet temperature T PM fluctuates.
  • the above ⁇ ⁇ ] Temperature Coefficient (3 ⁇ 4> change per increment ° C) for pan according to the permanent magnet material is between 0.0 2% / ° C and -0.02% / ° C. Therefore, all techniques for detecting rotor failure depending on the magnitude of magnetic flux are affected by the change of T PM , which should be considered for reliable measurement. Changes due to unrecoverable potatoes in the present invention
  • TPM Potatoes dependent on T PM cannot be distinguished from each other because of the movement of the ⁇ ⁇ axis and the movement of the operating point in the surface.
  • One method of indirectly measuring ⁇ ⁇ is by estimation of stator resistance 3 ⁇ 4, which is a good indicator of stator temperature T s .
  • the estimate of 3 ⁇ 4 can be easily obtained from the dc component of voltage and current after applying a dc component to a stationary motor using an inverter. If the test is performed before starting the motor after the motor has cooled down to ambient temperature, the estimated 3 ⁇ 4 value (T represents T PM .
  • Normal values of L d , a ′ may vary for motors of the same design due to individual variations such as permanent magnets and / or core material or manufacturing defects or block matching. Therefore, it is desirable to measure and store the normal values of L d and a 'for individual motors and to manage them over time for reliable measurements.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a state diagnosis device of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention.
  • the apparatus 1100 for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor includes a magnetic field generating unit 1110, a stator current measuring unit 1120, and a state diagnosing unit 1130.
  • the magnetic field generating unit 1110 generates a magnetic field in which a DC magnetic field and an alternating magnetic field overlap in the pole direction of the permanent magnet (that is, from the S pole to the N pole) when the rotor of the permanent magnet synchronous motor is in a stopped state.
  • the magnetic field generator 1110 may be implemented by the inverter 100 as shown in FIG. 1. At this time, the magnetic field generated by the current (i a , i b , i c ) applied by the magnetic field generating unit 1110 in synchronization with the permanent magnet synchronous does not coincide with the pole direction of the permanent magnet (ie, FIG. 1).
  • the angle ⁇ ) between the d-axis, which is the pole direction of the rotor, and the generating direction of the magnetic field occurs.
  • This d-axis angle ⁇ can be easily estimated by an initial rotor position estimation method well known in the art based on rotor protrusion and / or saturation.
  • the magnetic field component in the d-axis direction can be obtained by the equation (7).
  • the magnetic field generating unit 1110 changes the magnitude of the DC magnetic field within a predetermined range, thereby changing the degree of saturation of the core.
  • the magnetic field of the permanent magnet overlaps with the magnetic field generated by the stator winding, which saturates the core and thereby reduces the differential inductance. do. If permanent magnets in permanent magnet synchronous motors are demagnetized, the core will not saturate until a larger DC magnetic field is applied than in the normal permanent magnets. Therefore, for a demagnetized permanent magnet, a larger direct current must be applied to the core to saturate and the differential inductance begins to decrease.
  • the stator current measuring unit 1120 measures the current flowing in the stator windings for each generated magnetic field. Therefore, the stator current measuring unit 1120 is generated by the magnetic field generating unit 1110 and the stator for each magnitude of the DC magnetic field applied to the permanent magnet synchronous motor. The current flowing through the winding is measured and output.
  • the Status diagnosis unit 1130 polarity of the permanent magnet, measured from the pole direction component and the alternating current magnetic field component of the permanent magnets of the current value of the stator winding measured with respect to the generated magnetic field, each polarity current i d and the permanent magnet flux linkage Based on the change of the d-axis differential inductance L d 'calculated by Equation 4 based on ⁇ , the potato state and the eccentric state of the permanent magnet are diagnosed.
  • the state diagnosis unit 1130 first calculates the d-axis differential inductance based on Equation 4 based on the current and the chain flux measured from the alternating magnetic field component to diagnose the potato state of the permanent magnet.
  • the state diagnosis unit 1130 diagnoses the potato state and the eccentric state of the permanent magnet by comparing the calculated d-axis differential inductance with a reference differential inductance previously measured and stored for a normal permanent magnet.
  • the state diagnosis unit 1130 determines that the permanent magnet is demagnetized. In addition, if the DC current value of different magnitudes applied to the permanent magnet synchronous motor and the d-axis differential inductance calculated corresponding thereto are smaller than the reference differential inductance calculated in the same situation for the normal permanent magnet, 1130 determines that an eccentricity has occurred. At this time, the DC current values applied to the permanent magnet synchronous motor are preferably set to values that can most sensitively diagnose potato and eccentricity. Therefore, as shown in FIG.
  • the state diagnosis unit 1130 may diagnose the eccentric state based on the slope of the DC current versus the differential inductance graph. That is, as shown in FIG. 8, the ratio of change of the differential inductance calculated from the stator winding of the permanent magnet synchronous motor with different magnitudes (ie, the DC current versus the differential inductance graph) Is different from the change ratio of the reference differential inductance calculated in the same situation with respect to the normal permanent magnet, the state diagnosis unit 1130 determines that the rotor is eccentric.
  • the magnetic field generating unit 1110 includes a plurality of DC magnetic fields and AC magnetic fields superposed in the pole direction of the permanent magnet (that is, from the S pole to the N pole). Generate a magnetic field of (S1200). At this time, the plurality of magnetic fields generated by the magnetic field generating unit 1110 are set differently within the range in which the magnitude of the DC magnetic field is set in advance.
  • the stator current measuring unit 1120 measures the current flowing through the stator windings in correspondence with each of the generated magnetic fields (S1210).
  • the potato state diagnosis unit 1130 calculates the d-axis calculated by Equation 4 based on the current values ⁇ and the linkage flux ⁇ measured from the current values of the stator winding and the AC magnetic field component measured for each generated magnetic field.
  • the potato state and the eccentric state of the permanent magnet are diagnosed based on the change in the differential inductance L d ′ (S1220).
  • the AC frequency was set to 50 Hz to calculate L d 'from the voltage V and current i measured from the alternating magnetic field, and V ac so that the magnitude of the alternating current had a peak-to-peak of 2 A for each I d magnitude.
  • V ac the voltage of the alternating current had a peak-to-peak of 2 A for each I d magnitude.
  • the consistency of L d ′ does not improve at alternating current magnitudes greater than the peak-to-peak of 2 A.
  • the test was performed with a motor sample with strict homogeneous potatoes (sample B) and a partially broken permanent magnet (sample (:, D)) and compared with normal rotors to evaluate the detection sensitivity of the present invention under uniform and partial potatoes.
  • a special shaft assembly was fabricated suitable for the rotor core as shown in FIG. 13 (a) to obtain 0, 25% and 50% DE states for 0.65 kV voids.
  • the outer dimensions of the original shaft were reduced and four grooves were made so that the spacing between the shaft and the rotor core could be adjusted to control the eccentricity using keys of different heights.
  • 14 Shows the mechanical configuration for the case with 50% DE upwards.
  • 15 and there is a photo of the prepared axis, zero three keys, so that the rotor core assembly for an eccentricity of 25% and 50% are shown.
  • experimental measurements were performed with the direction of DE aligned to the center of the magnet having the largest magnetic attraction force.
  • FIG. 16A the measurement result for 'of healthy and potato permanent magnet samples A to D is shown as a function of I d .
  • the direct current magnetic field component is in a certain range, it can be clearly seen that 'increases with the degree of potato for samples B-D.
  • the curve shifts to the right because high magnetic force is required to saturate the core.
  • sample B only the linear region of the curve is observed within the range of the direct current magnetic field applied to the d axis due to the strict uniform potato. For these samples, the decrease in 'due to core saturation can only be observed at very large I d values.
  • the demagnetization of the permanent magnets which is important for sample B, can be easily detected by model-based detection techniques or by back electromotive force-based detection techniques.
