TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 9, September  2014, pp. 65 6 6  ~ 657 2   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i9.459 7          6566     Re cei v ed  No vem ber 1, 20 13; Re vised  Apr 19, 201 4; Accept ed Ju ne 1, 2014   Resear ch and Experiment on Electromagnetic Force  Properties of LPMBLDCLM for Electromagnetic Launch      Huilai Li*, Xi aomin Li, Zhi y u an Li   Dep a rtment of Unma ned Aircr a ft Vehicle E n g i ne erin g, Mech anic a l Eng i n e e r ing C o ll ege,    Shiji azh u a ng, P.R.Chin a, 050 003   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : oec_l j w 2 0 0 9 @ 16 3.com       A b st r a ct     In order to i m pr ove th e thrust characteri st ics of the movin g -mag net  type lin ear p e r ma ne n t   ma gn et br ushl ess DC   motor   (LPMBLDCM),  the structur al  character i stics and  mag netic   field   ar e ana ly zed.   T he influ enc e rule of el ectric al par a m eters  and struct ura l  para m eters on  the el ectro m a gnetic pr op ertie s   and thr u st perf o rmanc e are r e searc hed  by finite e l e m ent  a nalysis (F EA).  T he effect regu larity of structu r al   para m eters to  mov e r vel o cit y  and thr u st are res ear ch e d  as w e ll  as  the el ec trical para m eters.  T h e   LPMBLDCM system  is  estab lished, and s o me relevant tests were  taken to verify the correctness of   simulati on  res u lts. Si mul a tio n  a nd  exp e ri mental  resu lts s how  that the  thrust a nd v e l o city of  mover   are   affected by so me k e y p a ra meter. The r e sults w ill  sure l y  provid e the  referenc e an d  gui danc e for  the   opti m i z at ion of  electro m agn eti c  and th rust ch aracteristics of  LPMBLD CM.     Ke y w ords : LP MBLDCM, structural par a m et ers, elec trical param e ters,  velocity, thrust        Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Linea r p e rm a nent  ma gnet bru s hle s s DC  motor (L PM BDCM ) h a s t he adva n tage  of high   flux density, large th ru st, high ene rgy ef ficien cy  and simple stru ct ure,  which  i s  very  suitable to   be applie d to UAV laun ch for ele c tromagn etic catapult [1-2]. Different wi th the chemi c al  laun che r , line a r m o tor for  electroma gne tic lau n ch g e nerally  re quire hig h  voltag e, high   curre n t,  high and  con s tant thru st. The variation range of tran si ent vocility for mover is very large, and the   terminal vel o city ca n rea c h several  ten s  met r e s  pe se con d . All th ose  speci a condition req u ire   high th ru st o u tput and  en ergy effici en cy for LPMB DCM. The r efo r e, the re se ar ch of   st ru ct u r al  para m eters a nd  ele c tri c al  para m eters e ffect  ru le  are  ne ce ssary t o  promote  p e rform a n c e f o r   LPMBDCM design.  The o p timiza tion de sign  o f  stru ctural  p a ra m e ters an d ba ck-EMF  waveforms  a r e two  main ways to prom ote th rust p e rfo r m ance fo r LP MBDCM. T h e re sea r ch o f  single  stru ctural  para m eters t o  improve th e perfo rman ce con c e r n s  p o le/arc co efficient, slot wi dth, thickn ess of  iron  yoke,  wi nding  mod e pole s   stru cture. Ho weve r, t h is  optimization m e thod  h a s it sho r ta ge.  For  the other non-obje c tive   para m et ers,  they can’t  b e  optionally ch ange d in si m u lated p r o c e s s .   