Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   6 ,  Decem ber   201 9 , p p.   5060~ 5067   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v9 i 6 . pp5060 - 50 67          5060       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Tor qu e im provem ent of  PM mo t or with semi - cy cle st ato r    design u sing 2D - fini te elem ent a n alys i s       Kwan g  T.  C . , Mo hd  Lu qm an M ohd  Ja mi l , Auz an i Jidin   Pow er  El e ct ron i cs  and   Dr ive   R ese arc h   Group (PE DG ),   Univer sit i   Te knik al   Ma lay s ia   Me la ka ,  M al a y sia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   A pr   4 , 2 01 9   Re vised  Jun   2 7 , 201 9   Accepte d  J ul  7 , 201 9       Thi s  pape r  pre se nts  sizi ng  appr o ac hes  to  improve  output   torque   per form ance   in  PM   m otor  w hen  par t ia l  st ator  bod y   is  r emoved.   As   the   o utput   torqu e   per form anc e   is  dire c tly   propor tional  to   th e  e le c t ric   lo adi ng ,   Q,   m odifi ca t ion  on  stat or  geometr y   aff ec ts  th e   output   torque  per form anc e  a nd  spec ial   proc edur es  h ave  to  be  ta k en   to  r estore   th e  d esired  output   to rque   ca pab il i t y .   Influe nc es  of  split   ra ti o,   toot h  b od y   width ,   ai rg a p  and  m agne t  t hic kness  of    m agne t  in   PM   m otor  with  as ym m et ry   st a tor  design  ar e  ca rri ed  out   an d   the   per form an ce  ver ifica t ion  ar e   ref err ed  to  the  bac k - emf,  av er age   outpu t   torque ,   torqu e  ri pple   as  well   as  coggi ng  torque .   From   the   inve stiga ti on  using     2D - Finit e  Elem e nt  Anal y s is,  opt i m um   size   of  tooth  bod y   width  an d  opti m um  num ber   of  coi l  t urns  result   better   output   torqu e  while   oth er  siz ing  appr oac h es   result   no   si gnific ant   cha ng e  as   qu ic k  sa tura t ion to ok  place .     Ke yw or d s :   Ov e rall  w ei gh t   PM  m oto r   Sem i - ci rcle sta tor   Torq ue den sit y   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Mohd L uqm an  Mohd   Jam i l,    Power El ect ronics a nd   D rive s Resea rc h Gro up ( P ED G) ,   Un i ver sit i Te knikal M al ay sia  Mel aka,    Hang T ua h  Jay a, 76 100 D ur ia n  T unggal , Me la ka,  Mal ay sia .   Em a il : l uq m an@ utem .ed u. m y       1.   INTROD U CTION   Perm anen t  m a gn et   (P M )  brus hless  m oto rs  ar e  fa vorab le   in  industries  due  to  sim ple  con st ru ct io n  le d  to  li gh t - wei ght,  reli abili ty ,  high  e ff ic ie nc y,  high  t orq ue   de ns it y  as  well   le sser  no ise   ge ner at io n  [ 1 - 5].  Accor ding  to  ba ck - em f  prof il e,  PM  m oto rs  are  com m on l y  cat egorized  int o  tw o  ope rati ng  m od es,  BL D C  and   BLAC, where the  BLDC   m od e  m ay   of fe r  hi gh   e ff ic ie ncy and  hi gh  out put  tor qu e   pe rfo r m ance  as  c ompare d  t o  the  BLAC  m od e  f or   a  giv e n  desig n  [ 6].  Conve ntion al ly ,   BLDC  m oto rs  with  ra dial  f lux   or ie ntati on   and  equ i pp e d  with  Neodym iu m   Ir on   B oro n  ( NdFeB)  pe rm anen t  m agn et   on   r otor  res ults  superi or   el ect r om agn et ic   char act e risti cs  at   on - l oad   a nd   hav i ng   rob us t  perform ance  [7 - 9].  Howe ve r,   un op ti m iz ed  desig n  pa ram et ers   m ay   cause  pe r form ance  de gradati on  i.e  l ow  powe r - to - w ei gh t   rati o,  lo w  e ff ic ie ncy,   low  to rque  de nsi ty   bu t  hav i ng   bulky  s iz e.  