  • small potatoes such as those of samples C and D, are difficult to detect. If 5 A direct current excitation is used, 3 ⁇ 4 'increases by 6.2% and 12.6 3 ⁇ 4, respectively, for 1.8% and 2.6% partial potatoes, as shown in FIG. From this, it can be seen that the diagnostic apparatus and method according to the present invention is very sensitive to small amounts of partial potatoes because of the magnetic saturation in which the increase of 3 ⁇ 4 'is amplified due to the nonlinear saturation effect in the potato permanent magnet. This is a significant improvement in sensitivity when the failure indicator is comparable to existing techniques in proportion to the strength of the magnet.
  • the invention can also be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium.
  • Computer-readable recording media include all types of recording devices that store data that can be read by a computer system. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like, and may also be implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission over the Internet). Include.
  • the computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치 및 방법이 개시된다. 자계 발생부는 회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생한다. 고정자 전류 측정부는 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정한다. 상태 진단부는 발생된 자계 각각에 대응하여 측정된 고정자 권선에 흐르는 전류의 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기초로 영구 자석의 감자 상태와 회전자의 편심 상태를 진단하며, 디퍼런셜 인덕턴스는 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성분에 의한 전류의 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 교류 자계 성분으로부터 측정된 쇄교 자속(flux linkage)의 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량으로 정의된다. 본 발명에 따르면, 전동기를 분해하지 않으면서도 고가의 별도 장비 없이 용이하게 영구 자석 동기 전동기의 영구 자석의 감자 상태와 회전자의 편심 상태를 진단할 수 있다.

Description

【명세세
【발명의 명칭】
영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치， 진단 방법, 및 진단 방법을 실행 시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체
【기술분야】
본 발명은 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법， 및 진단 방 법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체에 관한 것으로， 보다 상세하게 는 영구 자석 동기 전동기 내의 영구 자석의 감자 및 편심 상태를 진단하는 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기톡 매체에 관한 것이다.
【배경기술】
영구 자석 동기 전동기 (Permanent Magnet Synchronous Machines ： PMSM)는 높은 효율성， 높은 전력 밀도 및 제어의 용이성으로 인해 전기 자동차 풍력 발전 기， 전차, 추진 시스템 등에 널리 사용되고 있다. 영구 자석 (Permanent Magnet ： PM) 회전자는 모터 구동 시스템의 성능, 효율 및 신뢰성을 결정하는 PMSM에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 최근, 영구 자석의 감자， 회전자의 편심， 그리고 베어링 의 파손이 PMSM 고장의 주요한 근본 원인임이 밝혀졌으며， 이러한 고장의 검출을 위해 집중적인 연구가 수행되어 왔다. 이러한 고장은 제조 시의 결함， 동작 중의 스트레스, 그리고 오작동으로 인해 발생할 수 있으며， 모터 성능과 효율의 심각한 저하를 가져올 수 있다. 따라서 모터의 최적 성능을 위해 희전자의 상태와 모터를 구동하는 전체 과정을 주기적으로 점검하는 것이 중요하다.
회복불가능한 부분적 또는 전체적인 감자는 영구 자석에 가해지는 열적， 전 기적， 기계적 및 환경적인 스트레스에 기인하여 발생할 수 있는 문제이다. 회복불 가능한 감자의 주요한 근본 원인 은 '동작점 효과'로서， 이는 감자 곡선에서 온도 종속적인 감소와 접극자 기자력 (magnet으 motive force ： mmf)의 감소에 기인한 성 능 (부하) 곡선의 천이의 효과가 결합된 결과이다. 만약 동작점 (감자 곡선과 성능 곡선의 교차점)이 감자 곡선의 변곡점 아래로 떨어지면 자석은 영구적으로 감자된 다. 또한 증가된 온도 및 /또는 부식 /산화에 기인한 자성 물질에서의 금속특성의 변 화가 회복블가능한 감자를 초래할 수 있다. 높은 에너지 밀도와 합리적인 가격으로 잘 알려진 NdFeB 자석는 높은 성능， 높은 에너지 밀도의 PMSM을 제조할 수 있기에 널리 사용되고 있다. 그러나 NdFeB 자석은 낮은 온도 특성 (낮은 동작 온도와 높은 온도 계수)ᅳ 낮은 부식 저항성 (환경에 포함되어 있는 습기 또는 염소 하에서 ) 및 낮은 기계적 강성 (부식， 조각 또는 금으로 인한 파손)에 기인한 회복불가능한 감자 에 민감하다.
또한 모터의 동작 중 또는 제조 단계에서의 불량으로 인해 공극 편심이 발생 할 수 있으며， 본래의 편심 정도는 공극의 5~10 % 이내로 요구된다. 정적 편심 (Static Eccentricity ： SE)은 최소 방사 공극의 위치가 고정되어 있는 상태이다. 이는 고정자 코어의 난형 또는 고정자 코어의 부정확한 위치에 의해 발생하며， 일 반적으로 그 정도는 시간이 경과해도 변하지 않는다. 동적 편심 (Dynamic Eccentricity ： DE)은 최소 방사 공극이 회전자와 함께 회전하는 상태이다. 이는 낡은 베어링， 굽은 축, 회전자의 비대칭적인 열적 팽창 또는 높은 수준의 정적 편 심에 의해 발생한다. 편심은 진동， 소름， 베어링 파손 및 /또는 회전자의 편향을 낳 게 되는 불균형한 자기적 인력을 야기한다. 비록 SE의 정도는 시간의 흘러도 변하 지 않지만， DE의 정도는 증가되어 영구 자석， 코어 또는 권선에 심각한 손상을 가 할 수 있는 회전자와 고정자의 접촉을 야기한다. 따라서 지난 5~6년 동안 PMSM 구 동 시스템의 성능， 신뢰성 및 효율을 개선하기 위해 영구 자석의 감자와 편심 오류 를 검출하는 기술의 개발에 많은 연구가 이루어져 왔다.
모터 전류 특성 분석 (Motor Current Signature Analysis ： MCSA)은 센서없이 연속적이고 모터 파라미터와 온도에 독립적인 온라인 감시를 제공하기에 가장 적극 적으로 연구되는 PMSM의 회전자 고장 검출 방법이다. 회전자의 회전 속도 주파수 성분은 수학식 1과 같이 표현되며 부분적인 영구 자석의 감자， SE；， DEᅳ 오정렬 또 는 회전자 /부하의 불균형을 포함하는 회전자 이상에 대한 척도로서 제시된다.
【수학식 1】
/ = . (1士^)
P
여기서， fri와 ^는 각각 회전자 이상과 기본 주파수 성분이고， k는 정수이 며， p는 극쌍의 개수이다.
비록 MCSA가 앞서 언급한 많은 이점이 있지만, 실제 활용시 구현에 있어서 많은 제약이 존재한다. 많은 PMSM 적용 제품들에 있어서， 모터는 속도와 부하가 연 속적으로 변하는 정상 상태하에서 동작하므로， 정확하게 수학식 1의 결과를 얻기 어렵다. 시간-주파수 분석 기법은 신뢰성있는 검출을 위해 연구되어 왔다. 그러나 이 또한 계산 강도와 하드웨어 사양으로 인한 비용이 증가하여 저가의 구동 제품에 적용하기 어렵다. 수학식 1에서 전류 성분을 유도하는 자속 패턴의 비대칭성이 존 재하기 때문에， 통상적으로 나타나는 균일하거나 대칭적인 감자는 검출할 수 없다. MCSA의 따른 치명적인 제한사항은 진동하는 부하 토크 (예를 들면， 왕복 압축기)가 수학식 1과 같은 동일한 주파수 성분에서 부엽을 낳는다는 것이다. 이는 이상에 기 인한 크기보다 더 크며， 이들을 분리할 수 있는 실질적인 수단이 존재하지 않는다. 평균 PM 강도에 비례하는 회전자 자속 또는 토크 상수 kt의 모델 기반 추정 기법 역시 감자 검출을 위해 연구되어 왔다. 그러나 회전자 자속 λ 과 토크 상수 kt 역시 온도의 증가에 따라 감소하며 (특히 , 세라믹과 NdFeB 자석에 대해), 코 어의 자기포화에 따라 변한다. 게다가 회전자 자속 또는 토크 상수 kt 추정은 모델의 정확도와 파라미터에 크게 의존한다. 따라서 비선형 교차 자화 효과, 자기 포화 및 회전자 온도 변화에 기인한 모델에서의 변동이 고려되어야 하며, 이는 상 당히 어렵기 때문에 회전자 자속 dr 또는 토크 상수 kt가 작거나 국부적인 영구 자석의 결함에 민감하게 된다. 결과적으로 회전자 자속 또는 토크 상수 kt 추 정은 공극 편심에 민감한 지시자로 제공되기 어렵다.