It must be recal c ul ated  whe n  othe r para m et ers h a ve been  ch ange d. The i n fluen ce s of gap  length, thickn ess of mag n e t, pole arc  coeffici ent,  n u mbe r  of pol e pairs to th e avera ge th rust  have b een   alrea d y di scussed  for a  dou ble-sid e d  line a r sy nch r on ou motor  used  for  electroma gne tic catap u lts i n  [3], and so me re sult are con s i s tent  with the com puted results in   [4]. For LPM B LDCM, the  optimazati on of  stru ctural para m eters  can in cre a se t he flat width   o f   trapezoidal back-EMF, so the th rust output will be sm ooth [5].    In this pap er, the rule of  stru ctural p a ra m e ters a nd ele c tri c al  para m eters to thrust  perfo rman ce  for LPMBLDCM are  re se arched by  si mulation an d  experiment.  The para m e t er   matchin g  an d optimizin g  desig n pro b l em for LPM B LDCM are  explore d  to apply small  and   middle scal e UAV laun che r , and also to pr ovide  references to cata pult desi gn.       2.Electroma gnetic Field  Model Analy s is  Figure 1  sho w s the  sim p lified di agram  o f  two  dimen s i onal  sol u tion  area  for LPM B LDCM.  To cal c ul ate  the flux de nsity in the  air- gap, the  symmetry bo unda ry co ndi tions b e twe e n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch an d Expe rim ent on Electrom agneti c  Forc e  Propertie s  of  LPMBLDCL M for… (Huil a i Li)  6567 perm ane nt magnet i s  setted. The pe rma nent mag net   regio n , air  ga p regi on, an d  slotted  stato r   regio n  are di vided in turn  along the y-a x is dire ct ion  with thre e bo xes alveola r  l a yers  boun d a ry.  The moving -magnet move r coul d only sl ip along x-axi s  dire ction.          Figure 1. The  Diagram of T w o Dim e n s io nal Solution  Area       The dist ributi on equ ation s  of magnetic fi eld for ea ch l a yer are give n as follo ws [ 6 ]:    22 22 22 22 2 2 22 0 (1 ) (1 ) xm m m xs s AA Re g i n xy AA j vn A J R e g i n xy A A jv n A R e g i n xy           ⅠⅠ ⅡⅡ 0           ( 1 )     Whe r e A is th e curl of ma g netic vecto r s and  m resp ectiv e ly denote s  the co ndu ctivity  of perma nent  magnet an d i r on yo ke;   de notes the  pol e pitch;  x v  deno tes the velo city of mover   along  the x-a x is directio n;  n is the m u ltiple  of th sp ace  ha rmo n ics to fu ndam e n tal field.  m J is   derived from the formul a (2 ).    0 () 0 / j ta t mr JM B e                                         (2)    Whe r e r B  is the  rema nen ce of  perma nent  magnet,  0  is the equivale nt angul ar velo city.  Magneti c  obt ained o u t of positio n and  the windi ng  curre n ts, a c cordin g to Am pere ' s l a w, the   mover thru st  have  been  suffered a s  formula (3 ).    VV AA FJ B d V J i j d V xx                            (3)    Ho wever, thi s  m e thod  re sults were  n o t accu rate,  for th e n o n - linea r m agn etic flux   leakage  ha not be en ta ke n into th e m o del. To  a c curately cal c ul ate the fiel d a n d  pa ram e ters for  LPMBLDCM, the ideal choi ce is the finite  element anal ysis(FEA).       3. Finite Element An aly s is and Res u lts   3.1. Model Analy s is And  Parameter Setting s   The tra n si ent  pro c e ss  of el ectro m ag neti c  lau n ch is  highly couple d  pro c e s s. T he ed d y   curre n t loss and hysteresi s  loss a r e se ri ous at  high  speed. The m u tual indu cta n ce of mover  and  windi ng  will p r esent n on-li n ear  ch ange with the diffe rent po sition a nd velo city, which i s  difficul t   to establi s h t he exa c t mat hematical mo del. Maxw ell Ans o ft  software c an  au tomatic a lly cons ider  part shap e, material pro p e rties, relativ e   po si tion a n d  other pa ra meters, whi c h co uld  solve  th e   probl em of  d i rect  cal c ul ation. The  tra n s mit dy na mic pro c e s s of  electroma gne tic lau n ch fo Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 66 – 657 2   6568 LPMBLDCM  is  re sea r ch ed u s ing  Ma xwell An soft 2-D tra n si e n t solve r  in  this p ape r.  