Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   12 ,  No.   1 ,  M a r 202 1 , p p.  67 ~ 79   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v12.i 1 . pp67 - 79       67       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Reduci ng to rque pul satio ns  i n PM a - SynRM:  a way fo r  improvi ng moto r perfor manc e       Percy  R .  V ie go 1 , Juli o R . Gómez 2 , Vla dimi r Sousa 3 , José  P. M ontea gudo  Yanes 4 , E nrique  C.   Qui spe 5   1,2,4 Cent er   of En erg y  and   Env iro nme nt al   Stud ie,  Univer sidad  d e Cie nfue gos,   Cub a   3 Ene rgy  Dep artme nt ,   Univ ersid ad  de   l a  Costa ,   B arr anquilla ,  Co lo mbi a   5 Ene rgy and  Me cha ni ca l   Depa r t me nt ,   Univ ersid ad  Autónom a  d e   Occ id ente,   C al i ,   Colom bi a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   A ug   3 1,  20 20   Re vised  Jan  19 , 2021   Accepte d  Ja n   2 9 , 2 0 21       Thi s  pap er  aim s  to  eva lu ate  t he  pe rform an ce  of  synchronou s  rel uc ta n ce  mot ors  assisted   by  a   per m ane n t  ma gne t  (PM a - SynR M )  foc used  on  eff i cienc y   and  torque  pulsa ti ons.   PM a - SynR M  show s  high  eff icienc y   and   p ower  fa ct or ,   com par ed  to  ind uct ion   mot o rs  (I M),  a lt hough   th e y  hav e  a   gre a te r   cost.  The se   ma ch ine s  d evelo p  re la t ive ly   h igh   torqu e  r ipple,   c ogging  to rque ,   a nd  torqu e  im balanc es.   Con seque ntl y ,   the  elec tro ma gne ti c   to rque   is   red u ce d ,   the  mo to r   te mp era tur e  is  in cre ase d ,   and  m e cha ni ca l   vibr at io ns  are   induc ed .   The   opt imal   design  of   th e   m ac hin e  stru ct ur e s  such  as  f low  b arr ie rs,   p ermane nt  ma gne ts,   and  sta tor  slo t s,  a mong  o thers ,   a ll ow   r edu ci ng  torque  pu lsat ions.   A  com par ison  is  m ade   b et we en  dif fer ent  designs  o f  the  PM a - SynR M  rep orte d   in  the   sc ie nt ific  l it er at ure ,   and  the  eff ects  on  eff i cienc y,   torque   pu l sati on,   and   oper ating  costs  are  evalua te d.   A  ca se   study   o n  the  mo tor   dri ving  th e  ai r  condi ti on er   blo wer  in   a   hot el  room   was  m a de,  to   determ in e  th e  b est   ec onom ic  var i a nt  b et wee n   IM   or  PM a - SynR M.  A   sensiti v e   a nal ysis  was  ma de   to   ev al u ate  sev era l   un ce rt ai nties.   The  adv ant ag es  of   using   one   of   the  PMa - SynR M  ana lyzed  we re   de monstra t ed.  Also,  i t   was  prov e d  th at  the   inve stme n t  is  fe asibl e   e conom i c al ly ,   al though   N PV   and  payb ac k   ar e  not   th e   best,   du e to  low   loa d  f ac to r  in   in ver te r - cont rol le d   mot ors  in ai r co ndit ione rs .   Ke yw or d s :   Coggin g  t orque   Eco nomic anal ys is   Perma ne nt ma gn et   mo t or dri ves   Synchr onous  r el uctance  mo t or  dr i ves   Torq ue rip ple   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Vladimir  S ou s a San t os   Energ y Dep a rt ment   Un i ver si dad d e  la Costa   Ca ll e 5 8 N o.55 - 66,  Barra nquil la , Co lo mb ia   Emai l:  v sousa 1@cuc .edu.c o       1.   INTROD U CTION     Ele ct ric  mo to r s  are  amo ng  the  main  c onsume rs  of   el ect ri cal   ener gy,  re pr ese ntin g  ar ound  50 %  of  world  c ons umpti on  an d  a r ound  67%  of  el e ct rici ty  co ns umpti on  in   the  i ndus tria l  sect or  [ 1 ] ,  [ 2].  D ue   to  this,   te chnolo gies  s uch  as   s olid - st at e  adju sta ble  vo lt age – fr e que ncy  c on t ro ll ers   [ 3 ] ,  [ 4]   an d  re gu la to r y  mech anism s   su c h  as  minim um   e ne rgy - ef fici ency  pe rform ance  sta nd a r ds   (MEPS )  hav e   been  im pleme nted  [ 5]  to  re duce  th e  consu mp ti on   of  el ect rical   e ne rgy  i n  t he   m oto rs . M E PS   ai m s  the  g ra du al ly   co mme rcial iz e  an d  use  mo t ors  with   high levels  of e ff ic ie nc y  s uc h as IE 4 (s up e r - premi um) a nd  I E5 (u lt ra - prem ium) [ 5 ] ,   [ 6].    The  high  de m and  to   achie ve   these  le vels  of  ef fici enc y  ha s  dri ve n  t he  de velo pm e nt  a nd  desig n  of   new  te ch no l ogie s  in  el ect ric  mo to rs.  Eme rgi ng   te c hnologi es  inclu de  permane nt  ma gn e t  sy nc hro nous  mo to rs,   sy nc hro nous  r el uctance  mo t or s ,  a nd  a  c ombinati on  of  t hese  te c hnologies  s uch  as  s yn c hro nous  re lucta nce   mo to rs  a ssist ed  by a pe rma nent  magnet ( PM a - SynR M )  [6 ] - [ 8].   PM a - S yn R M  s hows   high  e ff i ci ency  a nd  power  f act or  c ompa red  to   i nduction  mo t or s   (IM),  al t hough   they  hav e  a  great er  co st.   