영구 자석의 품질 또는 DE에 대한 전통적인 오프라인 테스트는 시각 검사， 가우스 미터, 다이얼 테스트 표시자 측정 등이다. 이들은 회전자의 표면에서 직접 적으로 측정 결과를 얻기 때문에 회전자 품질에 대한 정확한 결과를 제공할 수 있 다. 그러나 이들은 모터를 해체하여야 하고， 특정한 측정 장비 또는 설정이 필요하 다. 영구 자석의 평균 강도는 또한 일정한 속도로 회전하는 회전자에 대해 역 기전 력 (electo-motive force ： emf) 전압을 측정하여 간접적으로 추정될 수 있다. 이러 한 오프라인 테스트 역시 영구 자석의 온도에 종속적이며， 회전자를 일정한 속도로 회전시키기 위한 외부 수단이 필요하기 때문에 편리하지 않다.
한편， 일본공개특허공보 제 2009-22091호에는 무부하 운전 상태에서 전동기로 부터 검출한 영구 자석에 의한 유발 전압 또는 전동기로부터 검출한 전류로부터 산 출한 유발 전압이 정상적인 영구 자석에 대한 감소자 한계 곡선보다 낮으면 영구 자석이 감자된 것으로 판단하는 기술 구성이 개시되어 있다. 또한 한국공개특허공 보 제 2011— 68446호에는 동기발전기로부터 측정한 고정자 전압을 정상성분 전압과 역상성분 전압으로 분해하고, 정상성분 전압 대비 역상성분 전압의 비율을 계산한 후 정상적인 영구 자석에 대해 얻어진 비율과 비교하여 영구 자석의 감자여부를 판 단하는 기술 구성이 개시되어 있다. 또한 한국공개특허공보 제 2010-45718호에는 전 동기가 정지한 상태에서 회전자의 회전축을 관통하면서 방향이 다른 복수의 자계를 발생하고， 각각의 자계에 대해 고정자 권선에서 측정된 전류와 정상적인 회전자에 대해 고정자 권선에서 측정된 전류를 비교하여 영구 자석의 감자 상태를 진단하는 기술 구성이 개시되어 있다. 그러나 이들 선행기술들 중에서 한국공개특허공보들에 기재된 선행기술들은 영구 자석의 감자 상태만을 검출하는 구성만을 개시하고 있 고， 감자 상태의 검출 기법에 있어서 본 발명과 상이하다. 또한 일본공개특허공보 에 기재된 선행기술은 정지 상태가 아닌 무부하 운전 상태에서 영구 자석의 감자여 부와 편심여부를 측정하고 있어 회전자를 일정한 속도로 회전시키기 위한 외부 수 단이 필요하다는 단점이 있다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서， 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전동기를 분해하지 않으면서도 고가의 별도 장비 없이 용이하게 영구 자석 동기 전동기의 감자 상태와 편심 상태를 진단할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전동기를 분해하지 않으 면서도 고가의 별도 장비 없이 용이하게 영구 자석 동기 전동기의 감자 상태와 편 심 상태를 진단할 수 있는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체를 제공하는 데 있다.
【기술적 해결방법】
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동 기의 상태 진단 장치는, 회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향으로 직 류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생하는 자계 발생부; 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하는 고정자 전류 측정부; 및 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 측정된 상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기초로 상기 영구 자석의 감자 상태와 상기 회전자의 편심 상태를 진단하는 상태 진단부; 를 구비하며, 상기 디퍼런셜 인덕턴스는 상기 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성분에 의한 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 상기 교류 자계 성분으로부터 측정된 쇄교 자속 (flux linkage)의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량으로 정의된다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한， 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법은, (a) 회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방 향으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생하는 단계; (b) 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 및 (c) 상기 발생된 자계 각각에 대웅하여 측정된 상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기초로 상기 영구 자석의 감자 상태와 상기 회전자의 편심 상태를 진단하는 단계;를 가지며， 상 기 디퍼런셜 인덕턴스는 상기 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성분에 의한 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 상기 교류 자계 성분으 로부터 측정된 쇄교 자속 (fkx linkage)의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변 화량으로 정의된다.
【유리한 효과】
본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진 단 방법올 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체에 의하면， 전동기를 분해 하지 않으면서도 고가의 별도 장비없이 용이하게 영구 자석 동기 전동기 내의 영구 자석의 감자 상태와 회전자의 폄심 상태를 진단할 수 있다. 또한 영구 자석 동기 전동기를 구동하기 위한 인버터의 전류 센서와 컨트를러 등 기존의 하드웨어 자원 을 그대로 이용하므로， 별도의 하드웨어를 추가할 필요가 없다는 이점이 있다. 또 한 시간이 오래 걸리고 큰 비용을 치러야 하는 기존의 진단 방법에 비해 신속하고 간편하게 영구 자석의 감자 상태와 편심 상태를 진단할 수 있다. 또한 기존의 MCSA 기법， 모델 기반 또는 역 기전력 기반 영구 자석 동기 전동기의 회전자 고장 검출 방법에 비해 높은 민감도와 신뢰도를 가지며， 비용이 적게 소요된다.
【도면의 간단한 설명】
도 1은 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치 및 방법에 있어서 상태 진단 기법을 설명하기 위한 도면，
도 2는 정상적인 상태의 여기되지 않은 영구 자석 동기 전동기의 자계 밀도 분포를 도시한 도면 ,
도 3은 영구 자석을 구성하는 d축 방향의 자계 경로， d축 방향의 고정자 권 선， 공극， 및 고정자， 그리고 회전자 코어에 대한 등가의 자기 회로 모델을 도시한 도면，
도 4는 영구 자석의 자기 저항-기자력 특성 (영구 자석의 감자 곡선)과 영구 자석 외부의 자기 회로 (투자 곡선)를 도시한 도면，
도 5는 기자력의 소스로 모델링된 영구 자석과 고정자 권선에 대한 d축 자속 경로의 기자력 특성을 도시한 도면，
도 6은 d축 쇄교 자속과 전류 관계 및 d축 인덕턴스와 디퍼런셜 인덕턴스 곡 선을 도시한 도면， 도 7은 d축 쇄교 자속과 전류 관계 및 영구 자석 감자에 따른 d축 디퍼런셜 인덕턴스 곡선을 도시한 도면，
도 8은 영구 자석 감자와 편심에 따른 직류 전류대 d축 디퍼런셜 인덕턴스의 변화를 도시한 도면，
도 9는 편심을 가진 모터에 대해 고정자 전류를 인가하지 않은 상태에서 영 구 자석에 기인한 자속 밀도의 DC 정자기 FE 시뮬레이션 결과를 도시한 도면， 도 10은 공극 편심에 대한 d축 쇄교 자속과 전류 곡선 및 디퍼런셜 인덕턴스 곡선올 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치의 바람직 한 실시예의 구성을 도시한 도면，
도 12는 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법에 대한 일 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도，
도 13은 실험에 사용된 모터 회전자와 영구 자석의 구성， 그리고 부분적인 감자를 실험하기 위해 파손한 영구 자석에 대한 사진，
도 14는 50 %의 동적 편심 (샘플 G)을 낳기 위해 축과 키 배열에 대한 기구적 인 설계도，
도 15는 동적 편심 상태를 낳기 위한 실험 설정을 도시한 도면,
도 16은 영구 자석 감자에 대한 실험 결과를 도시한 도면,
도 17은 감자된 영구 자석 샘플 A~D에 대해 Id=5 A에서 측정된 Xd'와 Xd'의
% 변화를 도시한 도면，
도 18은 공극 편심에 대한 실험 결과를 도시한 도면, 그리고，
도 19는 편심 회전자 샘플 E~G에 대해 Id=4 A에서 측정된 Xd'와 Xd'의 % 변 화를 도시한 도면이다.