Fo r  a n  a ve rag e  t orqu e  im pro vem ent,  vari ou s  to polo gie s  relat ed  to  ge om et ry  m od ifi cat ion   su c h  as  hav i ng  holl ow   i ron  r otor,  sli m m er  too t h  body  wi dt h  an d  back  ir on  wi dth   for  a   high  nu m ber   of   c oi l  tur ns ,  sm al le r  and   asy m m e tri c  ai r  gap   [ 10 - 12] .  On   r ot or   de sign   side ,  pole   e m br ace,  sh a pe   of   m agn et ,  m agn e t   sk ew   an d  ty pe   of  m agn et iz at ion   i.e  par al le l  and   hallba ch  wer e  am ong  popula r  ste ps  to  e nh a nce  ou t pu t   aver a ge  t orq ue   [ 13 - 15] .  By   ha ving  pro per  m agn et   geo m et ry  an d  par al le l  m agn et iz at ion ,  a   decen tr ed   m agn et  ro t or   res ults  a  relat ive  hi gh  of  fl ux  den sit y,  aver a ge  t orq ue   an d  e ff ic ie ncy   [ 16 ] .   F or   a  li m it ed  m oto r  volum e,  determ inati on   of   s plit - rati o  a lso  en ha nces  e le ct ro m agn et ic   tor qu e  ca pa bili ty   altho ug h  m a gn et ic   an d  el ect ric  loadings   are   cr ucial   in  t he  fir st  place  [17].  Accor ding  to   [ 18 ] ,   opti m iz at i on  of  m agn et   f racti on,  sl ot  op enin g,  ai rg a p  le ngth,  t oo t h  bo dy  widt h,   m agn et   thickne ss  an d  num ber   of   c oil  tur ns  resu lt   sig nifi cant  i m pr ovem ent  in  tor qu e  perfor m a nce.  A  dete rm inati on   of   s pecific  ai rg a p  thickne ss  sho ul d  no t  be  ig no red   as  it   pr ovi des  a   correla ti on b et ween t he  m otor to rque  pe rform ance and c ost .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       To r qu e  im prov emen t  of P M  motor  wi th se mi - cycl e stator de sign usi ng 2D - fi nite el emen t.. .   ( Kw ang T.  C )   5061   In  this  a rtic le ,  furthe r  in vesti gation  on  the   de velo ped  proto ty pe  as  i n  [ 19,   20 ]   is   car ried  out  usi ng  by  2 - D  Fi nite - Ele m ent  An al ysi s.   I nf lue nces   of  sp li t  rati o,  sta tor   to oth   body  width,  ai r ga p  t hick ne s s  a nd  m agn et   thickne ss  res pe ct ively   are  include d.   T he  in it ia l   m oto r  des ign   with  hem i cy cl e  sta tor  and   co nv e ntio nal  SPM   ro t or   was  aim e d  to  r e duce  ov e rall  m oto r  we i gh t  with ou t  sac rifici ng ove rall  torq ue per for m ance.       2.   ANALY SIS  O F PAR AM ET R IC  D E SIG N S   Du e   to  sym m e tric   3 - phase  w ind in g  m m f  vector s,   m oto r  with  slot  num ber,  N s   is   eve n  is  the   best   cho ic e as c ompare d  the m oto r  with  N s   is odd.  T he  rem ai nin g part  of  stat or bod y st il l can g ive a b al a nce d  m m f   vecto rs  with  120°  ph a se  displ ace m ent  as  al l  three  phases  windin gs   a re  s ti l l  visible  as  s how n  in   Fig ur e  1b.   The  dash   li nes   represe nt  set   of   c oils  that  ha s  bee n  rem oved  as  sem i - cycle  sta tor  desi gn   is  im ple m e nted .     Wh il e  for od d sl ot num ber , the  m m f  vector s  are  no t  balance d  as  alm os t on ly  o ne  phase  lef t.             (a. 1) .   N s   = eve n (D esi gn 1,  12 - sl ot)     (a. 2) .   N s   =  odd (9 - slot)   (a)             (b.1).  Ns  =  e ve n (D esi gn 1)     (b.2).  Ns  =  od d   (b)     Figure  1. Eve n  N s   vs   od d  N s ,   ( a)  Desig n  la yo uts,  ( b) Mm f  ve ct or s       2.1.    Spli t  Rat i o   In   m oto r  desi gn   per s pecti ve ,  el ect ro m agn et ic   torque  perform a nce  i s  directl y  pr oport io nal  to   the  square  of   m oto r  diam e te r,   D 2,   axial   le ng th,  La ,  el ect rical   load ing ,  Q  an d  m agn et ic   load ing ,   B.   