This paper deals with the optimum design of the stator and rotor shape of the interior permanent magnet synchronous motors (IPMSM) that are used in applications for automobiles. IPMSMs have the following advantages: high power, high torque, high efficiency, etc. However, cogging torque which causes noise and vibrations is generated at the same time. The optimum design of shape of a IPMSM was carried out with the aim of reducing cogging torque. Six variables which affect to the performance of a IPMSM are chosen. The main effect variables were determined and applied to the response surface methodology (RSM). When compared to the initial model using the finite elements method (FEM), the optimum model highly reduces the cogging torque and improves the total harmonics distortion (THD) of the back-electro motive force (EMF). A prototype of the designed model was manufactured and experimented on to verify the feasibility of the IPMSM.
The research related to fault diagnosis in permanent magnet synchronous motors (PMSMs) has attracted considerable attention in recent years because various faults such as permanent magnet demagnetization and short-circuited turns can occur and result in unexpected failure of motor related system. Several conventional current and back electromotive force (BEMF) analysis techniques were proposed to detect certain faults in PMSMs; however, they generally deal with a single fault only. On the contrary, cases of multiple faults are common in PMSMs. We propose a fault diagnosis method for PMSMs with single and multiple combined faults. Our method uses three phase BEMF voltages based on the fast Fourier transform (FFT), support vector machine(SVM), and visualization tools for identifying fault types and severities in PMSMs. Principal component analysis (PCA) and t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE) are used to visualize the high-dimensional data into two-dimensional space. Experimental results show good visualization performance and high classification accuracy to identify fault types and severities for single and multiple faults in PMSMs.
매입형 영구자석 동기전동기의 제어기법으로 많이 사용되는 단위전류 당 최대 토크제어기법이 제대로 적용되려면 전동기의 고정자 저항, 인덕턴스의 값, 그리고 영구자석에 의해 형성되는 쇄교 자속과 같은 전동기 상수들의 값을 정확히 알아야 한다. 이러한 상수들의 값은 내부 온도 및 전류 등의 변화에 따라 계속 변하기 때문에 정확하게 추정하기가 매우 어렵다. 본 논문에서는 적응제어기법을 이용하여 이러한 상수들의 값을 추정하는 알고리즘을 제시한다. 제시하는 알고리즘은 MRAS(Model Reference Adaptive System)기법으로 실제 전류의 값을 이용하여 상수들을 추정하게 된다. 제시하는 알고리즘의 우수성은 시뮬레이션을 통해 입증하도록 한다.
This paper proposes a robust optimal nonlinear control with an observer to reject the offset errors of position tracking for surface mounted permanent magnet synchronous motors. We provide the control method to reject offset errors and load torque for designing field oriented control (FOC) based the alternating current (AC) frame. The proposed method consists of a torque generator, a commutation scheme, an electrical controller, and a load torque observer. The mechanical controller is designed to compensate for load torque and the offset error and generate the desired torque. The commutation scheme is proposed to create the desired currents for the desired torque. The electrical controller is developed to guarantee the desired currents. The observer is designed to estimate both the velocity and the load torque. In order to obtain the robustness to parameter uncertainties and a gain tuning guide, the linear quadratic regulator method is applied to the proposed method. The closed-loop stability is proven. A detailed process for the FOC design and an analysis of the control methods based on the AC frame are presented. The performance of the proposed method was validated via experiments. The proposed method obtains the FOC based on the AC frame. Furthermore, the position tracking performance of the proposed method is superior to that of the conventional method.
Cogging torque has a negative impact on the operation of permanent magnet machines by increasing torque ripple, speed ripple, acoustic noise and vibration. In this paper Magnet Shifting Method has been used as a tool to reduce the cogging torque in inset Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor (LSPMSM). It has been shown that Magnet Shifting Method can effectively eliminate several lower-order harmonics of cogging torque. In order to implement the method, first the expression of cogging torque is studied based on the Fourier analysis. An analytical expression is then introduced based on Permanent Magnet Shifting to reduce cogging torque of LSPMS motors. The method is applied to some existing machine designs and their performances are obtained using Finite Element Analysis (FEA). The effect of magnet shifting on pole mmf (magneto motive force) distribution in air gap is discussed. The side effects of magnet shifting on back-EMF, core losses and torque profile distortion are taken into account in this investigation. Finally the experimental results on two prototypes 24 slot 4 pole inset LSPMS motors have been used to validate the theoretical analysis.
