title: Experimental modelling of stator poles for traction motors and influence of manufacturing defects
title: Πειραματική μοντελοποίηση πόλων στάτη κινητήρα ηλεκτρικού οχήματος και επίδραση κατασκευαστικών αστοχιών
Creators: name: Ραβανης Νικητας
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: From its first concepts and commercial steps in the late 19th century, the internal combustion engine has been a driving force for human and cargo transportation around the world. However, today we are witnesses to a global shift when it comes to the automotive world as electric vehicles are getting more and more common. That is due to the several advantages of modern electric vehicles compared to their internal combustion brethren such as higher torque, efficiency, robustness, and most importantly enabling emission-free driving through the utilization of renewable energy. The Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) is a special type of Synchronous Machine that utilises permanent magnets on its rotor instead of copper winding or bars. That results in a motor with excellent capabilities that offers significant advantages over traditional Synchronous Motors in terms of efficiency, size, reliability, and performance, making them increasingly popular in various industrial and commercial applications. However, due to their wide use range, permanent magnet motors can potentially be exposed to various stresses determined by their application. These stresses can gradually deteriorate motor insulation components over time, potentially leading to failure. Stator faults pose a significant risk in electric motors, as they can rapidly escalate into catastrophic breakdowns, and are directly connected with insulation system quality. This thesis aims to have PMSM poles undergo a variety of stresses and to use the produced degradation data to investigate the suitability of Frequency Response Analysis (FRA) as a quality assessment tool for PMSM pole insulation systems. To accomplish that, first a comprehensive equivalent circuit model for PMSM stator poles and their mounted armature coils, in their respective healthy state, will be showcased. The parameters of the aforementioned model are extracted from experimental results from various tests carried out on healthy poles. Analysis of the model will give us insight on the behaviour of the Frequency Response Analysis graphs when model parameters change in value. Finally, we will test the reliability of Frequency Response Analysis as a quality assessment tool by selecting poles that show weakness in the insulation system originating from their healthy state data and poles that exhibit a strong insulation system, and comparing their insulation degradation process during the accelerated ageing cycles with the ultimate goal of evaluating the reliability of FRA as a quality assessment technique to discern defective poles from the final motor assembly.
description: Από τις πρώτες του εκδοχές και εμπορικά βήματα στα τέλη του 19ου αιώνα, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης υπήρξε κινητήρια δύναμη για τη μεταφορά ανθρώπων και φορτίου σε όλο τον κόσμο. Ωστόσο, σήμερα είμαστε μάρτυρες μιας παγκόσμιας αλλαγής όσον αφορά τον κόσμο της αυτοκινητοβιομηχανίας, καθώς τα ηλεκτρικά οχήματα γίνονται όλο και πιο κοινά. Αυτό οφείλεται στα πολλά πλεονεκτήματα των σύγχρονων ηλεκτρικών οχημάτων σε σύγκριση με τα παραδοσιακά εσωτερικής καύσης, όπως η υψηλότερη ροπή, η απόδοση, η στιβαρότητα και το σημαντικότερο η δυνατότητα οδήγησης χωρίς εκπομπές μέσω της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ο Σύγχρονος Κινητήρας Μόνιμου Μαγνήτη (PMSM) είναι ένας ειδικός τύπος Σύγχρονης Μηχανής που χρησιμοποιεί μόνιμους μαγνήτες στον ρότορά του αντί για χάλκινη περιέλιξη ή ράβδους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα έναν κινητήρα με εξαιρετικές δυνατότητες που προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους παραδοσιακούς Σύγχρονους Κινητήρες όσον αφορά την απόδοση, το μέγεθος, την αξιοπιστία και την απόδοση, καθιστώντας τους όλο και πιο δημοφιλείς σε διάφορες βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές. Ωστόσο, λόγω του ευρέος φάσματος χρήσης τους, οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη μπορούν ενδεχομένως να εκτεθούν σε διάφορες καταπονήσεις ανάλογα την εφαρμογή τους. Αυτές οι καταπονήσεις μπορούν να επιδεινώσουν σταδιακά τα εξαρτήματα της μόνωσης του κινητήρα με την πάροδο του χρόνου, οδηγώντας τον ενδεχομένως σε αστοχία. Σφάλματα στον στάτη αποτελούν σημαντικό κίνδυνο στους ηλεκτροκινητήρες, καθώς έχουν γρήγορη πρόοδο, μπορούν εύκολα να οδηγήσουν σε καταστροφή του κινητήρα και συνδέονται άμεσα με την ποιότητα του συστήματος μόνωσης. Αυτή η διπλωματική εργασία στοχεύει στην επιταχυνόμενη γήρανση πόλων PMSM με ποικιλία κατανοήσεων και να χρησιμοποιήσει τα παραγόμενα δεδομένα υποβάθμισης της μόνωσης τους για να διερευνήσει την καταλληλότητα του Frequency Response Analysis (FRA) ως εργαλείο αξιολόγησης ποιότητας για συστήματα
μόνωσης πόλων PMSM. Για να επιτευχθεί αυτό, θα παρουσιαστεί πρώτα ένα ολοκληρωμένο μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος για πόλους στάτορα PMSM συμπεριλαμβανομένων των τοποθετημένων πηνίων οπλισμού τους, στην αντίστοιχη υγιή τους κατάσταση. Οι παράμετροι του προαναφερθέντος μοντέλου εξάγονται από πειραματικά αποτελέσματα από διάφορες δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε υγιείς πόλους. Η ανάλυση του μοντέλου θα μας δώσει μια εικόνα για τη συμπεριφορά των γραφημάτων του FRA όταν λαμβάνει χώρα αλλαγή στην τιμή των παραμέτρων του μοντέλου. Τέλος, θα ελέγξουμε την αξιοπιστία του FRA ως εργαλείου αξιολόγησης ποιότητας επιλέγοντας πόλους που παρουσιάζουν αδυναμία στο σύστημα μόνωσης τους λόγω κατασκευαστικών ατελειών καθώς και πόλους που παρουσιάζουν ισχυρό σύστημα μόνωσης, συγκρίνοντας τη διαδικασία υποβάθμισης της μόνωση κατά τη διάρκεια της επιταχυνόμενης γήρανσης με απώτερο στόχο την αξιολόγηση της αξιοπιστίας του FRA ως τεχνικής αξιολόγησης ποιότητας για τη διάκριση ελαττωματικών πόλων από την τελική συναρμολόγηση του κινητήρα.