CONSTRUCTION METHODS OF REDUCING COGGING TORQUE OF A DC BRUSHLESS MOTOR



Podobne dokumenty
WPŁYW EKSCENTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ WIRNIKA I NIEJEDNAKOWEGO NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA POSTAĆ DEFORMACJI STOJANA W SILNIKU BLDC

INFLUENCE SELECTED GEOMETRICAL PARAMETERS ON ELECTROMAGNETIC AND COGGING TORQUE AND DEFORMATION OF STATOR CORE DUE TO MAXWELL FORCES IN BLDC MOTOR

SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

SILNIK RELUKTANCYJNY PRZEŁĄCZALNY PRZEZNACZONY DO NAPĘDU MAŁEGO MOBILNEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

SPOSOBY OGRANICZANIA PULSACJI MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W SILNIKACH PRĄDU STAŁEGO WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Właściwości silnika bezszczotkowego prądu stałego z magnesami trwałymi o różnych rozpiętościach uzwojeń stojana

WPŁYW ROZMIESZCZENIA MAGNESÓW NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPOATACYJNE SILNIKA TYPU LSPMSM

TRÓJWYMIAROWA ANALIZA POLA MAGNETYCZNEGO W KOMUTATOROWYM SILNIKU PRĄDU STAŁEGO

BADANIA SYMULACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH PRZEZNACZONYCH DO NAPĘDU WYSOKOOBROTOWEGO

METODY OGRANICZANIA PULSACJI MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO PRĄDNICY TARCZOWEJ WZBUDZANEJ MAGNESAMI TRWAŁYMI

WERYFIKACJA METOD OBLICZENIOWYCH SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WPŁYW SKOSU STOJANA NA REDUKCJĘ PULSACJI MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W BEZSZCZOTKOWYM SILNIKU PRĄDU STAŁEGO

ZASTOSOWANIE MAGNESÓW TRWAŁYCH W SILNIKU RELUKTANCYJNYM ZE STRUMIENIEM POPRZECZNYM

POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA

ANALIZA WPŁYWU SPOSOBU NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA PARAMETRY SILNIKA KOMUTATOROWEGO O MAGNESACH TRWAŁYCH

SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM

COMPARED ANALYSIS OF LSPMSM AND SQUIRREL-CAGE MOTOR EXPLOITATION WITH VARIABLE ROTATIONAL SPEED

WPŁYW WARUNKÓW BRZEGOWYCH NA FORMĘ ODKSZTAŁCEŃ DRGAŃ WŁASNYCH I WYMUSZONYCH STOJANA SILNIKA BLDC ANALIZA NUMERYCZNA


Wpływ kąta przesunięcia segmentów magnesów trwałych na parametry silnika BLDC małej mocy

WPŁYW KLINÓW MAGNETYCZNYCH NA PARAMETRY MASZYNY ELEKTRYCZNEJ Z MAGNESAMI I REGULACJĄ STRUMIENIA

WPŁYW SPOSOBU OPTYMALIZACJI NA POZIOM PULSACJI MOMENTU PRZEŁĄCZALNEGO SILNIKA RELUKTANCYJNEGO W PEŁNYM ZAKRESIE PRACY

MOMENT ORAZ SIŁY POCHODZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM

BADANIE MASZYNY ELEKTRYCZNEJ Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I KLINAMI MAGNETYCZNYMI

BADANIE WPŁYWU GRUBOŚCI SZCZELINY POWIETRZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH W OPARCIU O OBLICZENIA POLOWE

OBLICZENIOWE BADANIE ZJAWISK WYWOŁANYCH USZKODZENIEM KLATKI WIRNIKA

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

MASZYNA Z MAGNESAMI O REGULOWANYM WZBUDZENIU WYBRANE WYNIKI PRAC PROJEKTOWYCH

WPŁYW KSZTAŁTU SZCZELINY POWIETRZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI

SILNIK BEZSZCZOTKOWY O WIRNIKU KUBKOWYM

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO DUŻEJ MOCY Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

ANALIZA WPŁYWU WYMIARÓW I KSZTAŁTU MAGNESÓW TRWAŁYCH NA MOMENT ELEKTROMAGNETYCZNY BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO

TECHNOLOGICZNE I EKSPLOATACYJNE SKUTKI ZMIAN KSZTAŁTU PRĘTA KLATKI SILNIKA INDUKCYJNEGO DUŻEJ MOCY

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

FAILURE MODE STUDY IN SWITCHED RELUCTANCE MACHINES IN THE GENERATOR MODE

ANALIZA WPŁYWU SPOSOBU NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA PRZEBIEGI CZASOWE WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I MECHANICZNYCH W SILNIKU BEZSZCZOTKOWYM

Fig 5 Spectrograms of the original signal (top) extracted shaft-related GAD components (middle) and

ZJAWISKA W OBWODACH TŁUMIĄCYCH PODCZAS ZAKŁÓCEŃ PRACY TURBOGENERATORA

MAGNETIC FORCES CALCULATION IN TWO-SPEED, LARGE POWER, SALIENT POLE, SYNCHRONOUS MOTOR

PORÓWNANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO I JEDNOFAZOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI. BADANIA EKSPERYMENTALNE

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH MASZYN RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH

DWUKIERUNKOWY JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

EXAMPLES OF CABRI GEOMETRE II APPLICATION IN GEOMETRIC SCIENTIFIC RESEARCH

WPŁYW SZEROKOŚCI OTWARCIA ŻŁOBKÓW NA STATYCZNE I DYNAMICZNE CHARAKTERYSTYKI SILNIKA INDUKCYJNEGO MAŁEJ MOCY

OPTYMALIZACJA MASZYNY TARCZOWEJ Z MAGNESAMI TRWAŁYMI Z WYKORZYSTANIEM METOD POLOWYCH

INFLUENCE OF A NUMBER OF ROTOR SLOTS ON ELECTROMAGNETIC TORQUE OF THE SINGLE-PHASE SHADED POLE INDUCTION MOTOR

WOLNOOBROTOWY BEZSZCZOTKOWY SILNIK PRĄDU STAŁEGO DO NAPĘDU ROGATKOWEGO

WPŁYW OSADZENIA MAGNESU NA PARAMETRY SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

ZASTOSOWANIE METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH DO WYZNACZANIA PARAMETRÓW ELEKTROMAGNETYCZNYCH SILNIKA PMSM

BADANIA WYSOKOOBROTOWEGO DWUPASMOWEGO SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO

ANALIZA STRUKTUR MAGNETOELEKTRYCZNYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH O ROZRUCHU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM. OBLICZENIA

Standardized Test Practice

Formularz doboru sprzęgła MINEX -S

DUAL SIMILARITY OF VOLTAGE TO CURRENT AND CURRENT TO VOLTAGE TRANSFER FUNCTION OF HYBRID ACTIVE TWO- PORTS WITH CONVERSION

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM

WPŁYW LICZBY PAR BIEGUNÓW WZBUDZENIA NA PRACĘ BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA TARCZOWEGO ZE STRUMIENIEM OSIOWYM W STOJANIE

ANALIZA WYBRANYCH PARAMETRÓW CAŁKOWYCH BEZŻŁOBKOWEGO 3-FAZOWEGO GENERATORA TARCZOWEGO Z PODWÓJNYM WIRNIKIEM

BADANIA EKSPERYMENTALNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH Z ROZRUCHEM ASYNCHRONICZNYM PRZY STEROWANIU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM

ZWARCIE POMIAROWE JAKO METODA WYKRYWANIA USZKODZEŃ KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

Detekcja asymetrii szczeliny powietrznej w generatorze ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, bazująca na analizie częstotliwościowej prądu

BADANIA MASZYNY RELUKTANCYJNEJ PRZEŁĄCZALNEJ PRZEZNACZONEJ DO NAPĘDU LEKKIEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

Oddziaływanie klinów magnetycznych na parametry maszyny elektrycznej z magnesami i regulacją strumienia

Badania maszyny reluktancyjnej przełączalnej, przeznaczonej do napędu lekkiego pojazdu elektrycznego

XXIII Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE 2018

Influence of geometrical parameters on static torque characteristics in double-phase switched reluctance motor

Przegląd koncepcji maszyn wzbudzanych hybrydowo do zastosowania w napędzie samochodów

DM-ML, DM-FL. Auxiliary Equipment and Accessories. Damper Drives. Dimensions. Descritpion