Both  thei r  desi gn   a nd  their  man uf act ur e  a re  co mp le x  [ 9].  F ur t hermo re ,  these   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   67   –   79   68   machine s  de ve lop   relat ivel y  high  tor que  pulsa ti on s  [10 ] - [ 12] .  The  high  tor que  pulsa ti on s  are  due  to  th e   com plex  str uct ur e  of   t he  P M a - SynR M .  F igure  1  ( a)  s hows  t he  str uctur e  of   a  P Ma - SynR M   with ou t  the   permane nt  ma gn et s  (PM )  in   place.  In  Fig ure  1  ( b),   the  det ai ls  of   t he  str uc ture  of  a  r ot or  la minati on  w it h  the  PM  i ns erte d  a r e g ive n [ 13].         ( a)     ( b)     Figure  1. Str uc tural  detai ls of  a PMa - S ynRM ,  a)  P M a - S ynR M   with ou t t he PM  i n place ,  b) Rot or lami nat ion   arr a ng e ment   w it h  de P M  in  p l ace [ 13]       The  to r qu e  pulsa ti on s  ha ve  two  main  c omp on e nts:  to rque  rip ple  an d  c ogging  to rque.   Be sides,  t hi s   machine   prese nts  imp ort ant  mecha nical   an d  ma gnet ic   imbala nces .  A s  a   res ult,   the  a ve rag e  el ect r om a gn et ic   tor qu e  is  re duc ed  [ 14],   t he  m otor  te mp e ratu re  is  increase d,  and   unwa nted   mecha nical   vib rati ons  a re  in du ce d,   causin g  noise   a nd p re mature  bea rin g  a ging   a nd  the  r ed uctio n  of  t he  li fe   s pa n  [ 15 ] - [ 19 ].  A dd it io nally,   the y  ca n  aff ect  t he  stabi li ty o f  m otor c on t ro l,  esp eci al ly at hi gh s pee ds .    Torq ue  rip ple   res ults  from   the   interact i on  betwee n  the  s patia l  ha rm on ic s   of  the  sta to r   mag netomoti ve   f or c e  a nd  t he   ai r   ga p  per me ance.   T hey  a re   hi gh,   due   to   th e  to oth e d  str uc ture   an d  the   presence   of   P M   in   the   P M a - SynR M .  S o,   i n  t his  ty pe  of  m oto r ,  redu ci ng   t orq ue  pu l sat ion   is   one  of  the  highest  pr i or it ie s   in  it s  dev el opment.   T he  per c ent  of   (%   T rip ple)  is   the   relat ion s hip  bet wee n  t he  var ia ti on s  of  t he  pea k - to - pea k  tor qu e  ( ∆T pp) t o  the a ve rag e  torq ue  ( T ave )  i n  a n  el ect ric c yc le . I t i s  giv e n by  ( 1 ) .      %     = ∆  100     (1)     In  Fi gure  2  a   tor que  wa ve  is   giv e n,  w he re:  aver a ge   to rque   is  5.1;  pea k - to - pea k  tor que   is  0.8 67  Nm,   and the  pe rcen t age  of torq ue ripp le  is  17%  [ 9].           Figure  2.  To r que  wav e  [9]       Coggin g  to rqu e  occurs  pr ima rily  w he n  the  s ides  of  the  sta t or   te et h  matc h  the  sides  of   t he   ro t or   te et h  and  a  to rque  c ompone nt  is  r equ i red   t o  br e ak  the  at tract i on  that  occ urs.   Anot her   c ommo n  ca us e  of   coggin g  tor qu e   is   due   to sligh t   as ym m et ries  in   the   m agn et ic   fiel d g ener at e d  by  t he   wi nd i ngs,   w hi ch  ca us e  v ariat ion s   in   reluctance ,  de pendin g  on  t he   r otor  po sit io n  [20].   T he   c on t rib ution  of   this  pap e r  is   the  e valuati on   of  the  performa nce  of  the   ope rati on  of  P M a - S yn R M   fo c us e d  on  eff ic ie n c y  a nd   tor que  pu lsa ti on s ,  s pecifica ll y  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Red ucin g  tor que  pu ls atio ns  i n  PM a - Sy nRM : a way   for  im provi ng  m oto r  pe rforma nce  ( P ercy R.  Vie go )   69   pro blems  of   t orq ue  rip ple  an d  co gg i ng  tor qu e  are  asse sed .  I n  se ver al   w ork s  the  op e rati on   of  P M a - SynR M   has  been anal yze d [15 ] - [ 19] , how ever,  none of  them is  an anal ys is  with the  a ppr oach p rop ose d  i n  this  stu dy.   Fir stl y,   a n  ana lysis  of   opti m iz ed  PMa - S yn RM  desi gn   di mensi on s  t o  r edu ce  t orq ue  pu lsa ti ons  is  carried   ou t.   A   co mp a rison   betwee n  dif fere nt  var ia nts  of  this   m otor  i s  ma de  t o  e va luate   the   ef fe ct s  on  op e rati onal   ch aracte risti cs  an d  a dv a ntage s  a nd  disa dvanta ge s  in  oth e r  fac tors,  inclu ding   costs.   A   case  study   on   t he  m otor  that  dri ves  th e  ai r  co nd it io ner  blower  i n  a  hote l  room  was  made,   t o  de te r mine  the  best  var ia nt:  employin g  a n  IM   or   one  of  three  P M a - S ynRM  t yp es  ob ta ined.   T he  a dvanta ges  of   usi ng   on e  of  the   PM a - SynRM   was  d e monstrate d.       2.   RESEA R CH MET HO D   2.1.   Effect s  of  r oto r desig n par am eters  on t or que pul sation s   The  most   im portant  diff ic ulty  encou ntere d  i n  the  desi gn  a nd  operati on   of  t he  PM a - S ynRM   is   to rqu e   rip ple.  