Fo r   an   opti m u m   torque  perform ance,  a  good  c om pr om ise   betwee n  the   sta tor  ou te r  diam et er,  D  a nd  the  m ot or   axial   le ng th  of  m oto r  is  nee de d.   Howe ver   hi gh   qu a ntit y  product  of  el ect r ic   and   m agn et ic   loadings  is  a   m us t   wh e n  big  siz in g  beco m es  a  m ai n  co ns trai nt   i n  order  to  ac hi eve  high  to r que  an d  high  power  de ns it y.  I n  m any   cases  w he re  li m it a ti on s  on  sl ot  fill   fact or ,   sl ot  de pth,  t herm al   factor   a nd   coil  cu rrent  de ns it y  exist,  a   relat ive   low  of  el ect ric  loading  is  una vo i ded.  I n  oth e r  way,  a  sp eci f ic   m axi m u m   flux   distrib utio n  (leadin g  to  a  li m it ed   qu a ntit y  of  m a gn et ic   l oad i ng)   betw een   the   r otor  s urface  a nd  sta to r  te et h  is  nee de d  t o  a vo i d  high  s at urat io n  conditi on.  W it h  a  high  el ect ric  an d  m agn e ti c  loadings,   a   highe r  nu m ber   of  c oppe r  t urns   m ay   al so   aff ect   the  sp li t  rati o  as  high  el ect ro m agn et ic   pe rfor m ance  is  do m inate d  by   the  el ect ric  and   m agn et ic   loadi ngs   resp ect ively .  T able  1  ta bula te s  the  param et ri c  sp eci ficat ion  of   Desig n  1  over  diff e re nt  sp li t  rati os .  The   ph a s e   current  of  10  A  rem ai ns   in  al l  con diti ons.   A  relat i on   be tween  the  sta tor  in ner   diam e te r,   D  to  sta to r  ou te r   diam e te r,  D s   is  expres sed  as  ( 1).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 9  :   50 60   -   506 7   5062   Ds D   (1)       Table  1 .  Param et ric sp eci ficat ion s  ove r  s plit  ra ti os                             Pa ra m ete r                              Sp ecif icatio n s   Sp lit r atio   0 .5   0 .55   0 .6   0 .65   0 .7   Stato r  o u ter  d ia m et er  ( m m )   120   Stato r  in n er  d ia m et er  ( m m )   60   66   72   78   82   Too th  bo d y  width  ( m m )   1 1 .5   1 2 .4   1 3 .1   1 3 .4   1 4 .2   Stato r  b ack iron  ( m m )   5 .3   5 .6   6 .7   6 .6   5 .6   Slo t dep th  ( m m )   21   1 7 .4   13   1 0 .3   9 .4   Nu m b e r  o f  coil tu r n s   130   118   104   89   74   Ax ial leng th  ( m m )   20   Magn et thick n ess  ( m m )   5   Airgap  leng th  ( m m )   1   Slo t op en in g  ( m m )   1 .1   Too th  tip th ick n ess  ( m m )   3 .3       2 . 2.      T ooth   body  w idt h   Fo r   a  giv e n  m otor  siz e,  num ber  of  c oil  tur ns   i n  eac h  sta t or  slots  is  i nf l uen ce d  by  th e  slot  fill   area.     A  sp eci fic  slot  area  te nds  to  li m it   the  nu m ber  of   c oil  tur ns   a s  it   al so   dep e nds  on  the  a vail abili ty   fr om   stan da r d  m anu fact ur i ng.   As  the  sp irit   f or   high  el ect ric  loading,  the  dim ension   of   sta tor  to oth   bo dy  width   in  Desig n  1  is   inv est igate d.   I n  earli er  desi gn,   th e  m oto r  de sign   with  s plit   rati o  0.6  a nd   too t h  bo dy  w idth  of   13.   1mm   is   inv est igate d.   B y  ref err i ng   t o  Table  2,   for  an   op ti m u m   nu m ber   of   c oil  turns,  the  too t h  bo dy  reduce s   gr a du al ly   and   res ults  bigger  sl ot  area  a nd   highe r  num ber   of  coil  tu r ns   in  t he  sta to r   slots.  T he  tota l  area  co nduct or   pe r   slot  is  cal culat ed  f or  gi ven  spe ci fic  sta tor  to oth  bod y width   where  t he  sat urat ion   e ff e ct   is  ignore d.  W hile   ot he r   m oto r  dim ensi on is m ai ntained.   All de sig n  is  then re - analy s ed by usi ng  2D - Finit e Ele m ent A naly sis  by tak ing  into acc ount t he  satur at io n co nd it io n.       