The  influen ce of  stru ctural pa rameters a n d  electri c al  p a ram e ters to  the thru st perfo rman ce  for   LPMBLDCM  are inve stigat ed, whi c h pr o v ide foundati on for optimal  desig n.             Figure 2. Dyn a mic Simulati ve Model of  LPMBDCM   Figure 3. Section of the Meshe d  Model o f   LPMBDCM       Figure 2.  sh o w s the  mod e l  of LPMB DCM, incl uding  mover, stator,  windi ng,  tra n slatio n   domain  and  solution d o mai n . Figure 3.  shows th e  me she d  mo del o f  LPMBDCM   by FEA. It can  be seen th at the mover, d r ive coil a nd transl a tion do main a r e rela tive intensive  so a s  to e n sure   the a c curacy  of sim u lation.  The  wi ndin g   coil i s   setted   as  se rial  multi l ayer, a  total  of 4 l a yers. T he  material  of  so lution d o main  is vacuum,  a nd the  exte rn al d r ive  circui t is  esta blishe d, as  sho w n  i n   Figure 4. The current in the windi ng i s  adde by external driv e circuit, and  the voltage and  resi stan ce  va lues  can  be  setted  as req u ired.  The  si mulation tim e  is f r om  0 m s  to 15 0 m s   with   0.05 ms  step-size ch ang e.        Figure 4. The  External Driv e Circuit       The pole pit c h ( τ ), length  of air-g ap (g s), size of sl ot  dimensi on (wc, lc, h s ), si ze of PM  dimen s ion  (wm, lm, hm), and the length  of prim ary a nd se co nda ry sectio n sh ou ld be adju s te d   prop erly. Some motor pa rameters an d PM ch a r acte ristic have b e e n  sho w n in T able 1.       Table 1. Moto r De sign  Data  and PM Cha r acte ri stic  Sym bol  Item  Value  τ   p ole  p itch 60mm g s   len g th of ai r - g a p 2mm w c   w i dth of  slot  15mm  l c   len g th of slot 20mm h s   depth of slot 100mm w m   w i dth of  PM   50mm  l m   len g th of PM 90mm h m   thickness of PM 12mm L p  primar y  len g th 1.8m L s  secondar y   length   235mm   PM materi al Nd-Fe - B 0 - + 240V Label I D = V D C - V o l t age Label I D = V C 1ohm R3 1ohm R2 1ohm R1 Label I D = V B Label I D = V A Lw i ndi n g A Lw i ndi n g B 1pH L1 1pH L2 1pH L3 Lw i ndi n g C D3 D1 D5 D4 D2 D6 Mo d e l D m odel V S_ 1 M odel V sw i t ch D1 1 D3 3 D5 5 D6 6 D4 4 D2 2 V S_ 2 V S_ 3 V S_ 5 V S_ 4 V S_ 6 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch an d Expe rim ent on Electrom agneti c  Forc e  Propertie s  of  LPMBLDCL M for… (Huil a i Li)  6569 3.2 Struc t ura l  Parameters  Effec t  And  Analy s is   3.2.1. The Influence of Po le/Arc Co efficient  For LPMBL D CM the pol e / arc  coefficie n t is defined  as:     m w                                                                 (6)    To re sea r ch the influen ce  of pole/arc co effi cient on th e cog g ing force, so me con d itions  have be en lo cated  as follo w: the initial  velocity of  the mover i s  2 0  m/s; the at uating voltag e is 0   V; the mass  of mover and  load is 10 kg.  The eddy  cu rre nt effect has be en ign o red. The coggi ng  force re sults unde differe nt  pole/ arc coefficient hav e been o b tai ned,  as  sh own in Figure 5.  