W he n  s tudyin g  the  bibl iog ra phy  relat ed  to  the  reduc ti on   of  this  phenomen on,  it   is  evide nt  that  amo ng   the  de sig n  paramet ers  t hat  m or e   af fect  to rque  rip ple  is:   th e  num ber  of  r otor  fl ux  barriers,  sta tor   slot s/roto r   flu x  ba rr ie r s,  qu a ntit y  p os it ion   of  P M   an d  ins ulati on   r at ios  (kq  a nd   kd).   In   [21 ]  a   desig n  proce dure  is   dev el op e d  for  a  PM a - S ynRM   of  a  wa sh i ng   machine ,  base d  on   a   finite   el ement  s of t ware.  The   obje ct iv e  is  to   achieve  t he  be st  desig n  t hat  giv es  t he  rated   ave rag e   tor qu e  induce d,   with   mi nimal  to r qu e   ri pp le .   Th e  rated   mo to r  values   a re  1.1   N m,  563  rpm,  a nd  1.62  A  for  the   wa s hing  m ode  a nd  0.2  Nm,  13 200  r pm,  a nd  3.2   A  fo r   the s pin   mode.   The   desi gn e d  sta tor  has   36  s lots,  with   a  di stribu te d  t hr ee - phase,   4 - pole   windin g,  integ ral  slots   per  pol e.   The   co nduct or   c urre nt  densi ty  sel ect ed  wa s  4.7   A/ mm2  f or   t he  wash i ng  m od e   (which  de ma nd s   lo w   powe r) ,  an d  7.4  A/ mm 2  f or  the  s pinnin g  m od e   ( wh ic h  de man ds   high  power).   In   Fig ure  3,   t he  diagr a ms  t o  determi ne  the  best  va riant  in  te rms  of  the  num ber   of   flu x  b ar riers  ar e  show n;  an d  in  T able  1,   t he  ef f ect   that  the  num ber  of   flu x  barriers  causes  on  ave r age  to rque  a nd   tor qu e   rip ple  for  the  was hing  m ode  case  c an  be   ob s er ved.  I niti al ly,  the  sel ect ed  val ues  f or   kq  an d  kd   a re  th os e  gi ven   i n  [ 22]  as  op ti mal  ( kq   =  0,6  a nd  kd  =1 ),  wh ic h remai n  const ant  durin g  the  an al ys is.            Figure  3. Sc he me of t he varia nts w it h diff e re nt num be rs of f lux   ba rr ie rs  [2 2]       Table  1.  E ffec t o f  the  num ber  of b a rr ie r s  on the a ver a ge  t orqu e  and t orq ue  r ip ple  [ 22]   3 6  slo t stato r  ( k q   =  0 .6 , k d   = 1)     1  barrie r   2  barrie rs   3  barrie rs   4  barrie rs   Av e.  to rqu e ( N m )   0 .76 3   0 .79 5   0 .80 5   0 .82 1   Torq u e r ip p le ( % )   1 5 .07   1 3 .38   1 0 .90   9 .90       Accor ding  to  Table  1,  the  be st  var ia nt  is  th at   of   4  ba rr ie rs .  H ow e ver,  co ns ide rin g  the  di mensions  of   the  m otor   ( with  a   la mi nation  pac ka ge  of  32   mm   lo ng  a nd   11 7  mm   of   e xter nal  diamet er) ,   it   is   nece s sary  to   sel ect  o nl y 3 b arr ie rs , to g ua r antee ad eq uate  r igi d it y  a nd m echan ic al   resist ance.    In   t he  nex t  ste p,   t he  be st  isol at ion   rati os   are   determi ne d.   It  is  obta ined:  kq  =  0.9  a nd   kd   =  1,  w hich   diff e r  from  t hose  ob ta ine d  i n  [ 22].   As  f or  the  P M   to  be   inserte d  in  t he   flu x  ba r riers ,  the  best  va ri ant  is   ob ta ine d  with  t he  f ollo wing  pa rameters:  P M  typ e:   f er rite ;  nu m ber   of  P M   a nd   posit ion   pe r   po le   as   de picte d  in   Figure   4  [ 21];   PM  vol um e:   19. 12  cm 3.  T he   data   wit h  t hes e  m od el   value s  are   giv e n  in   Table  2.  With  these  resu lt s,  a  proto typ e  was  buil t.  The  e xperime n ta l resu lt s  wer e  sati sfactory.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   67   –   79   70       Figure  4. Be st  var ia nt arran ge ment  [21]       Table  2.   Sele ct ed  m odel  p a ra mete rs   Av e.  to rqu e   (Nm)   Torq u e r ip p le    (%)   Cu rr en t   (A)   Ef fic ien cy   (%)   Po wer  f acto r   (p.u .)   1 .34 5   6 .7   1 .6   69   0 .77       On e   way  to   re du ce   c ogging   tor que  is  by  pro per l y  a rr a ng i ng  t he  P M  in   th e  flu x  ba rr ie rs.  I n  Fig ur e   5,   PM   a rr a ngeme nt  f or   4  m od el s  of   a  1.8  kW,  4  pole s,  36  slo ts  PM a - SynR M   is  sho wn   [ 23] .  Table  3  s hows  t he  resu lt s  of to rqu e v al ue s.   T he o ptimum  P M a - S yn R M   ge om et r y wit hout the  P M s is  sho wn in  Fig ur e  6 [ 24].       Table  3.  T orq ue  r es ults f or th e f our  m odel s [23]   Item s     Bas ic   Mod el   Mod el 1   Mod el   2   Mod el   3   Av e.  to rqu e ( N m )   1 1 .77   1 1 .35   1 1 .73   1 1 .83   Co g g in g  torq u e ( Nm )   0 .09 8   0 .06 5   0 .17 5   0 .15 4   Torq u e r ip p le ( % )   2 1 .8   3 0 .8   1 9 .3   1 7 .6           Figure  5. P M  a rr a ng e ment  f or the  4  m odel s [23]           Figure  6. O ptimum  P M a - Syn RM  geomet r y wit hout the  P M   [24]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Red ucin g  tor que  pu ls atio ns  i n  PM a - Sy nRM : a way   for  im provi ng  m oto r  pe rforma nce  ( P ercy R.  