Table  2.   Influe nce  of to oth   bo dy w i dth   on  num ber  o f  c oil t urns                      Pa ra m eter                              Sp ecif icatio n s   Too th  bo d y  width  ( m m )   9 .1   1 0 .1   1 1 .1   1 2 .1   1 3 .1   Nu m b e r  o f  coil tu r n s   152   144   136   138   104       2.3.   Airg ap   t hick n ess     The  ai rg a p  t hi ckn e ss  betwee n  sta to r  a nd  rot or   m ay   var ie s  accor ding  t o  t he   m oto r  siz e.   An  opti m u m   ai rg a p  siz e  m a y  resu lt   hig h  a irga p  flu x  de nsi ty ,  a  relative  l ow   c ogging  to rque  an d  hi gh   tor qu e  perform ance .   As  the  ai r ga p  beco m es  narrow ,  the  m oto r  resu lt s  high  va lue  of  phase  inducta nce  a nd  offe rs  high  ou t put   tor qu e .  H owe ver,  hi gh  co ggin g  to rque  a nd  seve re  i n  vibrat ion   are  t he  dr a wb ac ks   for  the  sm alle r  ai r ga p  dim ension   if  s lot - ope ning  siz e  rem ai ns   un c hange d.   With  the  sp i rit  to  ac hieve  hig h  outpu t  t orqu e   an d  lo w   coggin g  t orq ue , th e ai rg a p  t hickn e ss is i nv es ti gated  by  va ryi ng   from  0 .5 m m   to 1  m m  in  Desig n 1.      2.4   Magne t t hick ness     In   ra dial  flu x  m oto r,   the  N dFeB   pe rm anen t  m agn et   ha s  ga in  po pu la rity   du e   to  high  c oe rcivit y  an d  high  rem anen c e  [ 21 ]   c ha racteri sti cs.  T he  NdFeB  PM   pa rall el ly   m agn et iz ed  is  m ounted   with   unit y  pole   e m br ace  on  ro t or   s urface.   F or  high  m agn et ic   flu x  de ns it y,  a n  opti m u m   m a gn et   t hick ness  sh oul d  be  pro pe rly   cal culat ed  to  a vo i d  pote ntial  o f  se ve re  sat ur at ion   that  in herentl y  lim it s  the   ou t pu t  to r qu e . A s  m agn et   thickne ss   increases ,  the   m oto r  res ults  hi gh  flu x  de ns it y  an d  high  el ec trom agn et ic   to rque.   A n  i nves ti gation  is   car ried  out   with a  va riat ion   from  5  m m  t o 8 mm  w hile othe r  m oto r pa ram et ers  rem a i n un c ha ng e d.       3.   RESU LT S   A ND  A N ALYSIS     3.1.    Spli t   r ati o   Ph ase  back - em f  of  al l  desig ns  are  show n  in  Figure  2(a)  w he re  the  pre dicti on   is  ob ta ine d  at   100  r pm  rated  s pee d.   T he  peak  bac k - e m f  for  or i gina l  Desig n  1  ( γ   =  0.6 )  is  3.2 V.   As  t he  s plit   rati o  beco m es  bigger ,   the  pea k  phas e  back - em f  is   theoret ic al ly   reduce d  due  to  sm al l   sta tor  slot   area  an d  nu m ber   of  c oi l  turn s .   Fo r  sp li t  rati o  0.7  in  Desig n  1,   the  pea k  ba ck - em f  reduce s  18%  f ro m   the  init ia l  design  to  2.6 V.   All  desig n  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       To r qu e  im prov emen t  of P M  motor  wi th se mi - cycl e stator de sign usi ng 2D - fi nite el emen t.. .   ( Kw ang T.  C )   5063   ind ic at e  a  trapezo i dal  curre nt  is  a  bette r  cand idate   th an  sin us oi d al   excit at ion   cu rr e nt  for  a  con sta nt   el ect ro m agn et ic   torque.   Ba se d  to  Fig ure  2( b),  the  rise  of   m ulti ple  har m on ic   or de r  i.e.  3 rd   an d  5 th   dep ic ts   den te d peak s a nd no n - si nuso i dal pr of il e.    Com par ison s   of  co ggin g  to r qu e   an d  a ve ra ge  ou t pu t  t orq ue  ov e r  var i ous  s plit   rati os  a re  s how n  in   Figure  3.  F or   coggin g  to r qu e   as  in  Fig ur e  3(a),  t her e  a re  only   two  cy cl es   exist  over  360°   el ect rical   de gr ee s   instea d  of   12  c yc le s  fo r   the  previ ou s   ori gin a l  desig n.   