【발명의 실시를 위한 형태】
이하에서， 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기 의 상태 진단 장치， 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록 한 기톡 매체의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치 및 방법에 있어서 상태 진단 기법올 설명하기 위한 도면이다.
도 1올 참조하면， 영구 자석의 감자 상태와 공극 편심을 검출하고 분류하기 위해， 모터가 정지상태에 있을 때마다 인버터 (100)를 이용하여 영구 자석 동기 전 동기 (110)에 신호를 인가한다. 인버터 (100)는 등가의 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'를 얻 기 위해 d축 방향의 직류 자계에 부가된 작은 교류 자계를 영구 자석 동기 전동기
(110)에 인가하도록 동작한다.
도 2는 정상적인 상태의 여기되지 않은 영구 자석 동기 전동기의 자계 밀도 분포를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면， d축의 자성 특성을 파악하기 위해 4극 내부 영구 자석 동 기 전동기에 대한 직류 정자기 유한 요소 (Finite Element ： FE) 시뮬레이션올 수행 하였다. 고정자 여기없는 영구 자석 동기 전동기의 자계 분포는 정지 상태에서 회 전자에 나타나며， 최소 자기 저항 경로 (minimum reluctance path) 중의 하나로 배 열된다. 영구 자석을 구성하는 d축 방향의 자계 경로, d축 방향의 고정자 권선， 공 극， 및 고정자, 그리고 회전자 코어는 도 3에 도시된 등가의 자기 회로 모델로 표 현될 수 있다. 도 3에서， F, R, Φ 및 N은 각각 기자력， 자기 저항， 자속 및 등가 의 권선수를 나타내며, 아래 첨자 pm, g, g 및 1은 각각 영구 자석， 공극 코어 및 부하를 의미한다. 자성 물질이 공기와 유사한 비투자율을 가지고 있기 때문에， 영 구 자석은 일반적으로 내부 전원 자기 저항을 가진 자속 종속적인 기자력으로 모델 링된다.
도 4에는 영구 자석의 자기 저항-기자력 특성 (영구 자석의 감자 곡선)과 영 구 자석 외부의 자기 회로 (투자 곡선)가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면， 자기 저항과 기자력에 대한 동작점은 감자 곡선과 투자도 곡선의 교차지점으로 결정되며 , 여기되지 않은 상태에서 (즉， id=0) 개방 회로 동작 점은 (FB, Φπ)에 위치한다. 도 3에서 알 수 있듯이, d축 고정자 전류 (id≠0)는 추 가적인 기자력을 낳게 된다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이 감자 곡선이 천이된 것 으로 등가화될 수 있으며， 결과적으로 동작점을 변경시키게 된다. 한편 도 5에 도 시된 바와 같이 기자력의 소스로서 영구 자석과 권선을 살펴보고 전체 자기 투자도 의 부분으로서 „을 포함하면 분석이 단순화될 수 있다. 기자력 곡선은 수직선을 형성하며， 값은 영구 자석과 권선 기자력들의 합이다. 투자도 곡선은 영구 자석， 공극 및 코어의 투자도의 결합된 효과를 포함하며, 투자도 곡선의 기울기는 인덕턴 스와 비례한다. d축 방향의 자기 회로의 동작점은 도 4에 도시된 바와 유사하게 감 자 곡선과 투자도 곡선의 교차점으로 결정된다. 도 3 내지 도 5로부터 d축 방향으 로 자속을 생성하는 양 전류 (id>0)는 기자력과 자속올 증가시키고， 인덕턴스 (투자도 곡선의 기울기)를 감소시킨다.
도 5에 도시된 d축 자속에 대한 기자력 곡선은 도 6에 도시된 바와 같이 N을 곱하거나 나눔으로써 쇄교 자속 (flux lingage) λ^] 대한 전류 id 곡선으로 다시 그려질 수 있다. 선형 영역에서 d_id 곡선은 코일의 인덕턴스와 동일하며， 재작성 된 곡선은 다음의 수학식 2와 같이 영구 자석 동기 전동기의 d축 방향의 자속 방정
식으로 표현된다.
【수학식 2]
Figure imgf000010_0001
여기서, ^은 id=0(N<D 일 때 코일의 쇄교 자속이다.
id=0인 영구 자석으로 인해 기자력과 자속이 d축 방향으로 자속 경로가 형성 되기 때문에， d 축은 λ-i 곡선의 원점 (도 6에서 0)을 지나지 않는다. 그리고 Xd
축은 id=0일 때 ^가 入^과 동일한 지점인 개방 회로 동작점 a에서 교차하며， 원점 을 향하는 등가의 id는 영구 자석의 기자력을 N으로 나눈 값에 대웅된다. 수학식 2
로부터 d축의 인덕턴스 Ld는 개방 회로 동작점 a에 대해 다음의 수학식과 같이 λά 의 증가량과 d축 전류 id의 비로 정의된다. 【수학식 3]
Figure imgf000010_0002
이는 도 6의 우측에 도시된 Ld 곡선 (점 b1')에서 알 수 있으며, 포화로 인해 ¬가 약간 감소한다. 한편 본 발명에서 이상 모니터링을 위해 채용하는 값인 d축 디 퍼런셜 인덕턴스 1 (즉， 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스)는 ¬와 차이가 있다. d축 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'는 λ-i 곡선상의 각 점에서 λ-i 곡
선의 기울기로 정의되며， 다음의 수학식으로 표현된다.
【수학식 4】
Figure imgf000010_0003
포화 상태에서 IV의 감소는 λ-i 곡선의 미분이기 때문에 Ld의 감소와 비교 할 때 보다 중요하다.
동작점의 d축 디퍼런셜 인덕턴스는 d축 방향으로 교류 고정자 자계를 가하 고， 고정자 전압과 전류의 기본 성분으로부터 임피던스의 리액티브 성분을 계산함 으로써 얻어질 수 있다. 교류 자계의 크기가 지나치게 크지 않으면， 인덕턴스는 λ
-i 곡선의 동작점에서 Ld'와 동일한 것으로 간주될 수 있으며， 동작점은 일반적으로 최적의 성능을 위해 선형 영역에서 곡선의 변곡점 전에 위치하도록 설계된다. 만약 고정자 교류 자계가 a축 방향으로 고정자 직류 자계에 부가되면， 직류 자계는 동작 점을 천이시키며， 대웅되는 점에서 Ld'의 값은 교류 성분으로부터 얻어질 수 있다. 일예로, 가해진 직류 전류 성분이 Id와 동일하면， 도 6의 동작점은 점 a로부터 점 b 로 이동하고， 교류 성분으로부터 얻어지는 Ld'의 값은 포화로 인해 Ld,a '로부터 Ld,b' 로 감소한다. 점 b'에서 d축 디퍼런셜 인덕턴스 Ld' 값의 감소는 점 b"에서 인덕턴 스 Ld에 대응하는 값의 감소와 비교할 때 매우 크다. 상술한 바와 같은 Ld'의 계산을 위해， d축을 기준으로 Θ의 각도로 가해진 고정자 자계는 Θ와 θ+180° 사이를 맥동하는 피크를 가진 교류 자계와 Θ에서 고 정된 직류 자계를 포함한다. Θ에서 교류 자계와 직류 자계가 합해진 자계의 백터 는 다음의 수학식과 같이 세 개의 위상 전압 참조 집합을 가진 사인 델타 펄스 폭 변조 (sine-delta P丽)를 가지고 얻어질 수 있다.
【수학식 6】
V (0,ffl =^ccos(6)+Faccos(0) · sin(ro ,
v^(9,ro/)=Fccos(G-2^3)+F^cos(8-2 /3) . sin(o3t),
(6,ro I=^ccos(e+2^3)+Faccos(e+2^3) , sin(a)/)
여기서， Vdc와 Vac는 각각 직류와 교류 성분의 전압 크기이고， ω는 여기 주 파수이다.
