Construction methods of reducing cogging torque of a dc brushless motor

The article presents selected construction methods for reducing the value of cogging torque at the design stage of DC brushless motors excited by permanent magnets. Calculations using the finite element method calculation (FEM) has been performed in Flux v.10.3 packet of Cedrat company. For the two prototype motors designs experimental studies have been performed.

W pracy przedstawiono wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych dotyczących silników bezszczotkowych z zewnętrznym wirnikiem (budowa odwrócona). Przeprowadzono analizę wpływu wybranych wymiarów geometrycznych na wartość momentu zaczepowego i pulsacje momentu elektromagnetycznego. Silniki bezszczotkowe wzbudzane magnesami trwałymi z pierwiastków z ziem rzadkich w ostatnich latach znajdują coraz szersze obszary zastosowania, m.in. bezprzekładniowy napęd lekkich pojazdów zasilanych z baterii akumulatorów. Jednym z problemów, którym zajmuje się wiele zespołów badawczych [1-12], jest zmniejszenie wartości momentu zaczepowego już na etapie projektowania silnika. Moment zaczepowy powstaje w wyniku współdziałania pola magnetycznego wirnika (pochodzącego od magnesów trwałych) ze stojanem o kątowej zmienności reluktancji (nierównomierna szczelina powietrzna). Moment zaczepowy jest niekorzystną składową wypadkowego momentu elektromagnetycznego, która wywołuje pulsacje, drgania, hałas i dodatkowe straty mocy. Obliczenia momentu zaczepowego na etapie projektowania można wykonać, wykorzystując np. metodę elementów skończonych w specjalizowanych środowiskach, takich jak Flux firmy Cedrat. W pracy przeanalizowano wpływ skosu żłóbków, szerokości otwarcia żłobków, wysokości szczeliny powietrznej, wysokości i rozpiętości kątowej magnesów na moment zaczepowy i elektromagnetyczny. Badania symulacyjne zrealizowano w środowisku Flux wersja 10.3 przy użyciu modeli quasi-trójwymiarowych (2 ?D) i modeli trójwymiarowych (3D). Na podstawie wyników obliczeń wybrano i fizycznie zrealizowano rozwiązanie konstrukcyjne charakteryzujące się najmniejszą wartością momentu zaczepowego i najkorzystniejszym przebiegiem momentu elektromagnetycznego. Przeprowadzone badania eksperymentalne potwierdziły zmniejszenie wartości momentu zaczepowego i zmniejszenie pulsacji wypadkowego momentu elektromagnetycznego.