PULSACJE MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM


DRGANIA ORAZ SIŁY POCHODZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY

Koncepcja maszyny elektrycznej z wirnikiem kłowym wzbudzanej hybrydowo

ANALIZA PORÓWNAWCZA WYBRANYCH MODELI SILNIKÓW TARCZOWYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

CONSTRUCTION OF A DYNAMIC MODEL FOR A TRANSVERSE FLUX MOTOR

METODA DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO

PROJEKT SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z KOMUTACJĄ ELEKTRONICZNĄ PRZEZNACZONEGO DO NAPĘDU LEKKIEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

OBLICZENIA SKŁADNIKÓW MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W SILNIKU BLDC POD OBCIĄŻENIEM

ANALIZA PARAMETRÓW ROZRUSZNIKÓW SAMOCHODOWYCH O MAGNESACH TRWAŁYCH 1. WPROWADZENIE

Bezrdzeniowy silnik tarczowy wzbudzany magnesami trwałymi w układzie Halbacha

APPLICATIONS OF AN EVOLUTIONARY ALGORITHM IN CONSTRUCTION OPTIMIZATION OF ELECTRICAL MOTORS

THE INFLUENCE OF GEOMETRIC DIMENSIONS ON TORQUE VALUE IN A COMPLEX MOTION COMMON MAGNETIC CIRCUIT ELECTRIMAGNETIC CONVERTER

BADANIA MASZYNY ELEKTRYCZNEJ Z ZAGNIEŻDŻONYMI MAGNESAMI TRWAŁYMI I BARIERAMI MAGNETYCZNYMI

Akademia Morska w Szczecinie. Wydział Mechaniczny

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/

ANALIZA KONSTRUKCJI TRÓJPASMOWEJ SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO 6/4 O NIESYMETRYCZNYM OBWODZIE STOJANA WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH

POLOWO-OBWODOWA ANALIZA MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO W KOMUTATOROWYM SILNIKU MAGNETOELEKTRYCZNYM

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO ORAZ SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM - BADANIA EKSPERYMENTALNE

KSZTAŁTOWANIE POLA MAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYCH SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Has the heat wave frequency or intensity changed in Poland since 1950?

ZJAWISKA CIEPLNE W MODELU MASZYNY SYNCHRONICZNEJ Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

Diagnostyka drganiowa trakcyjnych maszyn elektrycznych - przykład asymetrii geometrii promieniowej między stojanem a wirnikiem

ANALIZA POLOWA I OBWODOWA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI STEROWANEGO REGULATOREM HISTEREZOWYM

WYZNACZANIE DRGAŃ WŁASNYCH WIRNIKA W BEZSZCZOTKOWYM SILNIKU PRĄDU STAŁEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Proceedings of XLI International Symposium on Electrical Machines SME 2005, June, Jarnołtówek, Poland

MOMENT I SIŁA ELEKTROMOTORYCZNA W NOWYM SYNCHRONICZNYM SILNIKU TARCZOWYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O WYDATNYCH BIEGUNACH STOJANA

WYKORZYSTANIE EFEKTU WYPIERANIA PRĄDU W ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM MASZYN WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

WENTYLATORY PROMIENIOWE MEDIUM-PRESSURE CENTRIFUGAL

Transkrypt:

Zbigniew GAWĘCKI Roman NADOLSKI CONSTRUCTION METHODS OF REDUCING COGGING TORQUE OF A DC BRUSHLESS MOTOR ABSTRACT The article presents selected construction methods for reducing the value of cogging torque at the design stage of DC brushless motors excited by permanent magnets. Calculations using the finite element method calculation (FEM) has been performed in Flux v.1.3 packet of Cedrat company. For the two prototype motors designs experimental studies have been performed. Keywords: brushless dc motor, cogging torque, finite element method (FEM). 1. INTRODUCTION Brushless DC motors (called brushless direct current motors BLDCM) in relation to "classical" DC motors have a better dynamic parameters, a higher power rate per unit volume, higher durability and lower maintenance costs [3, 11]. However, due to the design and method of BLDC motors phases supply, adverse electromagnetic torque ripple effects appear, which cause additional Zbigniew GAWĘCKI, M.Sc. e-mail: z.gawecki@tu.kielce.pl Roman NADOLSKI, Prof. e-mail: r.nadolski@tu.kielce.pl Kielce University of Technology PROCEEDINGS OF ELECTROTECHNICAL INSTITUTE, Issue 253, 211