가해진 자계는 직류 자계가 회전자의 현재 위치에 회전자를 정렬하기 때문에 장치에 토크를 유발하지 않으며， 교류 자계는 반대 방향으로 동일한 크기의 토크를 낳는다. d 축 각도 (Θ)는 회전자 돌출 및 /또는 포화를 기초로 초기 회전자 위치 추 정 방법에 의해 용이하게 추정될 수 있다. d 축 방향 (Θ)으로의 기준 전압과 전류 백터는 수학식 6과 ias, ibs 및 ics 전류 측정으로부터 다음의 수학식에 의해 계산될 수 있다. 【수학식 7]
v ω/)=Α: - [cos(6)cos(9-2n/3)cos(e+2^3)] * v „,
id(at)=k♦ [cos(0)cos(6-2^3)cos(e+27i/3)] . 여기서， k는 2/3이고， v'abcs와 ^„는 각각 고정자 기준 전압과 전류 매트릭 스를 의미한다.
등가 Ld'는 다음의 수학식에 의해 기준 전압 Vd와 전류 백터 Id의 위상 기본 성분으로부터 추출될 수 있다.
【수학식 8]
Figure imgf000012_0001
앞서 설명한 이유들 중 하나로 인한 부분적인 또는 균일한 영구 자석 감자는 영구 자석의 기자력 (FP 을 약하게 한다. 이는 Φπ 또는 入„의 약화를 초래하며， 도
7에 도시된 바와 같이 도 6의 d 축을 왼쪽으로 이동시킨 것과 같이 표현될 수 있 다. 개방 회로 동작점은 기자력과 의 감소와 함께 원점을 향해 선형 영역 (도 7에 서 점 a로부터 점 d)에서 아래로 이동된다. 동작점들이 선형 영역 (점 a와 점 d에서 入 -i 곡선의 기울기는 Ld.a' Ld,d '로 유사)에 존재하기에 Ld'의 값은 감자와 함께 크 게 변하지 않는다. 정상적인 모터와 비교할 때 감자된 영구 자석을 가진 모터의 코 어를 포화시키기 위해 높은 직류 자계 성분이 요구된다. 도 6에 도시된 정상적인 영구 자석에 대해, Id의 직류 전류에 대웅하는 직류 자계가 측정되면 코어가 포화되 기 때문에 Ld,a'의 값은 Ld,b'로 감소한다. 그러나 Ld'는 여전히 도 7에 도시된 감자 된 영구 자석을 가진 경우에 대한 동일한 직류 자계 여기 (Id)와 동일 (Ld,c'^Ld,d')하 다. 따라서 Ld'는 동일한 여기 상태 (Id>0)하에서 측정될 수 있다. 만약 Ld 1가 Id의 함수로 표현되면, 도 8에 도시된 바와 같이 1<1의 증가와 함 께 코어가 포화되기 시작함에 따라 Ld'가 감소하기 시작한다. 코어가 과포화 영역에 도달함에 따라， Ld'는 낮은 값으로 수렴한다. 감자된 회전자를 가진 영구 자석 동기 전동기에 있어서， 코어를 포화시키기 위해 큰 Id가 필요하기 때문에 정상적인 영구 자석을 가진 모터에 대한 Ld'-Id 곡선이 오른쪽으로 이동한다. 따라서 감자된 영구 자석에 대한 Ld '의 값은 가해진 직류 자계 성분 또는 Id의 일정한 범위로 증가한다. 이때 최대 검출 민감도에 대한 직류 자계의 최적 값은 모터의 설계에 의존한다. 이 러한 값은 1 변화량의 절대값 | Δΐ ΐ으로부터 결정될 수 있으며, 이는 FE 분석 또는 실험으로부터 얻어질 수 있다. 이는 유도 전동기와 달리 영구 자석 동기 전동 기는 일반적으로 제품 적용에 대해 함께 설계되므로， 영구 자석 동기 전동기의 특 성이 인버터에 의해 잘 알려져 있어 얻기 어렵지 않다. 민감한 검출을 위해 필요한 직류 자계는 | ALd'|가 최대값이므로, 도 8에 도시된 예에 대한 Id,den에 대웅하는 자 계이다. 교류 성분은 I 를 추출하기 위해 사용되므로, Vac는 일관성있는 실험 결과 를 위해 전류 측정에 있어서 충분한 해상도를 제공할 수 있을 정도로 층분히 커야 한다.
자속 패턴이 편심에 따라 변화하는 상태를 관찰하기 위해， 편심을 가진 여기 되지 않은 영구 자석 동기 전동기에 대해 직류 정자기 FE 분석을 수행하였다. 회전 자는 정지 상태에 있으며 , 도 9에 도시된 바와 같이 편심 방향은 자기적 인력이 최 대인 영구 자석의 중심을 향하는 것으로 가정한다. 도 9와 도 3을 참조하면， 상부 자기 회로의 고정자 코어 내의 자속은 자기 저항이 감소하기에 증가하는 반면， 하 부 자기 회로 내의 자속은 자기 저항의 증가로 인해 감소한다. 도 10에 도시된 바 와 같이， 이는 다중 극 쌍 (P) 모터 (본 실시예의 경우 p=2)에 대해 정상적인 모터의 투자도 곡선으로부터 반대 방향에 있는 자기 회로에 대한 투자도 곡선의 이동으로 표현될 수 있다 (점 e,up과 점 e, low에서 동작점들). 만약 편심이 존재하면， 투자도 곡선의 기울기가 큰 공극과 함께 감소하기 때문에 하부의 자기 회로의 '의 값
Ld,e,low '가 감소한다. 상부의 자기 회로에 대해, 투자도 곡선의 기울기는 감소된 공 극과 함께 증가하나， 동작점은 자속의 증가로 인해 포화 영역으로 돌입한다. 이는 도 10에 도시된 바와 같이 Ld'(Ld,e.up')의 감소를 낳게 된다. λ가 하부의 과포화와 동일하기 때문에, 두 개의 자기 회로에 대한 투자도 곡선들은 큰 직류 전류 성분을 가진 유사한 값으로 수렴한다. Ld,e,low '와 Ld,e.up' 모두 감소하기 때문에 편심올 가진 모터의 ' 값인 Ld,e'는 동심 모터의 Ld' 값인 Ld,a'로부터 감소한다. 따라서 Ld'가 동일한 여기 상태에서 측정되면, ' 값의 감소는 편심의 지표로 사용될 수 있다. 만약 편심 모터에 대해 Ld,e'에 대한 ^의 그래프를 작성하면， Id=0에서 Ld,e' 는 Ld,a '보다 낮으며， I 증가함에 따라 동심 모터보다 급격하게 증가한다. 도 10 으로부터 Ld,e'의 급격한 감소는 상부 자기 회로의 코어가 포화됨에 따라 Ld,e,up' 값 이 감소함에 기인하는 것으로 예상할 수 있다. |ALd'ᅵ의 그래프를 살펴보면， 감자 의 경우와 같이 모터 설계에 종속적인 편심에 대한 최대 검출 민감도를 위한 직류 자계의 최적값이 존재함을 알 수 있다. 도 8에 도시된 예의 경우에， 검출 민감도에 요구되는 직류 자계는 lALd'|의 최대인 Id.ecc에 해당한다. Id=0에서 Ld'의 값은 d축
(Vdc=0)에서 교류 자계 여기를 가지고 측정할 수 있다. 편심 검출의 민감도는 도 8 에 도시된 바와 같이 동작점을 이동시키는 본 발명에 의해 향상될 수 있다.
영구 자석 동기 전동기의 감자와 편심을 파악하기 위해 사전에 설정된 수준 의 직류 자계 또는 Id에 대해 측정된 Ld'의 변화는 정상적인 영구 자석에 대한 Ld.a' 값과 비교된다. 만약 영구 자석이 감자되면 Ld'의 값이 증가하고， 회전자가 편심되 면 Ld '의 값이 감소하여， 영구 자석 동기 전동기 회전자의 고장에 대한 명백한 검출 과 분류를 가능하게 한다.
