Analysis of Consequent-Pole Brushless DC Motors with Different Slot/Pole Ratios

Year 2023, Volume: 13 Issue: 3, 1117 - 1134, 15.09.2023

İbrahim Aydın , Onur Özdal Mengi , Serdal Arslan

https://doi.org/10.31466/kfbd.1296266

Abstract

One of the biggest cost items in permanent magnet brushless dc current(PMBLDC) motors used in small or large power electric vehicles is permanent magnets used. The consequent-pole rotor structure in which permanent magnets and steel material are used together in the poles of the rotor structure has been examined. First of all, a design was created in the ANSYS RMxprt program based on some parameters of a BLDC with 250W input power and 200 rpm rated speed, which was previously designed for the electric bicycle. As the winding type in the design, analyzes were carried out by using a concentric (fractional) double-coil structure with low copper losses, high efficiency and easy motor manufacturing. Engine performance data and cogging moments were investigated in different slot/pole numbers. These models were analyzed with the help of Rmxprt and Maxwell 2D program. These motors have been considered for conventional and consequent pole structures of 4 different slot/pole models with different winding numbers and different pole arc ratios. In addition, cogging moment analyzes were made. As a result of these analyzes, the models with the smallest cogging moment in conventional and consequent pole were determined.

Keywords

Brushless DC Motor, Consequent Pole, Electric bicycle

Farklı Oluk/Kutup Oranlarına Sahip Sıralı Kutuplu Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Analizi

Abstract

Küçük veya büyük güçlü elektrikli araçlarda kullanılan kalıcı mıknatıslı fırçasız doğru akım motorlarında, en büyük maliyet kalemlerinden biri kullanılan kalıcı mıknatıslardır. Rotor yapısındaki kutuplarda kalıcı mıknatısların ve çelik malzemenin bir arada kullanıldığı sıralı kutuplu rotor yapısı incelenmiştir. Öncelikli olarak, elektrikli bisiklet için önceden tasarımı yapılan 250W giriş gücüne, 200 rpm anma hızına sahip Kalıcı Mıknatıslı Fırçasız Doğru Akım Motoru (KMFDAM)’nun bazı parametreleri temel alınarak ANSYS RMxprt programında tasarım oluşturulmuştur. Tasarımda sargı tipi olarak, bakır kayıplarının az olduğu, verimin yüksek ve motor imalatının kolay olduğu konsantrik (kesirli) çift kat sargılı yapı kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir. Farklı oluk/kutup sayılarında motor performans verileri ve vuruntu momentleri incelenmiştir. Oluşturulan bu modeller, Rmxprt ve Maxwell 2D programı yardımıyla analizi gerçekleştirilmiştir. Bu motorların, farklı sarım sayıları ve farklı kutup yayı oranlarında 4 farklı oluk/kutup modelinin geleneksel ve sıralı kutup yapıları için dikkate alınmıştır. Ayrıca vuruntu momenti analizleri yapılmıştır. Bu analizler sonucunda geleneksel ve sıralı kutup yapılarında vuruntu momenti en küçük olduğu modeller tespit edilmiştir.

Keywords

Fırçasız Doğru Akım Motoru, Sıralı Kutup, Ansys Maxwell, Elektrikli Bisiklet.