4 Z. Gawęcki, R. Nadolski power losses, vibration and noise [12]. One of the components of the electromagnetic torque is the cogging torque. It arises as a result of interaction of the rotor magnetic field (derived from permanent magnets) with the stator of angular variation of reluctance (uneven air gap) [7], which can be described by the relation: where: T cog = 1 2 Φ dr μ dθ m (1) Φ magnetic flux in an air gap, R μ air gap reluctance, θ m the angle of rotor rotation. The issue of reducing cogging torque at the design stage of brushless motors is addressed in many works. The cogging torque can be reduced by: skewing stator slot [8, 12], application of magnets skew [4, 11], selection of the dimensions of magnets and air gap thickness [2, 3, 6], symmetrisation of air gap achieved by closing the stator slot by ferromagnetic wedge or by cutting stator's teeth [1], asymmetrical arrangement of magnets on the rotor [2, 9], immersing magnets in the rotor core [1, 2]. The most commonly applied and most effective are the first two of the above-mentioned methods. This paper presents the results of simulation and experimental research involving two prototype constructions of brushless DC motor with an external rotor (so called upside-down construction). Considerations have been limited to the impact on the value of cogging torque of selected stator construction parameters and rotor that is skew slot, opening width of slot, height of air gap and the angle span of the magnets. The simulation research has been carried out, Flux 2D/3D environment, version 1.3 by Cedrat company using the finite element method (FEM) using quasi three-dimensional models (2 1 2 D) FluxSkew module and three dimensional models Flux3D module [5]. 2. MOTOR CONSTRUCTION The analysed motor has an inverted structure that is the rotating element is the exterior part, it allows gear-less drive through the cab of the engine directly in a driven element such as a circle, pump, fan etc. On the inside of the rotor are

Construction methods of reducing cogging torque of a DC brushlesss motor 41 attached high-energy permanent magnets made of rare earth elements such as neodymium-iron-boron. A simplified structure of the analysed motor is shown in Figure 1. a) b) Fig. 1. Simplified construction of brushless DC motor: a) a stator, b) rotor The motor stator has been placed a three-phase winding which fragment has been shown in Figure 2. During normal operation, two of the three phases are powered, depending on the winding rotor position. Rotor position is identified by three Hall effect sensors, spaced by 12degE. Fig. 2. Distributed diagram of winding fragment of a brushless motor Selected electrical parameters and construction data presented in Table 1. TABLE 1 Selected electrical parameters and construction data Power supply Rated current Rated speed U N = 24 V I N = 8 A n N = 12 obr/min Number of slots N s = 48 The number of slots per pole and phase q = 1 Number of phases N p = 3 Magnets material Magnets height Coercivity Remanence Nd 2 Fe 14 B h m = 3 mm H c = 9 ka/m B r = 1.2 T Energy density (BH max ) = 27 kj/m 3 Number of rotor poles p r = 16

42 Z. Gawęcki, R. Nadolski 3. SIMULATION MOTOR MODELS During field calculations non-linearity of magnetic motor circuit has been taken into account and the following simplifying assumptions have been taken into consideration [3, 9]: discussions have been limited to the magneto-static field, coil windings were replaced by rails leading current, constant current density has been adopted throughout the rails cross- -section, omission of the phenomenon of inducing eddy currents in the motor stator due the low speed of rotor, adopted a zero normal component of magnetic induction at the sufficiently distant edge from an analysed object. Taking into account the rotational symmetry of the analysed structure, the calculation area was limited to the total, that is to τ S pole pitch (Figures 3a, 3b and Figure 4). a) b) Fig. 3. The model 2 2 D of the analysed structure: a) view of XY plane, b) view of the XYZ space Fig. 4. The model 3D of the analysed structure

