title: Dielectric properties of pole insulation of traction motors under constant thermal ageing

title: Διηλεκτρικές ιδιότητες της μόνωσης πόλων στάτη κινητήρα για ηλεκτρικά οχήματα υπό σταθερή θερμική γήρανση
Creators: name: Γλυκος Δημητριος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: This diploma thesis is a study of the behavior of the dielectric properties of the pole insulation of a permanent magnet synchronous axial flux motor having the yokeless and segmented armature topology when these poles are subjected to constant thermal aging. As the need to reduce the burning of fossil fuels leads to the gradual widespread adoption of electric vehicles, this type of motor is increasingly used due to its reliability, high torque density, compact structure and high efficiency. The windings of this motor are insulated to protect the turns of the coils from stator faults. Among them, the inter-turn short circuits pose a significant threat to the condition of insulation systems due to their rapid evolution into catastrophic breakdowns. However, various stresses may arise in the environment of the motor during its operation, which are associated with insulation degradation and failure. These are known as TEAM stresses, an abbreviation for Thermal, Electrical, Ambient and Mechanical stresses. This thesis aims to provide significant insights into the behavior of the windings insulation after the application of fixed thermal stress. First, the characteristics of the electric motors used in electric vehicles (EVs) are outlined, emphasizing on the permanent magnet synchronous motors (PMSM). Next, the potential faults that can occur are analyzed, including electrical, mechanical and magnetic faults. Additionally, the widely employed diagnostic methods are described that aim at early fault detection. Subsequently, the pole insulation systems are discussed, insulation degradation with the increase of partial discharge activity is analyzed and the diagnostic tests to assess the insulation condition are described. Moreover, the thesis delves into fixed thermal stress testing as an accelerated aging mechanism along with relevant literature on constant thermal aging testing with their respective experimental outcomes. The experimental procedure encompasses the development of quality testing procedures, modeling the equivalent circuit of the poles, conducting experimental tests and the analysis of the applied fixed thermal stresses on the poles. Impedance spectroscopy, Nyquist diagrams and breakdown voltage measurements are the primary methods for monitoring and evaluating the insulation condition of the poles. A frequency response (FRAX) analyzer and an Insulation Resistance Tester (Megohmmeter) are utilized as the main measuring equipment. Particularly, the performed work on the development of the complex equivalent circuit for the poles is described. Then the impact of different temperatures acting as different fixed thermal stresses on the pole insulation is explored, elevating gradually the temperature between the cycles. Their results are recorded using the aforementioned diagnostic tools after each cycle to assess the insulation degradation. The thermal cycling test is also investigated to highlight the impact of the thermomechanical effects observed during this test on the insulation. Furthermore, multi- stress mechanisms are examined using a specially designed mechanical accelerator to conduct electromechanical stress testing, following the thermal aging procedures.
