Cogging torque optimization in surface-mounted permanent-magnet motors by using design of experiment

Abstract

One of the important challenges in design of the PM electrical machines is to reduce the cogging torque. In this paper, in order to reduce the cogging torque, a new method for designing of the motor magnets is introduced to optimize of a six pole BLDC motor by using design of experiment (DOE) method. In this method the machine magnets consist of several identical segments which are shifted to a definite angle from each other. Design of experiment (DOE) methodology is used for a screening of the design space and for the generation of approximation models using response surface techniques. In this paper, optimization is often solved via surrogate models, that is, through the construction of response surface models (RSM) like polynomial regression. The experiments were performed based on the response surface methodology (RSM), as a statistical design of experiment approach, in order to investigate the effect of parameters on the response variations. In this investigation, the optimal shifting angles (factors) were identified to minimize the cogging torque. A significant reduction of cogging torque can be achieved with this approach after only a few evaluations of the coupled FE model.

Keywords: Cogging torques Design of experiment (DOE) Response surface methodology (RSM) Finite element method (FEM) PM motor

1. Introduction

Torque pulsation is one of the important drawbacks of PM motors, which results in shaft vibration and noise. Causes that lead to torque pulsation are as follows:

·         Cogging torque.

·         Harmonics of the back-EMF.

·         Saturation of magnetic circuit.

·         Current harmonics.

Cogging torque is main cause of torque pulsations and is due to interaction between the stator teeth and the rotor magnets. There are different approaches to cogging torque reduction from either machine design or control perspectives [1]. The techniques based on machine design to minimize the cogging torque by optimization of the machine’s parameters, whereas control techniques require the precise current excitations and are highly dependent on reliability and accuracy of the sensors used. Therefore, the techniques based on machine design are more effective than the control techniques. In [2], the various design measures is investigated that can be used in the cogging torque reduction, such as magnet shape and its magnetization direction, magnet pole-arc and magnetic saturation. The cogging torque reduction in SPM motors without skewing has proposed in [3–7].

بهینه‌سازی گشتاور دندانه‌ای در موتورهای آهن‌ربای دائمی سطحی با استفاده از طراحی تجربی

چکیده

یکی از چالش‌های مهم در طراحی ماشین‌های الکتریکی PM کاهش گشتاور دندانه‌ای است. در این مقاله، به منظور کاهش گشتاور دندانه‌ای، یک روش جدید برای طراحی آهن‌رباهای موتور معرفی شده که هدف آن بهینه‌سازی یک موتور BLDC ی شش قطب با استفاده از طراحی روش تجربی (DOE) می‌باشد. در این روش، آهن‌رباهای ماشین شامل چندین سگمنت مجزا هستند که تحت یک زاویه مشخص از یکدیگر فاصله می‌گیرند. روش طراحی تجربی (DOE) برای تست فضای طراحی و برای تولید مدل‌های تقریبی با استفاده از روش‌های سطح پاسخ، استفاده می‌شود. در این مقاله، بهینه‌سازی، اغلب از طریق مدل‌های جایگزین حل می‌گردد به این معنی که با استفاده از ساخت مدل‌های سطح پاسخ (RSM) نظیر روش رگرسیون چندجمله‌ای حل می‌شود. آزمایش‌ها بر اساس روش سطح پاسخ (RSM) به‌عنوان یک الگوی آماری از روش‌های تجربی به منظور بررسی اثر پارامترها روی تغییرات پاسخ، اجرا می‌شود. در این بررسی، زاویه‌های بهینه شیفت (فاکتورها) به منظور مینیمم سازی گشتاور دندانه‌ای شناسایی می‌شوند. کاهش قابل‌توجه گشتاور دندانه‌ای را می‌توان با استفاده از این روش پس از چند تکرار مدل FE به دست آورد.

کلیدواژه‌ها: گشتاورهای دندانه‌ای، طراحی تجربی (DOE)، روش سطح پاسخ (RSM)، روش اجزای محدود (FEM)، موتور PM.

1.     مقدمه

ضربان گشتاور یکی از نقطه‌ضعف‌های اصلی موتورهای PM است که باعث نوسانات شفت و نویز می‌شود. دلایل مربوط به ضربان گشتاور عبارت‌اند از:

·         گشتاور دندانه‌ای

·         هارمونیک‌های EMF ی برگشتی

·         اشباع مدار مغناطیسی

·         هارمونیک‌های جریان

گشتاور دندانه‌ای دلیل اصلی ضربان‌های گشتاور است و خود ناشی از اثر متقابل بین دندانه‌های استاتور و آهن‌رباهای روتور می‌باشد. روش‌های مختلفی برای کاهش گشتاور دندانه‌ای از ابتدای طراحی ماشین و یا روش‌های کنترلی وجود دارد [1]. روش‌های مبتنی بر طراحی ماشین برای مینیمم سازی گشتاور دندانه‌ای با بهینه‌سازی پارامترهای ماشین اجرا می‌شود در حالی که روش‌های کنترلی مستلزم تحریک دقیق جریان بوده و به شدت به قابلیت اطمینان و نیز دقت سنسورهای مورد استفاده بستگی دارند. بنابراین، روش‌های مبتنی بر طراحی ماشین نسبت به روش‌های کنترلی مؤثرتر هستند. در [2] معیارهای مختلف طراحی بررسی شده است که می‌تواند در کاهش گشتاور دندانه‌ای استفاده شود، نظیر شکل آهن‌ربا و جهت مغناطیس‌کنندگی آن، اشباع آهن‌ربا و کمان قطب آهن‌ربا. کاهش گشتاور دندانه‌ای در موتورهای SPM بدون تغییر ساختار در [3 تا 7] پیشنهادی شده است.