Construction methods of reducing cogging torque of a DC brushlesss motor 43 A multi-layered model shown in Figure 3 was built using FluxSkew module using,,multilayers 2D method [5]. The angle of stator skew slot has been included by dividing the machine to l a active length a certain number of layers N L. Each layer represents 1/l a the engine length, the last layer is rotated by a defined angle of rotation, and intermediate layers are rotated by N La *( /N L ) angle, N la current layer number. The number of layers, declared at the beginning of the simulation, affects the accuracy and calculation time. Increasing the number of layers increases the accuracy of the calculations, however, causing the prolongation of the simulation. In the analysed case the number of layers has been set at N L = 5, since increasing the number of layers did not significantly improve the results of calculations. For typical stator stack angles deg, 7.5 deg, 15 deg calculation tests have been performed in 3D space using "Extruded 3D"method and Flux3D module [5]. Three-dimensional model is created by "impression" of flat primer in the third dimension and the division of a model for a certain number of elements along the active length of the machine. 4. RESULTS OF CALCULATIONS Coggingtorque was determined by internal functions of Flux2D/3D package as a derivative of W' magnetic coenergy changes relative to the angle of rotation of the rotor θ m [5, 11]: T cog (θ m )= W' θ m (2) The calculations of cogging torque were carried out within the slot pitch for the current in stator windings I =, the electromagnetic torque calculations were performed for rated current I = 8 A changing the position of the rotor every.25degm (which corresponds to 2degE). Fig. 5. BLDC motor pole pitch: h m magnet height, b s slot opening width, air gap height, γ m angular magnet spread Figure 6 shows the dependence of T c cogging torque of the stator slot skew angle in an electro-less state.

44 Z. Gawęcki, R. Nadolski 5 4 = =.15τ s 3 =.25τ s Cogging torque T C 2 1-1 -2 =1.6τ s =.8τ s =1τ s =.4τ s =.5τ s =.7τ s =2τ s -3-4 -5.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 Mechanical angle θ m Fig. 6. The dependence of T c cogging torque from θ m rotor position angle for certain angles skew of stator slot Cogging torque amplitude T cmax 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Skew angle Fig. 7. Dependence of cogging torque amplitude T cmax from stator stack angle α S As follows from carried out calculations the smallest amplitude of cogging torque T cmax =.331 Nm for the analysed structure (prototype A) can be obtained for the angle of the stator slot skew 7.5 deg, while for the output 5 construction (prototype B) the amplitude of cogging torque T cmax = =.611 Nm (Fig. 7). For slot stator skew angles which deg, 7.5 deg, 15 deg have been performed using a three- -dimensional model. Figure 7 shows comparison dependences for slot stator skew angles 7.5 deg with quasi three-dimensional and three-dimensional calculations.

Construction methods of reducing cogging torque of a DC brushlesss motor 45 Amplitudes in both cases are comparable, while the difference in shape is due to simplification of the method 2 1 2 D [5]..4.3 3D Calculations 21/2 D Calculations.2 Cogging torque T C.1 -.1 -.2 -.3 -.4.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 Mechanical angle θ m Fig. 8. The dependence of T c cogging torque form rotor position angle θ m for the stator slot skew angle = 7.5 deg Torque T e 15 13 11 9 7 5 3-1 1-3 -5-7 -9-11 -13 =deg =7.5deg =15deg -15 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Mechanical angle θ m Fig. 9. The dependence of the electromagnetic torque T e on the rotor position angle θ m for stator stack angles = ; 7.5; 15 deg when running two phases winding

46 Z. Gawęcki, R. Nadolski For stator slot skew angles ranging deg, 7.5 deg, 15 deg also performed calculations of an electromagnetic torque at a current in two phases I = 8 A (Fig. 9). As in other works [11, 12] on the issue of reducing cogging torque, percentage coefficient of the content of cogging torque in the electromagnetic torque has been defined: τ = T cmax T max 1% (3) where: T cmax T max the maximum value of cogging torque, the maximum value of electromagnetic torque. For slot stator skew angles ranging deg, 7.5 deg, 15 deg; τ coefficient is respectively 33.9%, 3.18%, 6.1%. Selection of the appropriate a slot stator skew angle allows for significant reduction of impact of cogging torque on the shape and value of the electromagnetic torque. In Figure 1 shows the effect of γ mr magnet angular spread referred to the pole pitch τ p at a constant height of the air gap and magnet on cogging torque..5.4 γ mr =.95τ p γ mr =.85τ p γ mr =.75τ p.3 γ mr =τ p Cogging torque T C.2.1 -.1 -.2 γ mr =.7τ p -.3 -.4 γ mr =.8τ p γmr =.9τ p -.5.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 Mechanical angle θ m Fig. 1. Dependence of T c cogging torque from magnet angular range γ mr Magnet angle range slightly affects the amplitude of cogging torque, but has a significant influence on the electromagnetic torque.