Vie go )   71   As  ca n  be   obs erv e d  in   the   ta ble,  f or  re duci ng  c ogging   to r qu e ,  Mo del  1  is  the   best   s olu ti on  bu t   is   worth  f or   dec r easi ng   t orq ue  r ipp le . On  the   c on t rary,  t he  be st  so luti on r el at ed  to  t orqu e   ri pp le   is usi ng  M odel  3  [23].  T her e by,   the  desi gn e r  mu st  a nalyze  the  sp eci fic  si tu at ion   for  de ci din g  w hat  to   do.  A s  in  th e  case  analyze d  be fore  i n  [ 21],  th e  r otor   best   va riant  r el at ed   to  flu x  ba rr ie r   num be r  is   f our;   but  due  t o  t he   man uf act ur i ng   diff ic ulti es  an d  the  mec ha nical   stren gth ,   in  t his  stu dy  th ree - la yer  of  flu x  barriers  a re  sel ect ed.  Wh e n  t he  opti mal  flu x  barrier  ge om et ry   w it ho ut  PM   ha d  bee n  achie ve d,   t hr ee  dif fere nt  case s  a re  s tud ie d   dep e ndin g  on  t he  inse rted  P M .  In   Fig ur e  7,  the  sel ect ed  ge om et r y  for  C ase  1  ca n  be  obser ve d,   wh e re   PM   is  introd uced in  both  base a nd si de  sect ors,  and  only  i n  the i nnerm os t flu x ba r rier laye r.   The r e are three  dif f eren t  cases f or the c omparis o n:   ➢   Ca se 1   (C1):  T hr ee  P M  in sert ed  in  the i nner mo st  flu x bar rier laye r.   ➢   Ca se 2   (C2):  T hr ee  P M  in sert ed  in  the  first t wo in nermost  f lux   ba rr ie r  laye rs.     ➢   Ca se 3   (C3):  T hr ee  P M  in sert ed  in  all  the t hree flu x bar rier   la yer s.       In Table  4, s ome  p a ramete rs of t he  t hr ee  va r ia nts ( C 1,  C 2,   and C3 )  a re sp eci fied.             Figure  7. Sele c te d  r otor  geom et ry   for  Ca se  1 [ 24]   Table  4.   Some  sp eci ficat io ns   of the t hr ee  m ot or s  for  ai r  con diti on er  b l ow e rs [24]   Para m eters   PMa - Sy n RM   C1   C2   C3   Ou tp u t po wer  (kW )   0 .9   0 .9   0 .9   Av erage torq u e ( N m )   6 .38   6 .38   6 .38   Ef fic ien cy  ( %)   9 1 .81   9 3 .17   9 3 .46   Rated  sp eed (r p m )   1350   1350   1350   Op eration al sp eed  rang e  (r p m )   500 - 1750   500 - 1750   500 - 1750   Co st o f  m o to rs ( U SD)   604   639   686         Ca se  C1   pr es ents  t he  l ow e st  in vestme nt  (only   on e   la ye r  with   P M  inserte d)  bu t   ha s  the   wor s t   eff ic ie nc y;  wh i le   C3  sho ws  t he   hi gh e st  ef fici ency  bu t   ha s  t he   hi gh e st  c os t  ( the  th ree   la ye rs   with   P M  inse r te d) .  C2 is a n  inte rm ediat e case.   So, the  va riant to   be  sel ect ed  w il l dep e nd  on  a  de ta il ed  analysis .     2.2.   Effect s  of   st ator d e sign  p ar amet er s  on   torque rippl e   Althou gh  the   r otor  desig n  pa r amet ers  discu s sed  t o  determi ne  t he  gr eat est   re du ct io n  in  t orq ue  rip ple  in  P M a - S yn R M ,   the   sta to r   de sign  is   al so  i mporta nt.   I n  [ 25],  a   de sig n  i s  dev el op e d   usi ng  a   FE M  s oft war e   to   ob ta in   the   best   sta tor   par am e te rs,   from   a   te st  mo t or  of  1. 62  A,   563  rpm,  1.2   N m,  4  po le s ,  24  sl ots,  3  flu x  barriers  per  po le ,  an d  values  of   kq  =  0.9  a nd  kd   =   1.0 .  T he   ro t or   struc tu re  re mains  c on sta nt.  T he  sta tor  is   identic al  to  t ha t use d  in  a c onven ti onal   IM.  The  te st m achi ne  str uctu re is  sh ow n  in  Fi gur e 8   [ 22].     Table 5  g i ves  t he  a ver a ge of d evelo ped to rqu e an d  to rque  ripp le   values  for 1 2,   24, a nd   36  slots.  As  is   evide nt,  th e  va riant  with  36 slots is  bette r.           Figure  8. Test   mo to r  st ru ct ur e   [ 22 ]   Table  5.  C omp ariso n of t he di ff e ren t  num ber o f  slots   in a three - phas e  distrib ute d   w ind in g [ 22]   Slo t    n u m b er   Torq u e    (Nm)   Torq u e r ip p le  (%)   12   1 .6   2 9 .38   24   1 .52   3 2 .89   36   1 .54   7 .12         2.2.1.   Stat or w indi ng s   The   m os t  fr e quent   sta to r  wi nd i ng  c onfig urat ion s   in   these   m otors  a re   th e  distri bu te d  integ ral  sl ots   windin gs   a nd  the  c on ce ntrate d  f racti onal   slo ts  on e   [ 19 ] ,   [ 26] .  T he  a dv a nt ages  of  co nce nt rated  windin gs  over   the  distrib uted   ones   a re  t he   sig nifica nt  re du ct io n  in   c oppe r   volu me  and  c oppe r  l osse s  possibil it y  of  a   reducti on  i n  t he   m otor  t otal  le ng t h  [ 27];  a   de crease  i n  ma nufact ur in g  co st;   highe r  sl ot  fill s  facto r.  