Investigation of the effects of magnet, stator and rotor geometries on torque and torque ripple in permanent magnet flux switching motor

Year 2024, Volume: 12 Issue: 1, 308 - 314, 25.03.2024

Sümeyye Çarkıt , Nurettin Üstkoyuncu , Taner Çarkıt

https://doi.org/10.29109/gujsc.1202243

Abstract

In this study, new designs have been realized by changing the magnet geometry and position, stator and rotor protrusions of a reference permanent magnet flux switching motor (PMFSM). As a reference design, a three-phase PMFSM which was previously presented in the literature, was taken as a basis and simulation studies of all motor structures were carried out. In order to make a fair comparison, the basic parameters and materials in all PMFSM designs are preserved in the simulation studies. With the design changes, it has been tried to achieve acceptable torque value, low torque ripple, ease of production and working sufficiency in a wide speed range. Analysis studies were carried out on the basis of the finite element method (FEM), which is widely used in the analysis of electrical machines and can give very accurate results. The results obtained for the referenced and designed new PMFSM structures were extensively compared. These comparisons are concluded that while acceptable decreases have been observed in the torque value, there are serious decreases in the torque ripple.

Keywords

Permanent magnet flux switched motor, Finite element method, Average torque, Torque ripple

Sürekli mıknatıslı akı anahtarlamalı motorda mıknatıs, stator ve rotor geometrilerinin tork ve tork dalgalanmasına etkisinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, referans alınan bir sürekli mıknatıslı akı anahtarlamalı motora (SMAAM) ait mıknatıs geometrisi ve konumu ile stator ve rotor çıkıntılarında değişiklikler yapılarak yeni tasarımlar gerçekleştirilmiştir. Referans tasarım olarak daha önce literatüre sunulmuş olan üç fazlı bir SMAAM temel alınmış ve tüm motor yapılarına ait benzetim çalışmaları yapılmıştır. Adil bir kıyaslama yapılabilmesi için benzetim çalışmalarında tüm SMAAM tasarımlarında temel parametre ve kullanılan malzemeler korunmuştur. Yapılan tasarımsal değişiklikler ile kabul edilebilir tork değeri beraberinde düşük tork dalgalanması, üretim kolaylığı ve geniş hız aralığında çalışma yeterliliği elde edilmeye çalışılmıştır. Analiz çalışmaları, elektrik makinalarının analizinde yaygın bir şekilde kullanılmakta olan ve oldukça doğru sonuçlar verebilen sonlu elemanlar yöntemi (SEY) temel alınarak gerçekleştirilmiştir. Referans alınmış olan ve tasarlanan yeni SMAAM yapılarına ait elde edilen sonuçlar kapsamlı bir şekilde karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmlar da tork değerinde kabul edilebilir azalmalar görülürken tork dalgalanma değerinde ciddi azalmalar olduğu sonucuna varılmıştır.

Keywords

Sürekli mıknatıslı akı anahtarlamalı motor, sonlu elemanlar yöntemi, ortalama tork, tork dalgalanması

References

• [1] Ilhan E, Paulides JJH, Lomonova EA. Fast torque estimation of in-wheel parallel flux switching machines for hybrid trucks. COMPEL International Journal of Computations and Mathematics in Electrical. 2011; 31(1): 40-53.
• [2] Zulu A, Mecrow BC, Armstrong M. Permanent-magnet flux-switching synchronous motor employing a segmental rotor. IEEE Transactions on Industry Applications. 2012; 48(6): 2259-2267.
• [3] Somesan L, Padurariu E, Viorel I, A, Szabo L. Design of a permanent magnet flux-switching machine. 9th International Conference Elektro. 2012; 256-259.
• [4] Eduku S, Chen Q, Xu G, Liu G, Liao J, Zhang X. A new fault-tolerant rotor permanent magnet flux-switching motor. IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2022; 8(3): 3606-3617.
• [5] Kamil KR, Kamil JI, Wang QC. Optimization of flux switching permanent magnet motor to enhance the traction of an electric vehicle. 12th International Renewable Energy Congress. 2021; 1-6.
• [6] Üstkoyuncu N, Eroğul O. Anahtarlamalı relüktans motor tabanlı medikal santrifüj sistemi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C. 2018; 6(1): 536-543.
• [7] Zhao J, Yan Y, Li B, Liu X, Chen Z. Influence of different rotor teeth shapes on the performance of flux switching permanent magnet machines used for electric vehicles. Energies. 2014; 7(12): 8056-8075.
• [8] Khan B, Khan F, Ullah W, Ullah B, Hussaın S. Torque ripples reduction and performance analysis of electrically excited flux switching motor. IEEE Access. 2022; 10: 4307-4317.
• [9] Fei W, Luk PCK, Shen J. Torque analysis of permanent-magnet flux switching machines with rotor step skewing. IEEE Transactions on Magnetics. 2012; 48: 2664-2673.
• [10] Wang Y, Geng L, Hao W, Xiao W. Improved control strategy for fault-tolerant flux-switching permanent-magnet machine under short-circuit condition. IEEE Transactions on Power Electronics. 2019; 34(5): 4536-4557.
• [11] Zhao W, Lipo TA, Kwon B. Material-efficient permanent-magnet shape for torque pulsation minimization in SPM motors for automotive applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014; 61: 5779-5787.
• [12] Zulu A. Flux switching machines using segmental rotors. PhD Thesis, Newcastle University, United Kingdom. 2010; 250.
• [13] Saygın A, Aksöz A. Aynı fiziksel ve elektromanyetik parametreler altında EASMSM ve ORSMSM’un vuruntu torkuna göre karşılaştırılması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi. 2018; 6(3): 659-667.
• [14] Kioumarsi A, Moallem M, Fahimi B. Mitigation of torque ripple in interior permanent magnet motors by optimal shape design. IEEE Transactions on Magnetics. 2006; 42(11): 3706-3711.
• [15] Yamazaki K, Kumaga M, Ikemi T, Ohki S. A novel rotor design of interior permanent-magnet synchronous motors to cope with both maximum torque and iron-loss reduction. IEEE Transactions on Industry Applications. 2013; 49(6): 2478-2486.
• [16] Çarkıt S. Elektrikli araç tahrik sistemleri için akı anahtarlamalı motor tasarımı. Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri. 2020; 84.