Construction methods of reducing cogging torque of a DC brushlesss motor 47 Cogging torque T C.5.4.3.2.1 -.1 -.2 =.3mm =.45mm =.6mm =.8mm =.2mm =.4mm =.5mm =.7mm =.9mm -.3 -.4 -.5.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 Mechanical angle θ m Fig. 11. Dependence of T c cogging torque from the height of the air gap.4.3 h m =4mm h m =3mm Cogging torque T C.2.1 -.1 -.2 h m =2.5mm h m =2mm -.3 h m =3.5mm -.4.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 Mechanical angle θ m Fig. 12. Dependence of T c cogging torque from the magnet height h m

48 Z. Gawęcki, R. Nadolski The impact of the air gap height and the magnet height h m for permanent magnet angular range onto cogging torque has been shown in Figure 11 and 12. However, during the construction calculations, selection of an appropriate height of air gap and the magnet does not result from the necessity to minimize cogging torque, but the selection of a suitable operating point of the magnet [3, 7]. 1,1 Cogging torque T C,9,7,5,3,1 -,1 -,3 -,5 = =.5 =.4 =1 =.2 =.3 =.9 =.7 -,7 -,9-1,1.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 Mechanical angle θ m Fig. 13. Dependence of T c cogging torque from the relative slot opening Figure 13 shows the effect of slot opening referenced to the slot pitch τ s on cogging torque. The minimum value of the cogging torque can be obtained for the complete closure of a slot =, thanks to which one obtains uniform air gap. The necessity to wind the stator with a wire of a certain diameter makes that is the analysed construction =.4. In order to verify the simulation calculations were carried out research on prototypes A and B which were analysed at the stand equipped, among others, in T32FNA contactless transducer for measuring torque and rotational speed of Hottinger Baldwin Messtechnik company and cooperating with it MGCPlus measuring amplifier. The research was conducted at low rotation in electro-less state propelling the motors. Recorded waveforms (Fig. 14a and 14b) show that stator slot skew corresponding to one slot pitch allows for reduction of cogging torque by almost a half.

Construction methods of reducing cogging torque of a DC brushlesss motor 49 a) 1.8.6 Cogging torque T c.4.2 -.2 -.4 b) -.6 -.8.2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Time t [s].5.4 Fig. 14. Registered time waveforms of T c cogging torque: a) the prototype B skew angle of 15 deg, b) the prototype A skew angle of 7.5 deg.3 Cogging torque T c.2.1 -.1 -.2 -.3 -.4.2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Time t [s] 5. SUMMARY The paper analyses the impact of selected construction parameters on the value of cogging torque in a brushless motor with external rotor. 2 1 2 D and 3D models were used in numerical calculations. Due to time-consuming calculations using three-dimensional models, most calculations have been performed using a quasi-three-dimensional models. Application of a proper stator slot skew has allowed for nearly 5% reduction of cogging torque. In addition, construction of 7.5 deg stator slot skew has a much more advantageous shape of the electromagnetic torque which translates into higher effi-