또한 영구 자석은 영구 자석 온도 TPM의 변동에 따라 회복할 수 있는 감자를 겪는다. 이때 영구 자석 재료에 따른 Φ^] 대해 온도 계수 (°C 증가 당 ¾> 변화) 범 위는 0.0 2%/°C와 -0.02 %/°C 사이이다. 따라서 자속 크기에 의존하여 회전자의 고 장을 검출하는 모든 기법들은 TPM의 변화에 영향을 받으며, 이는 신뢰성있는 측정을 위해 고려되어야 한다. 본 발명에서 회복할 수 없는 감자에 기인한 '의 변화와
TPM에 종속적인 감자는 지표에 있어서 λά 축의 이동과 동작점의 이동에 기인하기 때문에 서로 구별될 수 없다. ΤΡΜ을 간접적으로 측정하는 하나의 방법은 고정자 온 도 Ts의 양호한 지표인 고정자 저항 ¾에 대한 추정에 의한 것이다. ¾의 추정은 인 버터를 사용하여 정지 상태에 있는 모터에 직류 성분을 가한 이후에 전압과 전류의 직류 성분으로부터 용이하게 얻어질 수 있다. 만약 모터가 대기 온도로 낮아진 이 후 모터의 기동 전에 테스트를 수행하면， ¾ 추정 값 (T 은 TPM을 나타낸다. 유사한
TPM에서 얻어진 Ld' 측정값은 정지 상태의 테스트이기 때문에 온도에 민감하지 않은 신뢰성있는 영구 자석 회전자의 상태 추정에 대한 변화 추이가 될 수 있다. 편심 검출을 위한 또 다른 접근은 도 8에 도시된 Ld' 곡선의 형태를 관찰하는 것이다. 곡 선은 TPM에 따라 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동할 수 있지만， 형태는 변하지 않기에 TPM 에 독립적인 편심 검출이 가능하다.
Ld,a'의 정상적인 값은 영구 자석 및 /또는 코어 재료 또는 제조 결함 또는 블 일치 등의 개별적인 변동으로 인해 동일한 설계의 모터에 대해 변할 수 있다. 따라 서 개별적인 모터에 대해 Ld,a'의 정상적인 값을 측정하여 저장하고, 신뢰성있는 측 정을 위해 시간의 흐름에 따라 관할하는 것이 바람직하다.
도 11은 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면， 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치 (1100)는 자계 발생부 (1110)， 고정자 전류 측정부 (1120) 및 상태 진단부 (1130)를 구비한다.
자계 발생부 (1110)는 영구 자석 동기 전동기의 회전자가 정지 상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향 (즉， S극에서 N극 쪽)으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 자계를 발생한다. 이러한 자계 발생부 (1110)는 도 1에 도시된 바와 같은 인버터 (100)에 의해 구현될 수 있다. 이때 자계 발생부 (1110)에 의해 영구 자석 동기 전 동기로 인가된 전류 (ia, ib, ic)에 의해 발생된 자계가 영구 자석의 극 방향과 일치 하지 않고 일정한 각도 (즉， 도 1에서 회전자의 극 방향인 d축과 자계의 발생 방향 사이의 각도 Θ)를 이루는 경우가 발생한다. 이러한 d 축 각도 Θ는 회전자 돌출 및 /또는 포화를 기초로 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 초기 회전자 위치 추정 방법에 의해 용이하게 추정될 수 있다. 그리고 d 축 방향으로의 자계 성 분은 수학식 7에 의해 얻어질 수 있다. 이때 자계 발생부 (1110)는 일정한 범위 내 에서 직류 자계의 크기를 변화시키며， 이에 의해 코어의 포화 정도가 변화된다. 예 를 들어， 영구 자석 동기 전동기에 영구 자석의 극 방향으로 직류 전류를 홀려 직 류 자계를 증가시키면， 영구 자석의 자계와 고정자 권선에서 발생한 자계가 중첩되 어 코어가 포화되고 이에 따라 디퍼런셜 인덕턴스가 감소한다. 만약 영구 자석 동 기 전동기의 영구 자석이 감자되면， 정상 상태의 영구 자석보다 큰 직류 자계를 인 가해야 코어가 포화되기 시작한다. 따라서 감자된 영구 자석에 대해서는 보다 큰 직류 전류를 전류를 인가해야 코어가 포화되어 디퍼런셜 인덕턴스가 감소하기 시작 한다.
고정자 전류 측정부 (1120)는 발생된 자계 각각에 대웅하여 고정자 권선에 흐 르는 전류를 측정한다. 따라서 고정자 전류 측정부 (1120)는 자계 발생부 (1110)에 의해 발생되어 영구 자석 동기 전동기에 인가된 직류 자계의 크기별로 각각 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하여 출력한다.
상태 진단부 (1130)는 발생된 자계 각각에 대해 측정된 고정자 권선의 전류값 들의 영구 자석의 극 방향 성분과 교류 자계 성분으로부터 측정된 영구 자석의 극 방향 전류 id와 영구 자석의 극방향 쇄교 자속 ^을 기초로 수학식 4에 의해 산출 된 d축 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'의 변화 추이를 기초로 영구 자석의 감자 상태와 편심 상태를 진단한다. 이때 상태 진단부 (1130)는 영구 자석의 감자 상태를 진단하기 위 해 먼저 교류 자계 성분으로부터 측정된 전류와 쇄교 자속을 기초로 수학식 4에 의 해 d축 디퍼런셜 인덕턴스를 산출한다. 다음으로 상태 진단부 (1130)는 산출된 d축 디퍼런셜 인덕턴스를 정상적인 영구 자석에 대해 사전에 측정되어 저장되어 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴스와 비교하여 영구 자석의 감자 상태와 편심 상태를 진단한 다.
만약 고정자 전류 측정부 (1120)에 의해 측정된 고정자 권선에 흐르는 서로 다른 크기의 직류 전류값과 이에 대웅하여 산출된 d축 디퍼런셜 인덕턴스가 정상적 인 영구 자석에 대해 동일한 상황에서 산출된 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 크면， 상태 진단부 (1130)는 영구 자석이 감자된 것으로 판단한다. 또한 영구 자석 동기 전동기에 인가된 서로 다른 크기의 직류 전류값과 이에 대응하여 산출된 d축 디퍼 런셜 인덕턴스가 정상적인 영구 자석에 대해 동일한 상황에서 산출된 기준 디퍼런 셜 인덕턴스보다 작으면, 상태 진단부 (1130)는 편심이 발생한 것으로 판단한다. 이 때 영구 자석 동기 전동기에 인가되는 직류 전류값들은 감자와 편심을 각각 가장 민감하게 진단할 수 있는 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 따라서 도 8에 도시된 바와 같이 감자 상태를 진단할 때와 편심 상태를 진달할 때 각각 인덕턴스의 차이 가 가장 크게 되는 Id,dera과 Id,ecc을 직류 전류값으로 결정하는 것이 바람직하다. 한편 상태 진단부 (1130)는 직류 전류 대 디퍼런셜 인덕턴스 그래프의 기울기 를 기초로 편심 상태를 진단할 수 있다. 즉， 도 8에 도시된 바와 같이， 영구 자석 동기 전동기의 고정자 권선으로부터 측정된 서로 다른 크기의 직류 전류값에 대해 이에 대웅하여 산출된 디퍼런셜 인덕턴스의 변화비 (즉, 직류 전류 대 디퍼런셜 인 덕턴스 그래프의 기울기)가 정상적인 영구 자석에 대해 동일한 상황에서 산출된 기 준 디퍼런셜 인덕턴스의 변화비와 다르면, 상태 진단부 (1130)는 회전자가 편심된 것으로 판단한다.