description: Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τη μελέτη της συμπεριφοράς των διηλεκτρικών ιδιοτήτων της μόνωσης των πόλων ενός σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών αξονικής ροής που έχει τοπολογία τμηματικού οπλισμού χωρίς ζυγό, όταν οι πόλοι αυτοί υποβάλλονται σε συνεχή θερμική γήρανση. Καθώς η ανάγκη μείωσης της καύσης ορυκτών καυσίμων οδηγεί στη σταδιακή ευρεία υιοθέτηση ηλεκτρικών οχημάτων, αυτός ο τύπος κινητήρα χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο λόγω της αξιοπιστίας, της υψηλής πυκνότητας ροπής, της συμπαγούς δομής και της υψηλής απόδοσης του. Τα τυλίγματα αυτού του κινητήρα είναι μονωμένα για την προστασία των στροφών των πηνίων από σφάλματα του στάτη. Μεταξύ αυτών, τα βραχυκυκλώματα μεταξύ των στροφών αποτελούν σημαντική απειλή για την κατάσταση των συστημάτων μόνωσης λόγω της ταχείας εξέλιξής τους σε καταστροφικά breakdowns. Ωστόσο, στο περιβάλλον του κινητήρα κατά τη λειτουργία του μπορεί να προκύψουν διάφορες καταπονήσεις, οι οποίες σχετίζονται με την υποβάθμιση και την αστοχία της μόνωσης. Αυτές είναι γνωστές ως καταπονήσεις ΤΕΑΜ, μια συντομογραφία για τις θερμικές, ηλεκτρικές, περιβαλλοντικές και μηχανικές καταπονήσεις. Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο να παράσχει σημαντικές γνώσεις σχετικά με τη συμπεριφορά της μόνωσης των περιελίξεων μετά την εφαρμογή σταθερής θερμικής καταπόνησης. Αρχικά, περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών κινητήρων στα ηλεκτρικά οχήματα (EV), δίνοντας έμφαση στους σύγχρονους κινητήρες μονίμων μαγνητών (PMSM). Στη συνέχεια, αναλύονται οι πιθανές βλάβες που μπορούν να εμφανιστούν, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρικών, μηχανικών και μαγνητικών βλαβών. Επιπλέον, περιγράφονται οι ευρέως χρησιμοποιούμενες διαγνωστικές μέθοδοι που αποσκοπούν στην έγκαιρη ανίχνευση σφαλμάτων. Στη συνέχεια, συζητούνται τα συστήματα μόνωσης των πόλων, αναλύεται η υποβάθμιση της μόνωσης με την αύξηση της δραστηριότητας μερικής εκφόρτισης και περιγράφονται οι διαγνωστικές δοκιμές για την αξιολόγηση της κατάστασης της μόνωσης. Επιπλέον, η διατριβή εμβαθύνει στις δοκιμές σταθερής θερμικής καταπόνησης ως μηχανισμό επιταχυνόμενης γήρανσης μαζί με τη σχετική βιβλιογραφία για τις δοκιμές σταθερής θερμικής γήρανσης με τα αντίστοιχα πειραματικά τους αποτελέσματα. Η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει την ανάπτυξη διαδικασιών ποιοτικών δοκιμών, τη μοντελοποίηση του ισοδύναμου κυκλώματος των πόλων, τη διεξαγωγή πειραματικών δοκιμών και την ανάλυση των εφαρμοζόμενων σταθερών θερμικών τάσεων στους πόλους. Η φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης, τα διαγράμματα Nyquist και οι μετρήσεις τάσης διάσπασης αποτελούν τις κύριες μεθόδους παρακολούθησης και αξιολόγησης της κατάστασης της μόνωσης των πόλων. Ένας αναλυτής απόκρισης συχνότητας (FRAX) και ένας μετρητής αντίστασης μόνωσης (Megohmmeter) χρησιμοποιούνται ως ο κύριος εξοπλισμός μέτρησης. Ειδικότερα, περιγράφεται η εκτελεσθείσα εργασία για την ανάπτυξη του σύνθετου ισοδύναμου κυκλώματος για τους πόλους. Στη συνέχεια, διερευνάται η επίδραση διαφορετικών θερμοκρασιών που δρουν ως διαφορετικές σταθερές θερμικά στρες στη μόνωση των πόλων, αυξάνοντας σταδιακά τη θερμοκρασία μεταξύ των κύκλων. Τα αποτελέσματά τους καταγράφονται με τη χρήση των προαναφερθέντων διαγνωστικών εργαλείων μετά από κάθε κύκλο για την αξιολόγηση της υποβάθμισης της μόνωσης. Διερευνάται επίσης ο μηχανισμός του thermal cycling για να αναδειχθεί η επίδραση των θερμομηχανικών επιδράσεων που παρατηρούνται κατά το τεστ αυτό στη μόνωση. Επιπλέον, εξετάζονται οι μηχανισμοί πολλαπλών καταπονήσεων με τη χρήση ενός ειδικά σχεδιασμένου μηχανικού επιταχυντή για τη διεξαγωγή δοκιμών ηλεκτρομηχανικής καταπόνησης, μετά τις διαδικασίες θερμικής γήρανσης.