As  can  be  se en  from Fig u re  5, the  cog g in g  force   almo stly rem a in stationa ry an d they a r q u ite  small  com p a r ed to th ru st force o u tput.  The ave r ag of cog g ing  force  clo s ely e q ual to 0  N,  which   does not produce any effect to th rust  output, but  it will  cause t h rust fluctuati on and vel o city  fluctuation s .             Figure 5. Re sult of Coggin g  Force con s i derin Pole/Arc  Coeffic i ent  Figure 6. The  Relation ship  of Back-EMF  and  Pole/Arc  Coeffic i ent          Figure 7. Re sult of Coggin g  Force Th ru st con s id erin g Pole/Arc Coefficient       Figure 6  sho w s the  ba ck-EMF re sult unde diffe re nt  pole/a r c coefficient, wh en  the  atuating volt age i s  300V.  It can be  seen that a  ra ther la rg e width of ba ck-EMF  wave sha pe  occurs with a  100 de gre e  el ectri c al an gle  when p o le /arc co efficient i s  0.9. As the decre scen ce  of  pole/arc coefficient, the top width of  back-EMF   waveshape will become  na rrow down  and  t he  raised am plitud disto r tion  will also app ear. Figu re  7  gives the ba sic la w of a c cele ration  ch ange   whi c h differe nt pole/arc coeffici ent are con s id ere d .  The mover has differe nt acceleration   respon se  wh en the pol e/a r coeffici ent  is re spe c tive ly assu med  at 0.6,  0.7, 0.8 and 0.9. T h e   optimal accel e ration  re spo n se o c curs when t he pol e/arc  coeffi cien t approximate  at 0.7.    0 10 20 30 40 50 60 -20 -10 0 10 20 30 Ti m e  ( m s) C o gg i n g F o r c e  ( N )      = 0 . 6  = 0 . 7  = 0 . 8  = 0 . 9 0 5 10 15 20 25 -200 -100 0 100 200 Dis t a n c e  ( m ) Fi el d I n t ensi t ( t esl a )  =0 .9  =0 .8   =0 . 7   =0 . 6 0 20 40 60 80 0 5 10 15 20 Ti m e  ( m s ) V e lo c i ty  (m/s )      =  0 . 8  =  0 . 7  =  0 . 9  =  0 . 6 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 66 – 657 2   6570 3.2.2. The Influence of  Air g ap Width   As some lit eratu r have  been  repo rted t hat the  airg ap  widt h could i m p a ct the  distrib u tion  of magn etic fiel d, so th e an al ysis of   airg ap  length i s  ve ry important fo r e s timating t he  actual p e rfo r mance. The simulation con d itions  have  been lo cated  as follo w: the atuating voltage  is 2 40V; the   mass  of mov e and  load  i s  1 0 kg. Th airga p   width  gs i s   setted  from 2m m to  4 m with 1mm ste p -si z cha n g e , and the ed dy current effect ha s bee n ignored.           Figure 8. Re sults of Accele ration con s id ering Airgap  Width       The velocity cha nge s of mover are prese n ted  in accele ration tim e  with differe nt airgap   width, a s  sho w n in Fi gu re  8. The a c cel e ration  cu rve  sho w s that the move r ha s a  rathe r  larger  accele ration  from  0m s to  60ms an d a   grad ual  rollof f  until to  ze ro after 10 0m s. Thi s   ca be  explained  th at the sh ort  airga p  will  p r ovided  more  large r  field  den sity, which the maxim a l   velocity will b e com e  large  and the a c cel e ration time  will also be co me sho r t.    3.3. Electrica l Parameters  Effec t  And  Analy s is   3.3.1. The Influence of  Ac tua t ing Volta g e   Set the ele c trical p a ramete rs  of extern al   circuit  as foll ow: the  re si stance R is 0. 1ohm;  the indu ctan ce L is  40m H;  the voltage i s  setted  from  60V to 24 0V with 60V  ste p -si z ch ang e.  Figure 9. sho w s the velo cit y  accel e ratio n  results  con s ide r ing a c tu ating voltage.           