Reduction of Cogging Torque in Radial Flux Permanent Magnet Synchronous Motors

Year 2023, Volume: 15 Issue: 2, 547 - 557, 14.07.2023

Kadir Yılmaz , Taner Dindar

https://doi.org/10.29137/umagd.1235442

Abstract

Permanent magnet synchronous motors (SMSM) are one of the advantageous motor types in the literature when evaluated in terms of many features. With the magnets of high power density in the rotor, these motors are motors that provide many advantages over other brushed motors. However, these motors have cogging torque, which occurs due to their characteristic structure and adversely affects the output torque of the motor. In radial flux and permanent magnet motors (RASM), there are some methods to reduce these negative situations in the cogging torque.
In this study, the methods that can be used on the stator and rotor sides to reduce the knock moment are emphasized. By analyzing the 2D model of a reference engine in Ansoft maxwell software with the finite element method (FEM); The effects of the changes in the stator and rotor sides of the reference motor on the cogging torque are compared. With the reduction of the slot opening on the stator side, a decrease of 36.84% was observed in the cogging torque, and a decrease of 42.1% was observed with the reduction of the magnet thickness on the rotor side. It is known that the cogging torque decreases with the reduction of the magnet step on the rotor side. However, it was observed that there was a decrease in the mean moment.

Keywords

Permanent magnet synchronous motors, Radial flux permanent magnet motor, Finite element method, Cogging torque, Sabit mıknatıslı senkron motorlar, Radyal akılı sabit mıknatıslı motor, Sonlu elemanlar yöntemi, Vuruntu Momenti

Radyal Akılı Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlarda Vuruntu Momentinin Azaltılması

Abstract

Sabit mıknatıslı senkron motorlar (SMSM) birçok özelliği bakımından değerlendirildiğinde literatürde avantajlı motor türlerinden birisidir. Rotorunda bulunan yüksek güç yoğunluğundaki mıknatıslarla bu motorlar diğer fırçalı motorlara göre birçok avantaj sağlayan motorlardır. Ancak, bu motorlar karakteristik yapısından dolayı oluşan ve motorun çıkış momentini olumsuz etkileyen vuruntu momentine sahiptirler. Radyal akılı sürekli sabit mıknatıslı motorlarda (RASM) vuruntu momentindeki bu olumsuz durumların azaltılması için bazı yöntemler bulunmaktadır. Bu çalışmada vuruntu momentini azaltmaya yönelik stator ve rotor tarafında kullanılabilecek yöntemler üzerinde durulmuştur. Referans bir motorun Ansoft Maxwell yazılımında 2 boyutlu modelinin sonlu elemanlar yöntemi (SEY) ile analizleri yapılarak referans motorun stator ve rotor tarafındaki değişikliklerin vuruntu momentine etkileri karşılaştırılmıştır. Stator tarafında oluk açıklığının azaltılması ile vuruntu momentinde %36,84, rotor tarafında mıknatıs kalınlığının azaltılması ile %42,1 lik bir azalma görülmüştür. Rotor tarafında mıknatıs adımının azaltılması ile vuruntu momentinin azalmasına rağmen ortalama momentte düşüş olduğu görülmüştür.

Keywords

Sabit mıknatıslı senkron motorlar, Radyal akılı sabit mıknatıslı motor, Sonlu elemanlar yöntemi, Vuruntu Momenti

