Optimization of cogging torque in interior permanent magnet synchronous motor using optimum magnet v-angle

Abstract

At present, the most important requirement in the field of electrical engineering is the better utilization of electrical power, due to its increasing demand and not-so-increasing availability. A permanent magnet synchronous motor (PMSM) is increasingly gaining popularity in various household and industrial applications because of its superior performance compared to conventional electrical motors. Purpose. PMSM is designed based on the selection of various design variables and optimized to fulfill the same. Being superiorly advantageous over other motors, PMSM has the major disadvantage of higher cogging torque. Higher cogging torque generates torque ripple in the PMSM motor leading to various problems like vibration, rotor stress, and noisy operation during starting and steady state. The designer should aim to reduce the cogging torque at the design stage itself for overall better performance. Methods. An interior rotor v-shaped web-type PMSM is designed and its performance analysis is carried out using finite element analysis (FEA). Magnet v-angle is optimized with the objective of cogging torque reduction. Performance comparison is carried out between the optimized motor and the initially designed motor with FEA. Novelty. Magnet v-angle analysis is performed on the same keeping all other parameters constant, to obtain minimum cogging torque. The proposed method is practically viable as it does not incur extra costs and manufacturing complexity. Practical value. It is observed that the magnet v-angle is an effective technique in the reduction of cogging torque. Cogging torque is reduced from 0.554 Nm to 0.452 Nm with the application of the magnet v-angle optimization technique.

В даний час найважливішою вимогою в галузі електротехніки є найкраще використання електроенергії через зростаючу потребу в ній і не настільки зростаючу доступність. Синхронний двигун з постійними магнітами (СДПМ) набуває все більшої популярності в різних побутових та промислових застосуваннях завдяки своїм чудовим характеристикам у порівнянні зі звичайними електродвигунами. Мета. СДПМ, спроєктований на основі вибору різних конструктивних змінних та оптимізований для їх виконання. Будучи чудовим у порівнянні з іншими двигунами, СДПМ має головний недолік: вищий крутний момент. Вищий крутний момент викликає пульсації крутного моменту в двигуні з постійними магнітами, що призводить до різних проблем, таких як вібрація, напруга ротора і шумна робота під час запуску і режиму. Проєктувальник повинен прагнути зменшити крутний момент зубчастого колеса на стадії проєктування для підвищення загальної продуктивності. Методи. Розроблено СДПМ з внутрішнім ротором v-подібної форми та стрижневого типу, та аналіз його характеристик виконаний з використанням аналізу методом скінченних елементів (FEA). Кут v-подібного магніту оптимізовано з метою зниження зубчастого моменту. Порівняння продуктивності здійснюється між оптимізованим двигуном та двигуном, спочатку спроєктованим за допомогою FEA. Новизна. Аналіз кута v-подібного магніту виконується таким же чином, зберігаючи решту всіх параметрів постійними, щоб отримати мінімальний зубчастий крутний момент. Запропонований спосіб практично життєздатний, оскільки не вимагає додаткових витрат та складності виготовлення. Практична цінність. Помічено, що v-подібний кут магніту є ефективним способом зниження зубчастого моменту. Зубчастий крутний момент зменшений з 0,554 Н-м до 0,452 Н-м за рахунок застосування методу оптимізації v-подібного кута магніту.