Investigation of Irreversible Demagnetization in Switched Flux Permanent Magnet Machines under Short-Circuit Conditions

The irreversible magnet demagnetization phenomena are investigated in this paper , under both healthy and short - circuit conditions for a switched flux permanent magnet (SFPM) machine. The temperature effects on permanent magnet material are taken into account and the influence of short - circuit current over demagnetization is evaluated. In order to calculate the short - circuit current (mainly inter - turn short - circuit), the MATLAB/Simulink model has been employed. The aforementioned short - circuit current is then fed to the finite element model, so the demagnetization analysis can be carried out. Variou s fault scenarios are investigated, including high speeds and high fault severity. It is found that the short - circuit current has li mited effect on the magnet demagnetization due to particular features of the SFPM machines. The mechanism of demagnetization has been revealed and found out to be mainly due to temperature rise and poor PM materials utilization . Experiments have been carried out to validate the MATLAB/Simulink model for short - circuit current predictions

Analysis of concentrated windings of PMSM

Tato bakalářská práce se zabývá konstrukcí, principem funkce synchronních strojů s permanentními magnety a analýzou jejich vlastností. V rámci práce je provedeno seznámení se s materiály permanentních magnetů a jejich uspořádání, dále pak konstrukcí motoru, kde jsou rozebrány typy vinutí, konfigurace stroje, typy motorů s permanentními magnety a přehled realizovaných řešení. V další části této práce je provedena analýza vlastností vybraných typů soustředěných vinutí se zaměřením na vznik jejich prostorových harmonických. Tyto data jsou pak srovnána s modelem motoru v programu FEMM. Dále je provedeno srovnání výpočtů těchto typů motorů a jejich simulací v programu RMxprt.This thesis deals with the design, principles of permanent magnet synchronous machines and an analysis of their properties. As part of the work is done familiarization with the materials of permanent magnets and their arrangement, as well as construction of the engine where they are discussed types of winding machine configuration, types of motors with permanent magnets and the list of implemented solutions. In the next section of this paper is an analysis of the properties of selected types of concentrated winding with a focus on the emergence of harmonics. These data are compared with the model of the engine in the FEMM. Furthermore, a comparison of the calculations of these types of engines and their simulation in RMxprt.

Investigation on Multi-Physics Modelling of Fault Tolerant Stator Mounted Permanent Magnet Machines

This thesis investigates the stator mounted permanent magnet machines from the point of view of fault tolerant capability. The topologies studied are switched flux (and its derivatives C-Core, E-Core and modular), doubly salient and flux reversal permanent magnet machines. The study focuses on fault mode operation of these machines looking at severe conditions like short-circuit and irreversible demagnetization. The temperature dependence of the permanent magnet properties is taken into account. A complex multi-physics model is developed in order to assess the thermal state evolution of the switched flux machine during both healthy and faulty operation modes. This model couples the electro-mechanical domain with the thermal one, thus being able to consider a large range of operating conditions. It also solves issues such as large computational time and resources while still maintaining the accuracy. Experimental results are also provided for each chapter. A hierarchy in terms of fault tolerant capability is established. A good compromise can be reached between performance and fault tolerant capability. The mechanism of the magnet irreversible demagnetization process is explained based on magnetic circuit configuration. It is also found that the studied topology are extremely resilient against the demagnetizing influence of the short-circuit current and the magnet demagnetization is almost only affected by temperature

Machines à commutation de flux à grand nombre de phases : modèles comportementaux en mode dégradé et élaboration d’une stratégie de commande en vue de l’amélioration de la tolérance aux pannes