References

• Adam, «Sabit Mıknatıslı Senkron Motorda Moment Dalgalanması ve Gürültünün Azaltılması Doktora Tezi,» Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, pp. 1-10, 2007.
• A. Saygin, A. Aksöz, «Design optimization for minimizing cogging torque in Axial Flux Permanent Magnet machines, » International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM) Intl Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics (ACEMP), Brasov, pp. 324-329, 2017.
• Can ve E. Yıldırız, «Yeni bir 3 Fazlı Disk Tipi Enine Akılı Generatörün Tasarımı ve Vuruntu Momentinin Optimizasyonu,» Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, pp. 2-7, 2019.
• Dalcalı A., Kurt E., Çelik E. And Öztürk N., «Cogging torque minimization using skewed and separated magnet geometries, » Politeknik Dergisi, 23(1): 223-230, 2020.
• Dai J.C., Hu Y.P., Liu D.S. and Wei J., «Modelling and analysis of direct-driven permanent magnet synchronous generator wind turbine based on wind-rotor neural network model, » Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 226: 62-72, 2011.
• E. Ayçiçek, N. Bekiroğlu ve İ. Şenol, «Eksenel Akılı Sürekli Mıknatıslı Motorlarda Açık Oluk Yapısı Kullanarak Minimum Vuruntu Momenti İçin Rotor Yapısının Optimizasyonu,» Journal of Engineering and Natural Sciences Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi , pp. 1-5, 2012.
• E. Meşe, «Hibrit Araç Uygulaması İçin Kuplajsız Çift Sargılı Elektrik Makinası Tasarımı ve Denetimi,» TÜBİTAK Projesi, 2013. Güemes J.A., Iraolagoitia A.M., Del Hoyo J.I and Fernandez P., «Torque analysis in permanent-magnet synchronous motors: a comparative study, » IEEE Transaction on Energy Conversion, 26: 55- 63, 2011.
• H. Tiegna, Y. Amara, G. Barakat, U. Havre, L. Havre, «Study of Cogging Torque in Axial Flux Permanent Magnet Machines Using an Analytical Model» vol. 50, no. 2, 2014.
• Herlina, Setiabudy R. and Rahardjo A., «Cogging torque reduction by modifying stator teeth and permanent magnet shape on a surface mounted PMSG, » International Seminar on Intelligent Technology and Its Application, Indonesia, 227-232, 2017.
• L. Xiao, J. Li, R. Qu, Y. Lu, R. Zhang, D. Li, «Cogging Torque Analysis and Minimization of Axial Flux PM Machines With Combined Rectangle-Shaped Magnet», in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 53, no. 2, pp. 1018 1027, MarchApril 2017.
• M. Aydın, «Magnet Skew in Cogging Torque Minimization of Axial Gap Permanent Magnet Motors, » 2008 18th International Conference on Electrical Machines, pp. 1-6, 2008.
• M. Aydın, «Eksenel Akılı Sürekli Mıknatıslı Elektrik Motorlarında Vuruntu Eksenel Akılı Sürekli Mıknatıslı Elektrik Motorlarında Vuruntu,» Elektrik Mühendisleri Odası, pp. 1-7, 2003.
• M. Aydın, «Sabit Mıknatıslı Disk Motorlarda Mıknatıs Kaykı Etkisi,» Semantic Scholar, pp. 2-5, 2008.
• M. Gulec, M. Aydin, «Magnet asymmetry in reduction of cogging torque for integer slot axial flux permanent magnet motors», in IET Electric Power Applications, vol. 8, no. 5, pp. 189-198, May 2014
• M. Yılmaz ve H. K. Araz, «Elektrikli araçlar için mıknatıs oranı ve moment titreşimi azaltılmış yüksek verimli sürekli mıknatıslı senkron motor tasarım süreci ve gerçeklenmesi,» Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, pp. 2-6, 2020.
• O. Kütük, «Rüzgar Türbinlerinde Doğrudan Sürüşlü Sürekli Miknatıslı Senkron Generatör Tasarımı Yüksek Lisans Tezi,» İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, pp. 27-60, 2011.
• O. O. Ogidi, P. S. Barendse, M. A. Khan, «Influence of Rotor Topologies and Cogging Torque Minimization Techniques in the Detection of Static Eccentricities in Axial-Flux Permanent-Magnet Machine», in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 53, no. 1, pp. 161-170, Jan.-Feb. 2017.
• Tseng W.T. and Chen W.S., «Design parameters optimization of a permanent magnet synchronous wind generator, » 19th International Conference on Electrical Machines and Systems, Japan, 2016.
• Zhu X., Hua W., Wu Z., Huang W., Zhang H. and Cheng M., «Analytical approach for cogging torque reduction in flux-switching permanent magnet machines based on magnetomotive force-permeance model, » IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65: 1965-1979, 2018.