Aging effects on the magnetic materials of permanent magnet synchronous motors

João De Castro Revés

Key information

Authors:

João De Castro Revés (João De Castro Revés)

Supervisors:

João Filipe Pereira Fernandes (João Filipe Pereira Fernandes); Pedro Pracash Claro Bhagubai (Pedro Pracash Claro Bhagubai)

Published in

November 23, 2023

Abstract

Esta tese estuda os efeitos do envelhecimento em materiais magnéticos tipicamente presentes em motores síncronos de ímanes permanentes (PMSMs). O envelhecimento é caracterizado por alterações permanentes nas propriedades dos materiais, resultante da exposição prolongada a temperaturas elevadas, algo habitual em máquinas com elevada potência específica. Estas máquinas utilizam, normalmente, materiais magnéticos avançados, como ligas de vanádio-cobalto (VCoFe) para o núcleo de ferro e ímanes permanentes de neodímio-ferro-boro (NdFeB). Esta tese analisou os efeitos do envelhecimento até 150ºC. Quanto aos núcleos de ferro, esta tese analisa as propriedades magnéticas de núcleos laminados de VCoFe, nomeadamente Permendur 49. As evoluções das perdas específicas com o envelhecimento foram analisadas, não tendo sido observadas variações substanciais. Assim, concluiu-se que as laminações sujeitas a teste não apresentaram sinais de envelhecimento, mesmo após 186 horas a 100ºC e mais 16 horas a 150ºC. Quanto aos ímanes permanentes (PMs), a categoria N42SH de NdFeB foi estudada. A medição do ponto máximo de densidade de fluxo magnético na superfície do PM, com um gaussímetro, foi o método utilizado para determinar se os PMs envelheciam. Contrariamente ao que se esperava, os resultados experimentais dos PMs não apresentaram sinais claros de envelhecimento. Isto pode indicar que estas amostras já se encontravam envelhecidas, antes dos testes, o que foi confirmado pela aquisição das curvas de desmagnetização. Não foram detetadas alterações substanciais com o envelhecimento nos materiais magnéticos testados. Foram apresentadas recomendações e ajustes às metodologias, para trabalhos futuros. This thesis explores the effects of aging on magnetic materials typically present in high specific power permanent magnet synchronous motors (PMSMs). Aging is characterized by permanent changes in material properties resulting from prolonged exposure to high temperatures, which is usual in machines with high specific power. High specific power electrical machines usually use advanced magnetic materials, such as vanadium-cobalt alloys (VCoFe) for the iron core and neodymium-iron-boron (NdFeB) permanent magnets. The aging effects up to 150ºC on these two materials were analysed. Regarding iron cores, this study analyses the magnetic properties of laminated VCoFe cores, specifically, Permendur 49. To assess the aging of these laminations, the evolution of specific losses was analysed, and no substantial variations were observed. Thus, we concluded that the tested laminations did not exhibit signs of aging, even after 186 hours at 100ºC and an additional 16 hours at 150ºC. Regarding permanent magnets (PMs), the grade N42SH of NdFeB was studied. The direct measurement of the maximum magnetic flux density point on its surface, with a gaussmeter, was the method used to determine if the PMs aged. Contrary to the expectations, the experimental results of the PMs did not show a clear evidence of aging. This may indicate that these samples were already aged, prior to the testing, as confirmed by the acquisition of the demagnetization curves. No substantial changes with aging were detected in the tested magnetic materials. Recommendations and adjustments to the presented methodologies were provided for future researches.