References

• Akar, M., Eker, M., & Akın, F. (2021). BLDC Motor Design and Application for Light Electric Vehicle. Afyon Kocatepe University Journal of Sciences and Engineering. https://doi.org/10.35414/akufemubid.889877
• Akın, F. (2019). Elektrikli Araçlar İçin Geliştirilen Dış Rotorlu Fırçasız Doğru Akım Motoru Tasarım ve Analizi. Yüksek Lisans Tezi, Tokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tokat.
• ANSYS Electronics Suite 19.2. Programı
• Arslan, S. (2016). Dalgıç Motorun Analitik, Sayısal, Performans Sonuçlarının Karşılaştırılması. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 4(2), 403-415.
• Aydın, M. (2007). Eksenel Akılı Sürekli Mıknatıslı Elektrik Motorlarında Vuruntu Moment Minimizasyonu, 12. Elektrik, Elektronik, Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Ulusal Kongresi ve Fuarı, 14-18, Kocaeli.
• Bahrim, F. S., Sulaiman, E., Kumar, R., & Jusoh, L. I. (2017, August). New cogging torque reduction methods for permanent magnet machine. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 226, No. 1, p. 012127). Melaka, Malaysia.
• Bianchi, N., & Bolognani, S. (1997). Brushless dc motor design: an optimisation procedure based on genetic algorithms.
• Bianchi, N., & Bolognani, S. (1998). Design optimisation of electric motors by genetic algorithms. IEE Proceedings-Electric Power Applications, 145(5), 475-483.
• Chen, T.-C., Shieh, S. H., & Ren, T.-J. (2017). Torque ripple reduction of brushless DC motor using genetic algorithm. Proceedings of the 4th international conference on control, dynamic systems, and robotics, Toronto, ON, Canada, 21-23.
• Chung, S.-U., Kim, J.-M., Koo, D.-H., Woo, B.-C., Hong, D.-K., & Lee, J.-Y. (2012). Fractional slot concentrated winding permanent magnet synchronous machine with consequent pole rotor for low speed direct drive. IEEE transactions on magnetics, 48(11), 2965-2968.
• Çabuk, A. S., Sağlam, S., & Üstün, Ö. (2019). Investigation on efficiency of in-wheel BLDC motors for different winding structures. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34(4), 1975-1985.
• Çamcı, H., Mengi, O. Ö., & Arslan, S. (2022). Çok Amaçlı Genetik Algoritma Yöntemi Kullanılarak Enine Laminasyonlu Senkron Relüktans Motor Optimizasyonu. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 12(2), 841-852.
• Çelikel, R. (2017). Yüksek hızlı fırçasız doğru akım motorlarında moment dalgalanmalarını azaltan bir yöntem. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 8(3), 485-493.
• Ersöz, M., Öner, Y., & Bingöl, O. (2016). Akı bariyerli TLA tipi senkron relüktans motor tasarımı ve optimizasyonu. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 31(4), 941-950
• Fenercioğlu, A., Tarımer, İ.(2007). Solution processes of a magnetic system’s magneto static analysis with Maxwell 3D field simulator. Selçuk University Journal of Technical-Online, ISSN 1302/6178, Vol. 6, No. 3, pp. 221–240, 2007
• Kaymaz, H., & demir, M. F. (2020). Elektrikli Otomobiller için Çekiş Motor Tip Seçimi. International Periodical of Recent Technologies in Applied Engineering, 2(1), 35-41.
• Kelek, M. M., Çelik, İ., Fidan, U., & Oğuz, Y. (2019). The Simulation of mathematical model of outer rotor BLDC motor. Simulation, 2687, 5527.
• Li, F., Wang, K., Li, J., & Zhang, H. J. (2018). Suppression of even-order harmonics and torque ripple in outer rotor consequent-pole PM machine by multilayer winding. IEEE Transactions on Magnetics, 54(11), 1-5.
• Lin, H., Wang, D., Liu, D., & Chen, J. (2014). Influence of magnet shape on torque behavior in surface-mounted permanent magnet motors. 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 44-47. https://doi.org/10.1109/ICEMS.2014.7013448
• Liu, S., Yao, X., & Shen, Y. (2021). A Method to Reduce Torque Ripple of Brushless DC Motor. Journal of Physics: Conference Series, 1754(1), 012150.
• Mehmet, A. K. A. R., Mustafa, E. K. E. R., & Fazilet, A. K. I. N. (2021). BLDC motor design and application for light electric vehicle. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(2), 326-336.
• Özbay, H., Közkurt, C., Dalcalı, A., & Tektaş, M. (2017). Geleceğin ulaşım tercihi: Elektrikli araçlar. Akıllı Ulaşım Sistemleri ve Uygulamaları Dergisi, 3(1), 34-50.
• Ramesh Babu, P., Ramprasath, S., & Paranthagan, B. (2013). Modeling and dynamic simulation of permanent magnet brushless DC motor (PMBLDCM) drives. Communications in Computer and Information Science, 296 CCIS. https://doi.org/10.1007/978-3-642-35864-7_86
• Tosun, Ö. (2021). Fırçasız Doğru Akım Motorunun Tasarım Çalışması İle Motor Parametrelerinin İyileştirilmesine Katkılar. Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• Ulu, B. (2011). Fırçasız doğru akım motor (BLDC) hız kontrolü. Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Malatya.
• Uygun, D. (2012). 5-Fazlı U-Tipi Segmental Rotorlu Bipolar Uyartımlı 10/8 Anahtarlamalı Relüktans Motorun Tasarımı Ve Uygulaması,". Gazi Üniversitesi.
• Uygun, D., & Solmaz, S. (2015). Design and dynamic study of a 6 kW external rotor permanent magnet Brushless DC motor for electric drivetrains. 2015 IEEE 5th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 87-92.
• Xu, M., Liu, G., Zhao, W., & Aamir, N., Minimization of torque ripple in ferrite-assisted synchronous reluctance motors by using asymmetric stator, AIP Advances, 8(5), 056606, 2017.
• Yang, H., Zhu, Z.-Q., Lin, H., Li, H., & Lyu, S. (2019). Analysis of consequent-pole flux reversal permanent magnet machine with biased flux modulation theory. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67(3), 2107-2121.