How ever,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   67   –   79   72   reg a rd i ng  t orq ue   rip ples,   th e  us e   of   the   con ce ntrate d  windin gs  see ms  t o  ha ve   mixed  res ults  [ 28] .  So,  gen e rall y, sta to r dist rib uted wi nd i ngs, ha ving  integral  or frac ti on al  slots  are  pr e ferred  [2 9] .     In   [25]   t he  us e   of   6  slots/ 4  pole s  and   12   sl ots/4  pole s  with  con ce ntrate d  w ind in gs,  was  e valuated .  I t   was  obta ine d  that,  f or   6  slots,   the  aver a ge  to rque  wa s  1.8  Nm  a nd   t orqu e   ripp le   44%,  w hile,  for  12   sl ot s,  th e   values  wer e  0.578  Nm  a nd   43. 25%,  re sp ect ively.  T hese  hig h  value s  caus e  that,  in  the  li te ratur e  c onsu l te d,   it   is  su ggest e d  not  to  us e  thes e  slots/ po le   c ombinati ons  f or  con ce ntrate d  or   distrib uted  wi ndin gs .  So,  it   is  pro po se d  f or  a  bette r  s olu ti on,   to  us e   a  sta to r   of  36  slots .  Also ,   tw o  var ia nts  are   co mp a re d:   sing le   an d  do ub le   la yer   fo c us e d  to  re duce  ha r monics.  T he  s econd  la yer  of   the  la st  wi nd i ng  has   a  fr act ion al   c oil  pitch .  Th e   aver a ge  t orque , th e t orq ue  ri pple , a nd it s p e r centage  f or   eac h win ding a re  giv e n  in  Ta ble  6 [25].       Table  6.  C omp ariso n betwee n a si ngle -   a nd  double - la yer   dis tribu te d win dings  for 36 sl ots   [25]   Layers   Av e.  to rqu e   (Nm)   Torq u e r ip p le   (Nm)   Rip p le   (%)   Sin g le   Do u b le   1 .54   0 .10 9   7 .12   1 .5   0 .08   5 .33       The  double - la ye r  s uppresses   the  odd  5t h,  7t h,  11 t h,   13th   ha rm on ic s.   Howe ver,  the   sin gle - la yer   has   a   fun dame ntal  com pone nt  of  hi gh e r  to rque  t ha n  in   the  doub le   la yer .   All  th is  analysis  ser ves  as   an   exa mp le   to   sh ow  th at   the  typ e  of  wi nd i ng  has  to  be  care f ully  sel ect ed  a nd   t hat  it   mu st  be  eval uated  f or   eac h  s pecifi c  case  of ap plica ti on   of the  PM a - S ynRM .     2.2.2.   Slo t geo metric  optimi zat i on   In   [25 ],   the   slo t's  geomet ric  opt imi zat ion   is  performe d.   Th e  slot  sh a pe,   t he   heig ht  of  it s  op e ning,   the   too th   bo tt om  r oundin g,  an d  the  wedge  hei gh t,   pr act ic al ly  do  no t   at   al l  aff ect   the  re su lt s,  w hile  th e  slot  op e ning  widt h  and   t he  to oth   width   a ff e ct   th em  sig nificantl y.   T he  op ti miz at ion   m et hod  use d  in  t his  stu dy  can  be  see n  i n  [ 25] . T he  m os t  relevan t  res ults o n t he  slot  openi ng a nd to oth   wi dth  a re  desc rib ed belo w.     Slot  ope ning ,  t he  slot  openi ng  ca us es  a vera ge  to r qu e  an d  tor qu e   rip ple  t o  c hange  s ubst antia ll y.   I n  Figure  9  a)  t he   slot  openi n g  i s  show n.   Table   7  [ 25]  s hows  t hat  the  small er   the  ope ning,  t he  bette r  t he  re su lt s,   al tho ug h  it   is  ne cessar y  to  a na lyze  if  the o pe ning  al lows  or n ot  the u se o f  automatic  w in ding  mac hin es ,   wh ic h  pro du ce  an ad di ti on al  sav i ng in  m otor c os t.    To oth   widt h ,  i n  [17]  an   e xp e riment  with  a   36 - slots   mac hin e  is  ca rr ie d  out,  s howi ng  th at   with  cl os ed   slots  a  to rque  r ipp le   of  13. 7%   is  pro duced ,  wh il e  for  se mi - cl os e d  sl ots  it   is  18%  a nd  f or  open   slots  22. 4%.   A   cro ss - sect io n o f  a  mo t or   with  cl os ed  slots is  sh ow n  in  Fi gur e 9   ( b)   [ 18].         (a)     (b)     Figure  9. Stat or slots  str ucture o f  P M a - S ynRM,  ( a)  Stat or  slot o pe ning  pa rameters ,  ( b) C ro ss - sect io n of  a  mo to r wit h  cl ose d  sl ots [1 7],  [18]       Table  7.   A ver a ge   a nd to rque  r ipp le   dep e ndin g on the  slot  openi ng [1 8]   Slo t  o p en in g   (mm)   Av e.  Torq u e  (Nm)   Torq u e r ip p le   (%)   4   1 .31 3   9 .52   3   1 .42 6   8 .63   2   1 .53 0   7 .12   1   1 .60 5   5 .79   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Red ucin g  tor que  pu ls atio ns  i n  PM a - Sy nRM : a way   for  im provi ng  m oto r  pe rforma nce  ( P ercy R.  Vie go )   73   Althou gh   t he  a ver a ge  to rque d ecrease s  som ewh at  w it h  cl ose d  slots ,  the  s peed   al s o  inc re ases  sli gh tl y,   so   t he  powe r  ou t pu t   is  r arel y  a ff ect e d.  Th e  same   aut hor  repor ts   that  t he re  a re  s om e   t echn i qu e s  t o  c lose  the   sta tor  slots  a ft er  t he  windin g  pro cess  us i ng  ferroma gnet ic   wedges ,  wh ic h  re duces  t he  ec onom ic   imp act .   