5 Z. Gawęcki, R. Nadolski ciency. The correctness of simulations were verified by experimental research of two prototype constructions of brushless motors. Recorded research results confirmed the reduction of cogging torque, which was the aim of this work. The work was co-funded by the Ministry of Science and Higher Education under a promotion grant No. N N51 332337. LITERATURE 1. Aydin M., Ronghai Q., Lipo T.A.: Cogging torque minimization technique for multiple-rotor, axial-flux, surface-mounted-pm motors: alternating magnet pole-arcs in facing rotors, 38th Industry Applications Conference, IAS Annual Meeting, USA, Salt Lake City 23, vol. 1, pp. 555-561. 2. Aydin M.: Magnet skew in cogging torque minimization of axial gap permanent magnet motors, ICEM'28, 6-9 September, Vilamoure, Portugal, 28, Paper ID 1186. 3. Ciurys M., Dudzikowski I.: Analiza wpływu wymiarów i kształtu magnesów trwałych na moment elektromagnetyczny bezszczotkowego silnika prądu stałego, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 58, Studia i Materiały, Nr 25, Wrocław, 25. 4. Dosiek L., Pillay P.: Cogging torque reduction in permanent magnet machines, IEEE Transactions on Industry Application, Vol. 43, No. 6, November/December 27, p. 1565-1571. 5. Flux ver.1.3 Documentation and Examples, Cedrat. 6. Garcia P.M., Guemes J.A., Moreno V., Iraolagoitia A.M.: Influence of constructive parameters on the cogging torque in PMSMs, 11th Spanish-Portuquese Conference on Electrical Machines, Zaragoza, 1-4 July, 29. 7. Hanselman D.: Brushless permanent magnet motor design, Second Edition, The Writers Collective, Cranston, Rhode Island, 23. 8. Hanselman D.C.: Effect of skew, pole count and slot count on brushless motor radial force, cogging torque and back EMF, IEE Proceedings Electric Power Applications, September 1997, vol. 144, no. 5, pp. 325-33. 9. Keyhani A., Sebastian T.: Study of cogging torque in permanent magnet machines, IEEE IAS Annual Meeting, USA, New Orleans, Louisiana, 1997, pp. 42-49. 1. Kim K., Sim D., Won J.: Analysis of skew effects on cogging torque and BEMF for BLDCM, IEEE IAS 1991, 26th Annual Meeting Industrial Applications Society, USA, Dearborn 1991, vol. 1, pp. 191-197. 11. Korkosz M., Młot A.: Analiza pulsacji momentu elektromagnetycznego w bezszczotkowym silniku prądu stałego z zastosowaniem skośnych magnesów, BOBRME-KOMEL, Zeszyty Problemowe-Maszyny Elektryczne, Nr 88, Katowice, 21, s. 47-51. 12. Młot A., Łukaniszyn M., Korkosz M.: Wpływ skosu stojana na redukcję pulsacji momentu elektromagnetycznego w bezszczotkowym silniku prądu stałego, BOBRME-KOMEL, Zeszyty Problemowe-Maszyny Elektryczne, Nr 88, Katowice, 21, s. 41-45. Manuscript submitted 12.12.211

Construction methods of reducing cogging torque of a DC brushlesss motor 51 METODY KONSTRUKCYJNE ZMNIEJSZANIA MOMENTU ZACZEPOWEGO W SILNIKU BEZSZCZOTKOWYM PRĄDU STAŁEGO Zbigniew GAWĘCKI, Roman NADOLSKI STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych dotyczących silników bezszczotkowych z zewnętrznym wirnikiem (budowa odwrócona). Przeprowadzono analizę wpływu wybranych wymiarów geometrycznych na wartość momentu zaczepowego i pulsacje momentu elektromagnetycznego. Silniki bezszczotkowe wzbudzane magnesami trwałymi z pierwiastków z ziem rzadkich w ostatnich latach znajdują coraz szersze obszary zastosowania, m.in. bezprzekładniowy napęd lekkich pojazdów zasilanych z baterii akumulatorów. Jednym z problemów, którym zajmuje się wiele zespołów badawczych [1-12], jest zmniejszenie wartości momentu zaczepowego już na etapie projektowania silnika. Moment zaczepowy powstaje w wyniku współdziałania pola magnetycznego wirnika (pochodzącego od magnesów trwałych) ze stojanem o kątowej zmienności reluktancji (nierównomierna szczelina powietrzna). Moment zaczepowy jest niekorzystną składową wypadkowego momentu elektromagnetycznego, która wywołuje pulsacje, drgania, hałas i dodatkowe straty mocy. Obliczenia momentu zaczepowego na etapie projektowania można wykonać, wykorzystując np. metodę elementów skończonych w specjalizowanych środowiskach, takich jak Flux firmy Cedrat. W pracy przeanalizowano wpływ skosu żłóbków, szerokości otwarcia żłobków, wysokości szczeliny powietrznej, wysokości i rozpiętości kątowej magnesów na moment zaczepowy i elektromagnetyczny. Badania symulacyjne zrealizowano w środowisku Flux wersja 1.3 przy użyciu modeli quasi-trójwymiarowych (2 1 2 D) i modeli trójwymiarowych (3D). Na podstawie wyników obliczeń wybrano i fizycznie zrealizowano rozwiązanie konstrukcyjne charakteryzujące się najmniejszą wartością momentu zaczepowego i najkorzystniejszym przebiegiem momentu elektromagnetycznego. Przeprowadzone badania eksperymentalne potwierdziły zmniejszenie wartości momentu zaczepowego i zmniejszenie pulsacji wypadkowego momentu elektromagnetycznego.

52 Z. Gawęcki, R. Nadolski