Analysis of the Impact of Selected Design Changes on the Cogging Torque of a Commutator Motor with Permanent Magnets

Analiza wpływu wybranych zmian konstrukcyjnych na moment zaczepowy silnika komutatorowego z magnesami trwałymi

mgr inż. Paweł STRĄCZYŃSKI, dr hab. inż. Zbigniew GORYCA, dr hab. inż. Sebastian RÓŻOWICZ

Abstract

The paper presents an analysis of the impact of selected changes in the construction of a motor with a commutator and permanent magnets in the stator on the value of the cogging torque. The influence of the number of grooves, the arrangement of the magnets, the width of the air gap and the direction of magnetization were examined. Calculations were made on the basis of prepared field models in the FEMM 4.2 program. For the analyzed cases, the distribution of magnetic induction, the distribution of flux lines and the distribution of induction in the gap were determined.

Streszczenie

W pracy przedstawiono analizę wpływu wybranych zmian w konstrukcji silnika z komutatorem oraz magnesami trwałymi w stojanie na wartość momentu zaczepowego. Zbadano wpływ liczby żłobków, ułożenia magnesów, grubości szczeliny powietrznej oraz kierunku magnesowania. Obliczenia przeprowadzono w oparciu o przygotowane modele polowe w programie FEMM 4.2. Dla analizowanych przypadków wyznaczono rozkład indukcji magnetycznej w przekroju poprzecznym silnika, rozkład linii strumienia oraz obwodowe rozkłady składowej normalnej indukcji w szczelinie powietrznej.

Keywords

cogging torque, permanent magnets, FEM

Słowa kluczowe

moment zaczepowy, magnesy trwałe, MES

Rys. / Fig.