T he   eff ect s  of  vary ing   the  t oo t h  width   a re  eval uated  by   kee pin g  t he  total   slot  area  co ns ta nt  w hile  keep i ng   e qual   the  dia mete r  of  the   sta tor .  T able  8  s hows   the  var ia ti on  of  ave rag e   to rqu e  an d  t orqu e   r ipp le   with  t he  too t h   width.        Table  8.  T orq ue  and to r qu e  r i pp le   va riat ion   with to oth wi dth   [18]   Too th  width   (mm)   Av e.  to rqu e  (Nm)   Torq u e r ip p le  (N m)   Torq u e r ip p le  (%)   4 .54 0   1 .55 8   0 .08 5   5 .46 0   4 .09 0   1 .60 0   0 .09 0   5 .63 0   3 .63 8   1 .61 0   0 .09 5   5 .90 0   3 .18 5   1 .61 3   0 .09 6   5 .95 0       2.3.   Oth er  mea sur es for red ucin g to r que  pulsa tion s   2.3.1.   Ske wing    Fo r   av oid i ng   t he  co ggin g  to r qu e  t hat  ap pea rs  w he n  the  sta tor  a nd   r oto r   to oth   si des  are   in   al ign me nt,   the  slots  sk e w  may  be  a ppli ed.   The   sk e w  ca n  be  ca rr ie d  ou t  on  the  sta tor  or   t he  ro t or,  s o  that  the  i nters ect io n  occurs   not   in   a   strai ght   li ne,  but  in   a n  incli ne d  wa y,  ma king   the   c orrespo ndin g  e ff e ct   m ore  gr a dual .   S ke wing   in  the  sta to r  i s  the  m os t  c onve ntio nal  an d  eff ect ive  met hod  of   re du ci ng   co ggin g  to rque.  Be si des,  sk e w  diminis h  tor qu e  rip ple.  H ow ever,  it   mu st  a lso  be  c onside red   t hat  this  m easur e  make s  the  windin g  sl igh tl y  longer , its resist ance incr ease s  in  pro portio n,   and  t he  ef fici ency   dec rease li gh tl y [30 ]   A no ther  di ff ic ulty is that  sk ewi ng  does   not   pro piti at e  aut om at ic   windin g  w hich  a dds   cost   in  m ot or  ma nufactu re.   Howev e r,   man uf act ur e rs   can  sta c k  th e  la minati ons,   insert  slot  li ner s ,  place  t he   coils  an d  a f te r  that,  th e  s ta ck  of   la minati on s   is   sk ew ed .  Af te r ward,   the   sta c k  is  wel ded  to   hold   it   in   place.   This   proce ss   is  esse ntial ly  i de ntica l   to con ven ti on a l man uf act ur i ng, e xce pt that  weldin g  is  do ne  after  t he  c oils are i ns erte d,   r at her  t han b e f ore.     2.3.2.   Ske w - n ot c hing   I n  [ 30]   an oth e r   meth od  is   pro po s ed   to   re duc e  the   co ggin g  t orq ue  a nd  pr ac ti cal ly  el imi nate  the   tor que   rip ple,  us in g  s kew i ng  an d  no tc hes  in  t he  sta tor  sl ots.  In  Fi gure  10,  the   sc heme  of  a  P Ma - S yn R M   with   these  char act e risti cs can be see n [30].    Figure  11  s hows  how  c oggi ng  to rque  var i es  with   dif fer e nt  r otor  posit ion s   in   a  P MA - SynR M .  The   peak  val ues  of  that  tor que,  wi th  te et h  with out  no tc hes  a nd  with  s ke wing  a nd  notc hi ng  ar e  1.2 6  N - m  a nd  0.49   N - m, res pecti ve ly.  T his  dem onstrat es t hat cogg i ng to rque is  great l y  re duce d [30].           Figure  10.  Sche me   of a  P M A - SynR M   with s kew - no tc hing in  the  stat or   slots  [30 ]       Figure  11. C ogging to r qu e  v a r ia ti on  w it h r ot or  po sit io n [30 ]       3.   RESU LT S   A ND  DI SCUS S ION S   3.1.   Ec onomic  ana ly sis: a  c as e  st udy    To  ac hieve  the   best  so l ution   f or   ob ta i ning  sa vings  in  the  ai r   conditi on e r  m otor  dri ving  blo we rs  in  a   Cub a n  beac h  hote l  hav i ng  222  r ooms,   a   cas e  stu dy  was   im plemente d.  A  c omparis on  was   stu died   to   know  t he   best  va riant:   e mp lo ying  a n  I M   or  one  of  th e  three   P M a - S yn R M   t yp es   a nalyze d  a bove  (C1,  C2,   or  C 3).  Data   of  the   la st   thre e  m otors   are   gi ven  in   Ta ble   4.  All   the   m ot or s   a re   of  90 0  W,  1350  r pm ,   eff ic ie nc y  cl as s  I E4 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   67   –   79   74   The  anal ys is  w as  accom plish ed  em ployin g  the  dif fer e ntial   net  pr e sent  va lue  ( NPV)  disc ount  meth od,   wh ic h  al lows   el imi na ti ng   e qual   ( or  quasi   e qual )  costs,   f or  exa mp le ,   instal la ti on  a nd  mainte nan ce   c os ts.  NPV  i s   cal culat ed  as   ( 2)   [ 31]:        = − 0 + ∑ ( 1 + ) = 1   (2)     Wh e re:  k0  is  t he  in vestme nt  cost,  D  is   the  t ax  rate,  n  is  t he   li fe  s pan  of  t he  in vestme nt,   i  is  the   yea r   of eval uation a nd Cf   is  the ca sh   flo w  cal cula te d  as   (3) :     = ( − −  ) ∙ ( 1 − 100 ) +    (3)     Wh e re:  I   is  t he  i ncome,  G   the  outc om e ,   t  the   interest   rate,   an d  De p  t he  depreci at ion   of  the   te chnolo gy cal culat ed  as   ( 4)   [ 32]:      = 0   (4)     Diff e re ntial   N PV   is  t he  di ff e ren ce  betw een  the  N PV   obta ined   f or   ea ch  s ub sti tuti on  opti on  anal yzed  (i.e.  