도 12는 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법에 대한 일 실시예의 수행과정올 도시한 흐름도이다. 도 12를 참조하면， 영구 자석 동기 전동기의 회전자가 정지상태에 있을 때 자계 발생부 (1110)는 영구 자석의 극 방향 (즉， S극에서 N극 쪽)으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생한다 (S1200). 이때 자계 발생부 (1110)에 의 해 발생된 복수의 자계는 직류 자계의 크기가 사전에 설정된 범위 내에서 서로 다 르게 설정된다. 다음으로 고정자 전류 측정부 (1120)는 발생된 자계 각각에 대응하 여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정한다 (S1210). 다음으로 감자 상태 진단부 (1130)는 발생된 자계 각각에 대해 측정된 고정자 권선의 전류값들과 교류 자계 성 분으로부터 측정된 전류 ^와 쇄교 자속 ^을 기초로 수학식 4에 의해 산출된 d축 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'의 변화 추이를 기초로 영구 자석의 감자 상태와 편심 상태를 진단한다 (S1220).
본 발명에 따른 효과를 검증하기 위해 도 13의 (a)에 도시된 바와 같은 4극 7.5 k NdFeB 자석을 내장한 영구 자석 동기 전동기에 대해 실험을 수행했다. d축 방향으로 직류와 교류 자계가 결합된 자계로 모터를 구동하기 위해 IGBT 인버터를 제어하기 위해 상용의 DSP를 사용하였다. 그리고 Vdc의 값을 Id가 -1 A에서 7 A (또 는 10 A) 사이에서 변하도록 설정하고， 직류 자계의 크기에 따른 d축 디퍼런셜 인 덕턴스 Ld'에 대한 검출 민감도의 변화 추이를 확인하기 위해 Id의 크기를 1 A 단위 로 증가시켰다. 교류 자계로부터 측정된 전압 V와 전류 i로부터 Ld'를 계산하기 위 해 교류 주파수를 50 Hz로 하였고， 교류 전류의 크기가 각각의 Id 크기에 대해 2 A 의 피크 투 피크를 가지도록 Vac를 설정하였다. Ld'의 일관성은 2 A의 피크 투 피크 보다 큰 교류 전류 크기에서 개선되지 않는다. 엄격한 균일 감자를 가진 모터 샘플 (샘플 B)과 부분적으로 깨진 영구 자석 (샘플 (：， D)으로 테스트를 수행하였고， 균일 하고 부분적인 감자하에서 본 발명의 검출 민감도를 평가하기 위해 정상적인 회전 자와 비교하였다. 샘플 A와 B에 대해 30000 RPM에서 역 기전력 전압 측정 결과에 따르면， 샘플 B의 역 기전력 상수는 균일한 감자로 인해 31.2 % 감소되었다. 부분 적으로 감자된 샘플을 얻기 위해， 도 13의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같이 끌로 자 석의 7.2 %와 10.4 %를 고의로 깨트렸다.
0.65麵 공극에 대해 0 , 25 % 및 50 % DE상태를 얻기 위해 도 13의 (a)에 도시된 바와 같은 회전자 코어에 적합한 특별한 축 어셈블리를 제작했다. 원래 축 의 외부 크기를 축소하고, 네 개의 홈을 제조하여 축과 회전자 코어 사이의 간격이 다른 높이의 키를 사용하여 편심을 제어하기 위해 조절될 수 있도록 하였다. 도 14 에는 위쪽으로 50 %의 DE를 가지는 경우에 대한 기계적인 구성이 도시되어 있다. 그리고 도 15에는 제작된 축， 0 ' 25 % 및 50 %의 편심을 위한 세 개의 키， 그리 고 회전자 코어 어셈블리의 사진이 도시되어 있다. 도 9에 도시된 FE 시물레이션에 서 알 수 있듯이， 자기적 인력이 최대인 자석의 중심에 DE의 방향이 정렬되도록 한 상태에서 실험적인 측정이 수행되었다.
도 16의 (a)에는 건강하고 감자된 영구 자석 샘플들 (A~D)의 '에 대한 측정 결과가 Id의 함수로 도시되어 있다. 만약 직류 자계 성분이 특정한 범위에 있으면， '는 샘플 B~D에 대한 감자 정도에 따라 증가함을 명백하게 알 수 있다. 부분적으 로 감자된 샘플 C와 D의 경우에， 코어를 포화시키기 위해 높은 기자력이 요구되기 때문에 ' 곡선이 우측으로 이동한다. 샘플 B의 경우에， 엄격한 균일 감자로 인해 d축으로 인가된 직류 자계의 범위 내에서 곡선의 선형 영역만 관찰된다. 이러한 샘 플에 있어서 코어 포화에 기인한 '의 감소는 매우 큰 Id 값에서만 관찰될 수 있 다. 동작점이 선형 영역에서 변곡점보다 훨씬 아래에 있기 때문에 Id=0에서 샘플 B 의 ¾' 값은 샘플 A, C 및 D보다 크다. 도 16의 (b)에는 높은 민감도를 위한 최적의 여기 조건을 파악하기 위해 부 분적으로 감자된 샘플과 정상적인 샘플의 값들 사이의 차이 Δ '가 도시되어 있다. 도 16의 (b)를 참조하면， 샘플 C와 D에 대해 Δ¾ '는 초기에 Id와 함께 증가 하나， 곡선이 유사한 값으로 수렴하기 때문에 코어가 과포화에 도달함에 따라 감소 하기 시작한다. Δ '의 값은 Id=5 A일 때 가장 크며， 이는 감자 검출에 대한 민감 도가 최대임을 의미한다. 샘플 B의 경우에 있어서 중요한 영구 자석의 감자는 모델 기반 검출 기법 또는 역 기전력 기반 검출 기법에 의해 용이하게 검출될 수 있다. 그러나 샘플 C와 D의 경우와 같이 작은 크기의 부분적인 감자는 검출되기 어렵다. 만약 5 A의 직류 여기가 사용되면 , 도 17에 도시된 바와 같이 ¾'는 1.8 %와 2.6 % 의 부분적인 감자에 대해 각각 6.2 %와 12.6 ¾만큼 증가한다. 이로부터 본 발명에 따른 진단 장치 및 방법이 감자된 영구 자석에 있어서 비선형 포화 효과로 인해 ¾' 의 증가가 증폭되는 자기 포화를 이용하기 때문에 작은 양의 부분적인 감자에 매우 민감함을 알 수 있다. 이는 고장 지표가 자석의 세기에 비례하는 기존의 기법과 비 교할 때 민감도에 있어서 상당한 개량이라 할 수 있다.
도 18의 (a)와 (b)에는 각각 편심 샘플 E~G에 대한 '의 측정값과 Δ '가 Id의 함수로 도시되어 있다. 도 18을 참조하면， '는 DE (샘플 F, G)의 크기가 증가 함에 따라 증가함을 알 수 있다. ' 곡선은 Id의 특정한 범위에서 아래쪽으로 이동 하며， 이는 주로 편심이 공극이 감소되는 코어의 부분을 포화시켜 코어의 해당 부 분에서 '를 감소시키기 때문이다. 샘플 A와 E에 대한 ¾' 곡선은 재료의 개별적인 변화 및 /또는 제조의 비이상적인 상황으로 인해 약간 차이가 있음을 주목할 필요가 있다. 따라서 '의 변화는 동일한 환경과 사전에 설정된 여기 조건 하에서 개별적 인 모터의 정상적인 값에 대해 검사되어야 한다. 도 18의 (b)로부터 ΔΧ/는 초기에 증가하고， 코어가 포화됨에 따라 감소하여 0으로 수렴됨을 알 수 있다. 연구에서 편심에 대한 가장 높은 검출 민감도는 Δ '가 가장 큰 Id=4 A(Id,ecc)에서 얻어진다.