Because of the shortcomings of the PID controllers and traditional drive systems of permanent magnet synchronous motors (PMSMs), a PMSM passivity-based control (PBC) drive system based on a quasi-Z source matrix converter (QZMC) is proposed in this paper. The traditional matrix converter is a buck converter with a maximum voltage transmission ratio of only 0.866, which limits the performance of the driven motor. Therefore, in this paper a quasi-Z source circuit is added to the input side of the two-stage matrix converter (TSMC) and its working principle has also been verified. In addition, the controller of the speed loop and current loop in the conventional vector control of a PMSM is a PID controller. The PID controller has the problem since its parameters are difficult to adjust and its anti-interference capability is limited. As a result, a port controlled dissipative Hamiltonian model (PCHD) of a PMSM is established. Thereafter a passivity-based controller based on the interconnection and damping assignment (IDA) of a QZMC-PMSM is designed, and the stability of the equilibrium point is theoretically verified. Simulation and experimental results show that the designed PBC control system of a PMSM based on a QZMC can make the PMSM run stably at the rated speed. In addition, the system has strong robustness, as well as good dynamic and static performances.
The Direct Torque Control (DTC) technique for Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) is receiving increased attention due to its simplicity and robust dynamic response when compared with other control techniques. The classical switching table based DTC results in large flux and torque ripples in the motors. Several studies have been reported in the literature on classical DTC. However, there are only limited studies that actually discuss or evaluate the classical DTC. This paper proposes, novel switching table / DTC methods for PMSMs to reduce torque ripples. In this paper, two DTC schemes are proposed. The six sector and twelve sector methodology is considered in DTC scheme I and DTC scheme II, respectively. In both DTC schemes a simple modification is made to the classical DTC structure. The two level inverter available in the classical DTC is eliminated by replacing it with a three level Neutral Point Clamped (NPC) inverter. To further improve the performance of the proposed DTC scheme I, the available 27 voltage vectors are allowed to form different groups of voltage vectors such as Large - Zero (LZ), Medium - Zero (MZ) and Small - Zero (SZ), where as in DTC scheme II, all of the voltage vectors are considered to form a switching table. Based on these groups, a novel switching table is proposed. The proposed DTC schemes are comparatively investigated with the classical DTC and existing literatures through theory analysis and computer simulations. The superiority of the proposed DTC method is also confirmed by experimental results. It can be observed that the proposed techniques can significantly reduces the torque ripples and improves the quality of current waveform when compared with traditional and existing methods.
This paper deals with the operating characteristics of induction motors with broken rotor bar, stator winding inter-turn short and their complex fault conditions. The considered operating characteristics are phase current, torque and speed. Since the operating characteristics of induction motors are directly related to their slip conditions, this paper built the experimental set to adjust the speed of induction motor with a permanent magnet synchronous generator connected to a load bank. From the various experimental results, it is shown that the faults do not highly affect on the operating characteristics of induction motors in low slip conditions, but the fault characteristics can be easily found in larger slip conditions.
In this paper, maximum torque per current ratio of the interior permanent magnet synchronous machines including compensation of Ne-Fe-B magnets in negative temperature sensitivity is described. This compensation can be achieved by measuring of motor temperature only.
To predict efficiency of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors(IPMSM) and to cope with the demagnetization risk of permanent magnets used in the IPMSM, accurate iron analysis of the IPMSM is very important at the motor design stage. In this paper, we present the method to estimate the iron loss for the IPMSM considering the condition of field weakening control and harmonics of flux density waveform.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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