Figure 9. Re sults of Accele ration con s id ering Volta g e       The tran sie n t acceleration  resp on se d oes n o t sho w  linea r rule  with the increa se of   voltage. Th mover  accel e ration  evident ly pre s ent  in crea sing  at first and th en  de cre a se to  zero   in the process. Whe n  the voltage  exce e d s 180V, the addition of thrust  in the x-axis dire ction a nd  accele ration  resp on se  are   not obvio us.  The Am pere  force   can  not  incre a se s lin early  due  to t he  saturated fiel d in the  air  gap. Th e el e c trom agn etic force i s  d e cided by  cu rrent, magn et  and  positio n a c co rding t he Am pere ' s l a w,  so the maximu m thru st doe sn’t o c curs n ear th e maxi mum  0 20 40 60 80 10 0 0 5 10 15 20 Ti m e  ( m s ) V e l o ci ty ( m /s)   g s  = 2   m m g s  = 3   m m g s  = 4   m m 0 25 50 75 100 125 150 0 5 10 15 20 Ti m e   ( ms ) Ve lo c i ty  ( m /s )     U =   60V U =   120V U =   180V U =   240V Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch an d Expe rim ent on Electrom agneti c  Forc e  Propertie s  of  LPMBLDCL M for… (Huil a i Li)  6571 drive  cu rre nt  point. The  thrust flu c tuatio n ap pea re d  d u ring  the tran sient  start  pro c ed ure  an d t h is   can b e  expla i ned that the influence of  eddy curr en t resista n ce make s the m o ver de cele rate,  whi c con c e r nes with th cha nge  rate   of coil  cu rren t. For the  gre a ter of th chang e rate, the   greate r   of the  eddy  cu rrent  re sista n ce, b u t the Amp e re force  still pl ays a  leadi ng  role  in th start  pro c ed ure, so the thru st increa se s with t he en h ancement of  the voltage  despite  a little   fluctuation a s so ciated.     3.3.2. The Influence of  Ac tua t ing Curr ent        Figure 10. Re sults of Accel e ration con s i derin Cu rren     Figure 10 sh ows the mov e r velo city curve  when t he actu ating  current alte rs so me   atypical valu e. With the  enha ncement  of actuat ing  curre n t, the max velocit y  incre a ses f r om  12.73m/s to  1 9 .52m/s, whe n  the a c tuatin g cu rrent  is 5 0 A to 140A. It can  be  seen  that the move velocity almo st sh ow lin ea r relatio n  whe n  the num b e r of ampere tu rns i s  bel ow  400. The  rate  of    mover a c cele ration is  not evidently whe n  the act uatin g cu rre nt exceed s at given  value, such as  200A for  con c erned  model  machi ne. According to  th e  schemati c  m odel, a sub s cale long  prim ary   LPMBDCM system are e s t ablished, a s  shown in Figu re11.           Figure 11. Prototype mach ine of a  sub s cale lo ng- p r i m ary LPMBDCM.       Table 2. Experime n t and  Simulation Result s for Me asu r ed T h ru st and Velocity  Voltage   () UV   48 96 144  180  216  240  Average simulation thrust ( N )   288  446  639  883  1265   1432   Average measur ed thrust ( N )   255  415  588  850  1186   1304   Max simulation velocity  (m/s )   5.24  9.26  15.32   18.06   20.66   21.28   Max measur ed v e locity  (m/s )   4.95  8.84  13.85   17.09   19.25   20.06     0 50 100 150 200 250 -3 0 5 10 15 20 Ti m e  ( m s ) V e l o c i t y  (m /s )     I  =  50A I  =  80A I  =  110A I  =  140A Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 66 – 657 2   6572     Figure 12. Th e Mover Velo city chan ge to Voltage        Simulation a nd expe rime ntal re sult s o b tained  are shown in T abl e 2. Fig u re  1 2  sh o w the comp arative chart of m easure d  and  simulatio n   velocity for the mover, and a l so the curve  of  averag e me a s ured th ru st and  simulatio n  thru st,  wh e n  the voltage  value chan g e s from 48V  to   240V.  