Bibliografia / Bilbiography

[1] A. Sołbut: „Maszyny elektryczne 2. Maszyny prądu stałego. Maszyny synchroniczne”. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej. Białystok 2019.
[2] T. Glinka: „Maszyny Elektryczne Wzbudzane Magnesami Trwałymi”. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2018.
[3] Z. Krzemień: “Starzenie się magnesów trwałych stosowanych w maszynach elektrycznych.” Przegląd Elektrotechniczny, vol. 1, no. 2, 2017, pp. 89–92, https://doi.org/10.15199/48.2017.02.21.
[4] http://www.femm.info/wiki/homePage
[5] Z. Goryca, S. Różowicz, et al.: „Impact of Selected Methods of Cogging Torque Reduction in Multipolar Permanent-Magnet Machines.” Energies, vol. 13, no. 22, 2020, p. 6108, https://doi.org/10.3390/en13226108.
[6] M. Ziółek: „Analiza pracy silnika bezszczotkowego z cylindrycznym uzwojenie i zewnętrznym wirnikiem”. ROZPRAWA DOKTORSKA. Politechnika Warszawska, Warszawa 2013
[7] A. Pakosz: „Wpływ wybranych metod redukcji na moment zaczepowy maszyn wielobiegunowych z magnesami trwałymi”. ROZPRAWA DOKTORSKA. Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2019
[8] Z. Goryca, et al.: “Model of the Multipolar Engine with Decreased Cogging Torque by Asymmetrical Distribution of the Magnets.” Open Physics, vol. 16, no. 1, 2018, pp. 42–45, https://doi.org/10.1515/phys-2018-0008.
[9] I. Dudzikowski, D. Gierak: „Sposoby ograniczania pulsacji momentu elektromagnetycznego w silnikach prądu stałego wzbudzanych magnesami trwałymi”., Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 56, Seria: Studia i Materiały Nr 24, Wrocław 2004, s. 17-30
[10] P. T. Luu, J. -Y. Lee, W. Hwang and B. -C. Woo: "Cogging Torque Reduction Technique by Considering Step-Skew Rotor in Permanent Magnet Synchronous Motor," 2018 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Jeju, Korea (South), 2018, pp. 219-223, doi: 10.23919/ICEMS.2018.8549086.
[11] Z. Goryca, K. Paduszyński and A. Pakosz: "The influence of asymmetrical distribution of rotors magnets on the cogging torque of the multipolar machine: Wpływ niesymetrii rozłożenia magnesów wirnika na moment zaczepowy maszyny wielobiegunowej," 2017 18th International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering (ISEF) Book of Abstracts, Lodz, Poland, 2017, pp. 1-2, doi: 10.1109/ISEF.2017.8090767.
[12] Z. Li, J. -h. Chen, C. Zhang, L. Liu and X. Wang: "Cogging torque reduction in external-rotor permanent magnet torque motor based on different shape of magnet," 2017 IEEE International Conference on Cybernetics and Intelligent Systems (CIS) and IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics (RAM), Ningbo, China, 2017, pp. 304-309, doi: 10.1109/ICCIS.2017.8274792.
[13] Z. Zhang, Z. Wang, J. Yu,, Y. Luo, W. Yan, Y. Yang, T. Hu, D. Yu, D. & L. Wang: (2023). „Research on the influence of trapezoidal magnetization of bonded magnetic ring on cogging torque.”, Open Physics, 21(1), 20220223. https://doi.org/10.1515/phys-2022-0223
[14] R. Wrobel, M. Lukaniszyn, M. Jagiela, K. Latawiec: “A new approach to reduction of the cogging torque in a brushless motor by skewing optimization of permanent magnets.”, ElectrEng. 2003;85(2):59–69
[15] R. Herlina, Setiabudy and A. Rahardjo: "Cogging torque reduction by modifying stator teeth and permanent magnet shape on a surface mounted PMSG.", 2017 International Seminar on Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA), Surabaya, Indonesia, 2017, pp. 227-232, doi: 10.1109/ISITIA.2017.8124085.
[16] M. Caruso, A. O. Di Tommaso, S. Emma and R. Miceli: "Analysis, characterization and minimization of IPMSMs cogging torque with different rotor structures.", 2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo, Monaco, 2015, pp. 1-6, doi: 10.1109/EVER.2015.7112968.
[17] J. Gao, Z. Xiang, L. Dai, S. Huang, D. Ni, and C. Yao: “Cogging torque dynamic reduction based on harmonic torque counteract,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 58, no. 2, pp. 1–5, Feb. 2022, doi: 10.1109/tmag.2021.3093723.
[18] Zhu ZQ, Chen JT, Wu LJ, D. Howe: “Influence of stator asymmetry on cogging torque of permanent magnet brushless machines.”, IEEE Trans Magn. 2008;44(11):3851–4.
[19] D. Mazur: “Wpływ ekscentryczności wirnika oraz rozmieszczenia magnesów trwałych na wirniku na moment zaczepowy oraz elektromagnetyczny generatora wielobiegunowego wolnoobrotowego.", Przegląd Elektrotechniczny, Jan. 2014, doi: 10.12915/pe.2014.02.47.
[20] Z. Goryca, M. Korkosz, D. Mazur, R. Rossa, M. Ziółek: „Przydatność wybranych programów polowych do obliczania momentu zaczepowego wielobiegunowej maszyny z magnesami trwałymi”. Zesz. Probl. Masz. Elektr. 2014, 3, 179–18
[21] M. Michna: „Model i analiza silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi w programie FEMM 4.2” Materiały pomocnicze do przedmiotu: Projektowanie Systemów Elektromechanicznych, Gdańsk, 2014.
[22] H.N. Phyu, B. Chao: "Effect of magnetization on high-speed permanent magnet synchronous motor design,", 2012 15th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Sapporo, Japan, 2012, pp. 1-6.
[23] Z. Goryca, S. Różowicz, M. Goryca: „Stojan silnika komutatorowego.”, zgłoszenie wzoru użytkowego nr W.130602 z dnia 22.02.2022, wzór użytkowy nr W.130602 decyzja z 20.12.2022.