Analysis and design of fault tolerant axial flux permanent magnet synchronous motors
Authors:   , Saavedra Ordóñez Harold 
Published: July 2023

Electric vehicles (EVs) are attractive comparted to internal combustion engine powered vehicles due to several benefits, including low emissions, higher efficiency, less maintenance costs, stronger acceleration or lower fuel price, among others. EVs require traction motors with especial features, including high efficiency, high power and torque density, compactness, precise torque control, extended speed range. This work focuses on the analysis and optimal electromagnetic design of fault tolerant permanent magnet synchronous motors. The study is mainly based on the research of analytical design procedures and the effect of electrical faults in the motor behavior, according to the configurations of each machine. The study will be developed by using analytical tools, and validated by applying 2-D and 3-D finite element methods (FEM). A brief study about the main achievements regarding the design of fault tolerant machines is made, identifying the possible improvements and main rules of design in this kind of machines. Then a study focused on the requirements of a fault tolerant design is made, in order to select the appropriate motor configuration. Since the consequences of inter-turn faults can be catastrophic in PMSMs, chapter 3 studies the influence of the winding configuration on the detection of such faults. This detection is based on the analysis of the stator currents and the (zero-sequence voltage component) ZSVC spectra. Several types of winding configurations are selected for analysis i.e. fractional- and integral-slot windings, overlapping- and non-overlappingwindings, single- and double-layer, full- and short-pitch, constant- and variable-pitch windings. Taking into the fault tolerant tendencies about the redundancy of the system, the study of the effect of inter turn fault is extended to the five phase machine, thus a parametric model of the five-phase PMSM is developed, this model accounts for the effects of inter-turn faults. This parametric model is used to select the harmonic frequencies to be studied to detect such faults. Likewise, the amplitudes of these harmonic frequencies are further analyzed by means of FEM simulations, therefore showing the potential of the proposed system to detect inter-turn faults in their early stage, which is a desirable characteristic for a fault tolerant system. The demagnetization effect on AFPMM torque is also analyzed. The main objective was to study the influence of the magnet shape in the performance of an AFPMM working under faulty condition, in order to select the most suitable type of magnet for the design of a fault tolerant machine. After an exhaustive analysis of the main electromagnetic faults on PMSMs, the work is focused on the optimal electromagnetic design of an AFPMM. The optimal design is based on a set of analytical equations whose accuracy is validated by means of FEM simulations. Next, to find the optimal solution, the huge set of possible motor solutions is explored by means of computationally efficient optimization algorithms leading to an optimum solution while minimizing the computational burden. The set of analytical equations are solved to obtain the geometrical, electric and mechanical parameters of the optimized AFPMM and several design restrictions are applied to ensure fault tolerance capability, along with the recommended features that have been drawn from the fault analysis study. Finally, a dual outer rotor AFPMM with NN configuration for automotive applications is optimized by applying accurate analytical sizing equations and
taking into account fault tolerant constraints. For optimization purpose, a multi-objective design strategy is applied, in which the optimization variables are the motor efficiency and power density and ten input geometric and electric parameters are considered, with their respective bounds and constraints. At last the model is verified by applying 3D-FEM simulations and the main performance characteristics are compared.
Debido a las nuevas políticas de conservación medio ambiental, los vehículos eléctricos toman una posición más importante en la sociedad actual. Los motores eléctricos constituyen el corazón de la cadena de tracción de un EV, por esta razón se debe encaminar la investigación hacia el diseño de motores de mayor eficiencia y fiabilidad. Este trabajo se enfoca en el análisis y diseño óptimo de un motor de flujo axial con tolerancia a fallos. Como base, se parte de la investigación de los procedimientos analíticos de diseño de motores eléctricos y del estudio de los efectos de los fallos eléctricos en el comportamiento de estos, de acuerdo a la configuración específica de cada máquina. Para desarrollar esta tesis se hará uso de herramientas analíticas y de métodos de simulación basados en métodos finitos (FEM). En primera parte se hace un estudio del estado del arte del diseño de motores eléctricos tolerantes a fallos, en el cual se identifican las posibles configuraciones a usar y las principales reglas de diseño de estos motores. Debido a que las consecuencias de un cortocircuito entre espiras pueden ser catastróficas para el motor de imanes permanentes, en el siguiente capítulo se analiza su efecto en dependencia de la configuración de los devanados del motor, además de su posible detección. La detección del cortocircuito se basa en el análisis del espectro de frecuencias de las corrientes del estator y la componente homopolar de voltaje (ZSVC). Para este estudio se seleccionan los 5 tipos de bobinados generalmente usados en motores eléctricos. Tomando en cuenta las tendencias de sistemas tolerantes a fallos de utilizar la redundancia de elementos, el estudio del cortocircuito se extiende al motor de 5 fases, para esto se desarrolla un modelo paramétrico del motor, el cual es utilizado para seleccionar los armónicos de frecuencias que permitan la detección del cortocircuito entre espiras en su fase más temprana. De la misma manera estos armónicos son analizados en modelos de simulación por elementos finitos, probando su potencial para el desarrollo de algoritmo de detección de fallos, característica deseable en los sistemas tolerantes a fallos. En última parte de este capítulo se estudia el efecto de la desmagnetización en el comportamiento de motores, en particular la influencia de la forma de los imanes cuando el motor funciona en régimen de fallo, como conclusión de este estudio se selecciona la forma de imán que mejor se comporta ante este tipo de fallos. Una vez analizado los posibles fallos eléctricos en el motor, el trabajo se centra en el diseño electromagnético óptimo de una máquina de flujo axial. El diseño optimo se apoya en el uso de ecuaciones analíticas del motor (AFPMM) y se valida por medio de simulaciones FEM. Para lograr el diseño óptimo de hace uso de algoritmo de optimización heurísticos, en particular los algoritmos genéticos. A estos algoritmos se les aplica las restricciones anteriormente encontradas en los estudios de fallos y en el estado de arte de motores tolerantes a fallos. Finalmente aplicando una serie de ecuaciones analíticas y teniendo en cuenta las restricciones de un diseño tolerante a fallos previamente seleccionadas se obtiene el diseño electromagnético óptimo de un motor de flujo axial tolerante a fallos. Para el proceso de optimización se utilizan algoritmos genéticos multi-objetivos en donde se busca maximizar la densidad de potencia y la eficiencia. Por último, el modelo del motor pentafásico de flujo axial es verificado por medio de simulaciones en elementos finitos.