It c a n b e  se en  th a t  th e th ru s t  ou tp u t  and   move r velo city almo st  show line a r accretio n   whe n  the act uating voltag e is blew 2 0 0 V. Ho weve r, it does not appea r exa c tly as a linear  relation.  Fo r the m agn etic field  is saturated,  the  thru st o u tp ut ca nn’t b e  promoted  if the  enha ncement  of the  voltag e. The  variati on  rule s o b ta ined from th e  expe riment  and  simul a tio n   results  are b a si cally con s i s tent. Mea n while, it ca n b e  se en that th e mea s u r ed  result s a r a li ttle   smalle r tha n   simulatio n  re sults  due to  the slidi ng re sista n ce, whi c h verify the  corre c tne s o f   simulatio n  an alysis.       4. Conclusio n    The impa ct  rule research of st ru ctural  p a ra met e r an d ele c trical p a ra m e ter on  electroma gne tic force pro pertie s  for L P MBLD CLM  are the b a s ic  wo rk fo r multi-pa ram e ter  optimizatio n desi gn and   segmente d  de sign. The   the o retical  wo rki ng p r in ciple  a nd m agn etic f i eld   for LPMBDCM are  analy z ed i n  this  pape r. The i n fluen ce rule  of stru ctural  para m eter  and  electri c al  pa rameter on  el ectro m ag neti c  p r o pertie s   and th ru st p e r forma n ce fo r LPMBL DCM  are   resea r ched  by FEA and experime n t. Simulation  and expe rim ent re sults  sho w  that the  enha ncement  of actuating voltage  can a pparently increase the move r velocity wh en the voltage   is le ss tha n  200V  and  the mini mal  singl e p r ima r y length fo multi-sta ge l aun che r   can  be   desi gne d as  1.65m for p r o posed LPMB LDCM.      Referen ces   [1]    MR Do yl e, DJ Samue l , T  Con w a y , RR Kl im o w ski. Electro m agn etic aircr a ft launc h s y st ems- EMALS.   IEEE  T r ans. Magn., 19 95; 31( 1): 528– 53 3.  [2]    D Patterson, A Monti, C Brice,   T  Bertoncelli. Des i g n  an d simulati on of  an electrom a gnetic a i rcraft  lau n ch s y stem. 37th  IAS Annu.  Meeting. 2 0 02; 3: 195 0–1 9 57.   [3]    Li yi Li, Ma Mi ngn a, Baoq ua n Kou, Qing qu an  Ch en. Ana l ysis a nd D e si gn of Movin g - M agn et-T y p e   Lin ear S y nc hr ono us Motor f o r Electrom ag netic L a u n ch S y stem.  IEEE Trans. Plas ma  Sci.,  2002;  39:   121 –1 26.   [4]    Kou Bao-Qu an , W u  Hong-Xin g , Li Li-Yi, et al.  T he  T h rust Characteristic s Investigatio n  of Doubl ed- Side  Plate  Per m ane nt Mag n e t Li near  S y nc hron ous M o tor  for EML.  IEEE Trans. Magn.,  200 9; 4 5 501 –5 05.   [5]    Yong L i , Jibi n Z ou, Yong pin g  Lu. Opti mu m Desig n   of Magnet S hap e in Per m ane nt-Magn e t   S y nc hro n o u s Motors.  IEEE Trans. Magn ., 2 003; 39( 6): 352 3–3 52 6.  [6]    K Ng, Z Q  Z h u, D Ho w e . Open- Circu it F i eld Distrib utio n  in a Brushle ss Motor  w i th  Diametrica l l y   Magn etised P M  Motor, Accountin g for  Slotting a nd Ed d y   Current Effects.  IEEE Trans.  Magn.,  19 96 ;   32(5): 50 70 –50 72.   0 50 100 15 0 20 0 25 0 30 0 0 10 20 30 V o l t age  ( V ) M a x Ve l o ci t y  ( m / s )     0 50 100 15 0 20 0 25 0 30 0 0 50 0 10 00 15 00 V o l t age  ( V ) Th r u s t  Fo r c e ( N )     S i m u l a ti o n  v e l o ci ty M e as u r ed  v e l o c i t y S i m u l a ti o n  th r u s t M e as u r ed  t h r u s t Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.