P M a - S ynRM  (C 1),  (C 2),  an d  (C3))   c on cern i ng   t he  NPV o f  t he  I M .   T he  in vestme nt p ay bac k  per i od  is  the   year   (i)  for  w hi ch  NPV  =  0.   The  mai n  pa ra mete rs,   for  a  ba se  eco nomic  analysis,  a re  s how n  in  Ta ble   9  [ 24],   [33 ] - [ 37] .  K  fa ct or   is   a  c oeffici ent  ap plied  t o  the   e nerg y  c os t  f or  c onside rin g  th e   va riat ion  of  f uel  co sts  duri ng   the  li fe  s pa n,   it   has  a  nonli near  be ha vior  [34],  [35].   T he   inv e stment  cost  is  t he  c ost   of  the   m otors,  t he   economic  i ncome  is  the  e nergy  savi ngs  cal culat ed  as  t he  diff e re nce  be tween   the  e nergy  co nsum ptio n  of   t he   PM a - S yn R M   ( C 1) ,   (C 2) ,   an d  (C3)  a bout  I M ,  a nd  c onsid erin g  the  pri ce  of  el ect rici ty  accor ding  t o  t he  M 1A  ta riff   a nd   t he  k  factor   [34 ],   [ 35] .  The  outc ome s  are  the  ma intenanc e  an d  instal la ti on   cost s  that  are  el imi nate d  in the calc ulati on of t he diffe r entia l NP V.       Table  9 . Mai n para mete rs for  the stu dy   Para m eters   IM   PMa - Sy n RM  ( C1 )   PMa - Sy n RM  ( C2 )   PMa - Sy n RM  ( C3 )   Rated  ou tp u t po we r  (kW )   0 .9   0 .9   0 .9   0 .9   Ef fic ien cy  class   IE4   IE4   IE4   IE4   Ef fic ien cy  ( %)   8 6 ,5   9 1 .81   9 3 .17   9 3 .46   Rated  sp eed (r p m )   1350   1350   1350   1350   Op eration al sp eed  rang e ( rp m )   500 - 1 7 5 0   500 - 1 7 5 0   500 - 1 7 5 0   500 - 1 7 5 0   Load  f acto r  weig h ted  average    0 .45   0 .45   0 .45   0 .45   Op eration al ho u rs per year   5000   5000   5000   5000   Inv estment co st ( U SD)   555   604   639   686   Moto r  liv e sp an  ( y ears)     10   10   10   10   Electr i c tar i ff     M1 A   M1 A   M1 A   M1 A   Initial  K   f acto r   3 .9   3 .9   3 .9   3 .9   Tax ra te  ( % )   35   35   35   35   Interest  rate (%)   15   15   15   15       The  loa d  facto r  wei gh te d  a ve rag e  is  cal c ul at ed  ap ply i ng  (5)  f or  the  t ypic al   case  of   H VA C  us es ,  ta kin g t he val ue s sho wn in T a ble 10  [ 38].        = ∑  ∙  ∑    (5)     W he re   LF W A  is  the   loa d  fact or  weig hted   a ve rag e ,  PRFR  is   the   per ce nt  of   rate d  flo w   rat e,  a nd  PTS   the p e rce nt ti meshar e .       Table  10. L oa d p rofil e f or  t yp i cal  H V AC  us e s   Percent of  r ated   fl o w r ate  (%)   Percent ti m e sh a re  (%)   25   45   50   35   75   15   100   5   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Red ucin g  tor que  pu ls atio ns  i n  PM a - Sy nRM : a way   for  im provi ng  m oto r  pe rforma nce  ( P ercy R.  Vie go )   75   With  the  l oad   f act or   weig hted   aver a ge  a nd   t he   eff ic ie nc y  of   Table  6,  the  el ect rical   power   and   e ne rgy   consu mp ti on a re calculat ed  for ea ch  case  with  ( 6)( 7)(8)   [5] :      =  ∙   (6)      =    (7)     =  ∙   (8)     W he re  P out  is  the  operati onal   mecha nical   powe r,   P r  is  the   rated  ou t pu t  powe r,   Pi n  is  th e  el ect rical  powe r,   E   is  th e  ene rgy  c ons umpti on  an d  t  is  the  ope rati onal   ho ur s   pe r  year.   T he  r esu lt s  ob ta ine d  from  t he   economic  anal ys is ca n be see n  in  Ta ble 11.         Table   11. Mai n ec onomi c res ul ts   Moto r  v ariants   Diff e rential in v est m en t   (USD )   Diff e rential N PV   (USD )   Pay b ack    (years)   PMa - Sy n RM  ( C1 )  -   IM   49   5 5 .2   4   PMa - Sy n RM  ( C2 )  -   IM   84   4 9 ,3   6   PMa - Sy n RM  ( C3 )  -   IM   131   2 .02   10       Wh e re   the   in ve stment  dif fere ntial   is  the   diff e ren ce   in   the   cost   of   (PMa - SynRM   (C 1),  (C2),  (C3))   about  the  IM.   The  best  res ults  wer e  ac hieve d  with  t he  va ri ant  PMa - S ynR M   (C 1)   si nce  it   has  the  highes t  NP V   and  a   paybac k  of   f our   ye ars .   T his  is   a   go od  so l ution,  c on siderin g  the   ca se  of  a   m otor  f or  a n  ai r  c ondi ti on er  blower   dr ive n  by  a n  i nv e rter   con t ro l,   wh ic h  impli es  a n  una vo i dab le   lo w  l oad  factor.  Ac cordin g  to   [ 37] ,  base d  on   t he  ge ner al it y  of   cases  of  the  HVAC  fi el d,   w he n  the  eff ic ie nc y  gai n  m ov i ng   fro m  one  eq uipm ent  to  ano t her  m or e   e ff ic ie nt,   ma y  not  b e  e noug h  t o  j us ti fy  the   ad diti on al   i niti al   inv est me nt.   