In this thesis, we are interested in the study of a five-phase flux switching permanent magnet machine (five-phase FSPM machine) behavior in healthy and faulty mode. First, a comparison of electromagnetic performances between this machine and an equivalent three-phase machine is carried out. These performances are calculated by a Finite Element (FE 2D) model and validated by experiments. Results showed the five-phase machine contribution with a higher torque density, lower torque ripples, lower short-circuit current and ability to tolerate phases faults. The study of open-circuit tolerance is then developed for this five-phase FSPM. The behavior of the machine (the average torque, torque ripples, copper losses and the current in the neutral) in the case of open-circuit on a single and two adjacent and non-adjacent phases is presented. Then reconfiguration methods to improve the operation are proposed including a minimum reconfiguration allowing to end up with a feeding equivalent to that of a three-phase or a four-phase machine, an analytical calculation of optimal currents to cancel both the neutral current and torque ripples while ensuring the average torque, and finally a reconfiguration performed by a genetic optimization algorithm which is a non-deterministic algorithm multi-objective functions and multi-constraints. In this context, various combinations of different objectives and constraints are proposed and optimal currents are injected into the 2D FE model of the machine to see if performances have been improved. The analytical model of the torque used in the optimization algorithm is then revised to take into account the influence of the degraded mode. Different solutions of Pareto front are analyzed and electromagnetic performances are improved. This is verified by FE 2D calculations and followed by experimental validation. Faults impact on the radial magnetic forces is also analyzed. In the second part of this work, the study of the five-phase FSPM machine tolerance to short-circuit faults is performed. First steps of the faults isolation are proposed. Thereafter, short-circuit currents, taking into account the reluctance machine impact, are calculated analytically and their effects on machine performances are analyzed. Reconfigurations are also calculated by the genetic algorithm optimization and new references currents improved the degraded mode operation. All results are validated by the FE 2D calculation and experimentally. In conclusion, comparisons between fault-tolerance to phases openings and short-circuits of the five-phase FSPM machine are performed. Results led to conclude regarding the operation of this machine in healthy and degraded modes with and without correction. Analytical, numerical and experimental results showed good efficiency of the proposed control to improve fault-tolerance to phases openings and short-circuits.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude des modèles comportementaux en mode dégradé des machines pentaphasées à commutation de flux (MCF pentaphasée). Tout d'abord, une comparaison des performances électromagnétiques de cette machine à une machine triphasée équivalente est tout d'abord effectuée. Ces performances sont calculées par la méthode des Eléments Finis (EF 2D) et validées expérimentalement. Les résultats ont montré l'apport de la machine pentaphasée avec un couple massique plus élevé, une ondulation de couple plus faible, un courant de court-circuit plus faible et sa capacité à tolérer des défauts de phases. L'étude de la tolérance aux ouvertures de phases est alors élaborée pour cette MCF pentaphasée. Le comportement de la machine en cas d'ouvertures de phases (du point de vue du couple moyen, de l'ondulation de couple, des pertes Joule et du courant dans le neutre) est présenté. Ensuite, des méthodes de reconfiguration en vue d'améliorer le fonctionnement sont proposées dont une reconfiguration minimale permettant de se retrouver avec une alimentation équivalente à celle d'une machine tétraphasée ou triphasée, un calcul analytique des courants optimaux permettant d'annuler à la fois le courant du neutre et l'ondulation du couple tout en assurant le couple moyen, et finalement une reconfiguration assurée par un algorithme génétique d'optimisation qui est un algorithme non-déterministe multi-objectifs et multi-contraintes. Diverses combinaisons des différents objectifs et contraintes sont, dans ce cadre, effectuées et les courants optimaux sont injectés dans le modèle EF 2D de la machine pour vérifier si les performances ont été améliorées. Le modèle analytique du couple pris en compte dans l'algorithme d'optimisation est alors révisé pour prendre en compte l'influence du mode dégradé. Les différentes solutions du front de Pareto sont analysées et les performances électromagnétiques sont bien améliorées. Cela est vérifié par les calculs EF 2D et suivi d'une validation expérimentale. L'influence des défauts sur les forces magnétiques radiales est également analysée. Dans une seconde partie, l'étude de la tolérance de la machine pentaphasée à commutation de flux aux défauts de courts-circuits est effectuée. Les premières étapes d'isolation des défauts de courts-circuits sont proposées. Par la suite, les courants de courts-circuits, prenant en compte l'effet reluctant de la machine, sont calculés analytiquement et leurs effets sur les performances de la machine sont analysés. Les reconfigurations sont aussi calculées par l'algorithme génétique d'optimisation et les nouvelles références des courants permettent d'améliorer le fonctionnement en mode dégradé. Tous les résultats sont validés par la méthode des EF 2D et expérimentalement. En conclusion, des comparaisons entre la tolérance aux défauts d'ouvertures et de courts-circuits de la machine pentaphasée à commutation de flux sont effectuées et ont permis de conclure quant au fonctionnement de cette machine en modes sain et dégradé avec et sans correction. Les résultats analytiques, numériques et expérimentaux ont montré la bonne efficacité de la commande proposée pour l'amélioration de la tolérance aux défauts d'ouvertures et courts-circuits de phases