Id=4 A에서 Δ '의 감소는 Id=0 A일 때보다 매우 높으며， 이에 의해 본 발명에 따 른 진단 장치 및 방법은 기존의 기법에 비해 높은 민감도를 가진다. 도 19에는 샘 플 F와 G에 대해 Id,ecc=4 A에서 측정된 Χ(Γ의 증가가 도시되어 있다. % 감소는 25 % 와 50 %의 편심에 대해 각각 5.8 %와 14.5 만큼 높다. 감자의 경우와 마찬가지로， 본 발명에 따른 진단 장치 및 방법은 비선형 자기 포화가 편심 회전자에 대해 ¾ '의 감소를 증폭시키기 때문에 편심에 매우 민감하다. 이는 기본 성분에 대한 고장 성 분의 % 크기가 -60 dB이하인 (이는 기본 성분의 0.1 % 이하임) 기존의 MCSA에 비해 실질적인 개선이라 할 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스 템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프， 플로피 디스크， 광데이터 저장장치 등이 있으며， 또한 캐리어 웨이브 (예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽올 수 있는 기록매 체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나， 본 발 명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며， 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고， 그와 같은 변경 은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims

【청구의 범위】
【청구항 1】
회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향으로 직류 자계와 교류 자 계가 중첩된 복수의 자계를 발생하는 자계 발생부;
상기 발생된 자계 각각에 대웅하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하는 고정자 전류 측정부; 및
상기 발생된 자계 각각에 대웅하여 측정된 상기 고정자 권선에 흐르는 전류 의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기 초로 상기 영구 자석의 감자 상태와 상기 회전자의 편심 상태를 진단하는 상태 진 단부;를 포함하며，
상기 디퍼런셜 인덕턴스는 상기 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성 분에 의한 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 상기 교류 자 계 성분으로부터 측정된 쇄교 자속 (flux linkage)의 상기 영구 자석의 극 방향 성 분값의 변화량으로 정의되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 상태 진 단 장치 .
【청구항 2】
제 1항에 있어서，
상기 상태 진단부는 상기 발생된 자계를 기초로 산출한 디퍼런셜 인덕턴스가 상기 영구 자석이 정상인 상태에서 산출하여 보유하고 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴 스보다 크면 상기 영구 자석이 감자된 것으로 진단하고， 상기 발생된 자계를 기초 로 산출한 디퍼런셜 인덕턴스가 상기 영구 자석이 정상인 상태에서 산출하여 보유 하고 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 작으면 상기 회전자가 편심된 것으로 진단 하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치.
【청구항 3]
(a) 회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향으로 직류 자계와 교 류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생하는 단계 ;
(b) 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하 는 단계； 및
(c) 상기 발생된 자계 각각에 대웅하여 측정된 상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기초로 상기 영구 자석의 감자 상태와 상기 회전자의 편심 상태를 진단하는 단계; 를 포함하며， 상기 디퍼런셜 인덕턴스는 상기 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성 분에 의한 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 상기 교류 자 계 성분으로부터 측정된 쇄교 자속 (flux linkage)의 상기 영구 자석의 극 방향 성 분값의 변화량으로 정의되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 상태 진 단 방법ᅳ
【청구항 4】
제 3항에 있어서，
상기 (c)단계에서， 상기 발생된 자계를 기초로 산출한 디퍼런셜 인덕턴스가 상기 영구 자석이 정상인 상태에서 산출하여 보유하고 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴 스보다 크면 상기 영구 자석이 감자된 것으로 진단하고， 상기 발생된 자계를 기초 로 산출한 디퍼런셜 인덕턴스가 상기 영구 자석이 정상인 상태에서 산출하여 보유 하고 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 작으면 상기 회전자가 편심된 것으로 진단 하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법.
【청구항 5】 '
제 3항에 기재된 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법올 컴퓨터에서 실 행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
PCT/KR2012/001016 2011-09-07 2012-02-10 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체 Ceased WO2013035948A1 (ko)

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KR1020110090805A KR101210825B1 (ko) 2011-09-07 2011-09-07 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110501640A (zh) * 2019-07-10 2019-11-26 哈尔滨工业大学（威海） 一种基于气隙磁场直接测试检测永磁电机静态偏心的方法
CN115113040A (zh) * 2021-03-23 2022-09-27 富士电机株式会社 电动机的异常诊断装置、异常诊断方法以及异常诊断程序
CN116008808A (zh) * 2023-02-03 2023-04-25 广汽埃安新能源汽车股份有限公司 永磁电机的退磁检测方法及装置
CN116359812A (zh) * 2023-04-14 2023-06-30 泰信电机(苏州)有限公司 一种电机转子铁芯永磁体检测工艺
CN117991093A (zh) * 2024-04-03 2024-05-07 成都航天凯特机电科技有限公司 一种永磁同步电机故障诊断方法
US20250130130A1 (en) * 2023-10-20 2025-04-24 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for air gap and eccentricity detection for electric motor

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3003102B1 (fr) * 2013-03-05 2015-04-17 Electricite De France Procede de detection d'un defaut d'excentricite d'un rotor d'une machine electrique tournante
KR101646467B1 (ko) 2015-06-18 2016-08-05 현대자동차주식회사 친환경자동차의 모터 감자 진단 방법
CN106443446B (zh) * 2016-09-28 2018-11-20 浙江大学 一种适用于永磁电机转子的故障诊断方法
CN113359027B (zh) * 2021-05-14 2023-03-21 重庆文理学院 低空间磁场分辨率需求的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法
CN116482535B (zh) * 2023-05-22 2025-09-26 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） 电机绝缘故障检测方法、装置、计算机设备及存储介质
KR102817105B1 (ko) * 2024-09-06 2025-06-10 한국생산기술연구원 보조 슬롯을 가지는 회전자 결함 검출기

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050247073A1 (en) * 2002-07-25 2005-11-10 Daikin Industries, Ltd. Driver of compressor and refrigerator
KR20080032761A (ko) * 2006-10-10 2008-04-16 주식회사 포스콘 인버터 구동 교류전동기의 고정자권선 절연 진단장치 및방법
US20100060210A1 (en) * 2008-09-10 2010-03-11 Jingbo Liu Method and apparatus for automatically identifying electrical parameters in a sensor-less pmsm
KR20100045718A (ko) * 2008-10-24 2010-05-04 고려대학교 산학협력단 영구 자석 동기 전동기의 영구 자석 감자 상태 진단 장치, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한프로그램을 기록한 매체

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009022091A (ja) 2007-07-11 2009-01-29 Toshiba Corp 永久磁石同期電動機の永久磁石減磁監視装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050247073A1 (en) * 2002-07-25 2005-11-10 Daikin Industries, Ltd. Driver of compressor and refrigerator
KR20080032761A (ko) * 2006-10-10 2008-04-16 주식회사 포스콘 인버터 구동 교류전동기의 고정자권선 절연 진단장치 및방법
US20100060210A1 (en) * 2008-09-10 2010-03-11 Jingbo Liu Method and apparatus for automatically identifying electrical parameters in a sensor-less pmsm
KR20100045718A (ko) * 2008-10-24 2010-05-04 고려대학교 산학협력단 영구 자석 동기 전동기의 영구 자석 감자 상태 진단 장치, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한프로그램을 기록한 매체

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110501640A (zh) * 2019-07-10 2019-11-26 哈尔滨工业大学（威海） 一种基于气隙磁场直接测试检测永磁电机静态偏心的方法
CN115113040A (zh) * 2021-03-23 2022-09-27 富士电机株式会社 电动机的异常诊断装置、异常诊断方法以及异常诊断程序
CN116008808A (zh) * 2023-02-03 2023-04-25 广汽埃安新能源汽车股份有限公司 永磁电机的退磁检测方法及装置
CN116008808B (zh) * 2023-02-03 2026-04-17 广汽埃安新能源汽车股份有限公司 永磁电机的退磁检测方法及装置
CN116359812A (zh) * 2023-04-14 2023-06-30 泰信电机(苏州)有限公司 一种电机转子铁芯永磁体检测工艺
US20250130130A1 (en) * 2023-10-20 2025-04-24 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for air gap and eccentricity detection for electric motor
CN117991093A (zh) * 2024-04-03 2024-05-07 成都航天凯特机电科技有限公司 一种永磁同步电机故障诊断方法

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