Th at   is  the   case  s how n  in  Ta ble   11.  S ince  it   is  nece ssary  to  e valu at e  the  ef fect  of   some   te ch ni cal   and   ec onomi c  uncertai nt ie s,  a   mu lt ifact ori al  sen sit ivit y  a naly sis was  done , a s it  is sho wn bel ow .     3.2.   Sen sitivi ty an alysi s    Un ce rtai nty   i n  the  eco nomic  analysis  due  to   var ia ti ons  i n  e conomic  i nd ic at or s  a nd  ot her  facto rs  has   a  ma rk e d  in flu ence   on   the   re su lt s  of  a   propose d  feasibil it y  stu dy.  For   this  reas on,  a   s ensiti vity  a nal ys is  i s   performe d  to  va li date  the  p r oposa l  in  the  fa ce  of   possible  var ia ti ons  in  th e  mo st  in flue ntial   factor s.   T he   study   analyze d  ho w  the  N PV   a nd   t he   paybac k  be ha ve  with  var ia t ion s  in  operati ng   ec onomi c  f act or s.  T he  bas e  case   is  the  P M a - SynRM   (C 1)   with  the   data  fro m  ta bles  9  a nd   10.  For  thi s   study,   the  dif fere ntial   inv est m ent  co st ,   the  an nual   ope rati on al   ti me,   a nd  the  gro wth  rate  of  the   f uel   facto r  ( facto r  K)   we re  var ie d  in  e qu at io ns   ( 2),  ( 3),   and  (4),  keep i ng  t he   loa d  fact or  c on sta nt.   T he  gro wth  rate  of   the   f uel  fac tor   is  i nd ic at iv e  of   va ri at ion s   in   the   energ y pr ic e.  T he  init ia l K  f ac tor  c onside red  in the base  cas e is 3 .9 ; i t  var i es an nual ly  by  8%  acc ordin g  t o  (9) :     = 3 . 9 ∙ ( 1 + )   (9)     Wh e re:  k  is  th e  annual  gro wt h  rate  of  the  f uel  facto r  an d  n  is  the  yea r  a nalyze d.   T he  r esult s  of   t he  analysis a re sh own  i n  F i gures  12 to 1 4 o btained  in Excel .     Figures   12   ( a )  a nd  12   ( b)  s how   the   va riat ion  of   the   N PV  a nd  t he   paybac k  on   in vestme nt,  resp ect ivel y,  to  th e  var ia ti on s  in  t he  dif fer e ntial   cost  of  in vestme nt  f or  a  grow t h  rate  of  the  K   fact or  eq ual  to   8%  a nd  50 00  hours  of   opera ti on .  As  ca n  be   seen  i n  Fi gure  12,   the  NPV  decr eases   w it h  increase s  in  the   diff e re ntial   co st,  maki ng  the   inv est ment  le ss  at tract ive.  Fo r   di ff e ren ti a l  costs  a bove  55  U SD,  the  NPV   becomes e ve n l ess than t he  i nc reme ntal i nv e stment a nd the  paybac k peri od is great er t han 4   yea rs.   Figure  13   ( a)  and   ( b)   pr ese nt   the  var ia ti on  of   NPV  an d  pa yb ac k,   res pec ti vely,   be f or e  var ia ti ons  in   the  K  facto r  grow t h  rate  of  8  %  f or   a   dif fer e ntial   cost  of  49   USD  a nd  5,0 00  hours  of  ope rati on.  Fig ure   13  ( a )  sh ows   that   inc r eases  in   e nerg y  pri ces  (th r ough  i ncr eas es  i n  K)  le ad   to   inc r eases  in   NPV.   Howe ver,  it   ha s  li tt le  influ e nce  on th e p a yb ac k (as  s how n  in  Fig ure  13  ( b).    In  Fi gure   14   ( a )  a nd  ( b)  ca n  be   see n  va riat ion s   of   NPV   a nd  pa ybac k,  res pe ct ively,   relat e d  t o  an nual   op e rati onal   ti me  f or   va riat ion s   in  the   K  f act or   gro wth  r at e  of   8  %  a nd  a  diff e re ntial   cost  of  49  U SD .  The  op e rati onal   ti me  has  t he  sa me   eff ect   on  NPV   as  the  va riat ion   in   the  pri ce  of  e nergy  de picte d  in   Fig ure  14  ( a).   Fo r   operati ona l  ti mes   of  le ss   t han  5000   h/ yea r,  the   pa ybac k  reaches   unat tra ct ive  ec onom ic   val ues   as   s hown  in   Figure   14   ( b).   This  sensiti vit y  a nal ys is  dem on st rated   that   in  t he   case   of   a ir  c onditi on e rs ,  th e  st udy  m ust   be   handled  care f ul ly.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   67   –   79   76     (a)     (b)     Figure  12. Vari at ion   of NPV  a nd p a yback  vs.  d if fer e ntial  cost ,  ( a ) NPV,  ( b)  paybac k         (a)     (b)     Figure  13.  Var i at ion   of NPV  a nd p a yback  vs.   K   facto r  i ncr e ase rate,  ( a)  NPV,  ( b) p a ybac k         (a)     (b)     Figure  14. Vari at ion   of NPV  a nd p a yback  vs.  operati onal  ti me  ( a )  NPV,  ( b) p a yback       4.   CONCL US I O N   An al ys is  of  diff e re nt  desi gn  el eme nts   and  st ru ct ur al   opti miza ti on  of   P M a - Syn RM   al l ow e d  dem onstrat in g  that  t he  redu ct ion   of  to r que  pulsa ti ons  c an  be   achie ve d  by  a dju sti ng   the   num ber,  sh a pe,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.