It  can   be  see n  that  t he  or igi nal  De sign   1  has  a  pe ak - to - peak   c oggi n g  t orq ue  of  1.0  Nm .    The  peak   of  co ggin g  tor que  increase s  wh e n  the  s pl it - rati o  increas es  an d   the h i gh e r  t he c ogging t orq ue  m a y ca us e  higher  torq ue rip pl e and un wan te d vib rati on ex i st.    Fo r   the  t orq ue   perf or m ance  as  in  Fi gure  3(b ),   t he  a ver a ge   outp ut  to rqu e   te nds  to  be  l ow e r  wh il e  hav i ng  hi gh  to rque  rip ple  esp eci al ly   wh en  s plit - rati o  inc re ases  bey ond  0.6.  T he  Desig n  1  re su lt s  a n  a ve rage   tor qu e  of  4.8 N m  an d  60% t orqu e  r i pp le   for  a  sp li t - rati o o f 0 .6 .           (a)   (b)     Figure  2. Ba ck - em f,  ( a)  Ph a se  b ac k - em f,  ( b)  Har m on ic s  c om po nen ts             (b)   (a)     Figure  3. Co gging  t orq ue  a nd  ou t pu t t orq ue,   ( a)  C oggi ng to rque,   ( b)   A ver a ge  to r qu e  and  r ipp le       3.2.    To oth B ody  Width   Figures  4(a)  de picts  the  peak   ph a se  bac k - em f  of   al l  desig ns  ov e r  var i ous  width   of   sta to r   too th  bo dy.   Wh e n  the  sta to r  too t h  body  w idth  cha nges  to  9.1m m ,  the  peak   3V   of   t he   or igi nal  Desig n  1  is  the n  inc reased   by  43%  res ulti ng  4.3 V.   The  m oto r  is  capa ble  to  have  la rg e r  slot  a rea  and  hi gh e r  num ber   of   c oil  tur ns   i f   thinn e r  t oo t h  body  widt h  is  c on si d ere d,  but  this  will   cause   the  m oto r  sat urable  easi ly   due  to  high  qu a nt it y  of  el ect ric  loading.  A  quasi - pha se  current  is  a   bette r  ch oice  as  the  bac k - e m f  pr of il e  cl ose r  to  the  tra pe zoidal   form   instea d  of  sinu s oid.  Acc ordin g  to  Fig ure  4( b),  sm al le r   sta tor  too th  body  width   i.e  9. 1  m m   resu lt   hi gh e st   fun dam ental   c om po ne nt  an d  ind ic at es  de nted  peak s  as   the  rise  of   h ig her   m ulti ple  order   har m on ic s .   Fo r   co ggin g  t orq ue,   it   is  f ound  t hat  there   is  no  sig nific ant  achie vem e nt  w he n  to oth  body  width  is  var ie d.  Gen e rall y,  lo w   co gg i ng  to rque  m ay   cause  low  rip ple  on  ou t pu t  t orq ue  excep t  t her e   is   m is m at ch  between   back - em f  and  excit at ion  c urr ent du rin g  c omm uta ti on .     Stat ic   torque   pe rfor m ance  of  al l  desig ns   w he re  the   m oto rs  are  e xcite d  with  tra pez oid al   phase  c urre nt   of   10  A  a re  s how n  i n  Fi gure   5(b ).   For  th e  or i gin al   Desig n  1,   a n  a ve rage  tor que  of   4.8 Nm   and   60%  t orq ue  rip ple  are   obta ined .  A  higher   aver a ge  t orq ue   is  obta ine d  w hen  hi gh e r  c oil  tur ns   is   occ up ie d  as  t he  to ot h  body  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 9  :   50 60   -   506 7   5064   width   getti ng   t hinner  bu t  un wan te d  quic k  s at ur at io n  m a y  app ea rs.   F or  a  giv e n  to oth   bo dy  width   of   11 .1 m m ,   the  m oto r  res ul ts  an  inc rease  of   a ve rag e   tor qu e   by  19%,  e qu i valent  to   5. 7  Nm   bu t  with   55. 6%  to rque  rip ple   too .  T heoreti cal ly , car e sho uld be ta ken du rin g  e xcita ti on  t o avo i d qu ic k  sat ur at io n  e xists.            ( a)   (b)     Figure  4. Ba ck - em f,  ( a)  Ph a se  b ac k - em fs,  ( b)  Ha rm on ic s  co m po nen ts             (a)   (b )     Figure  5.   Co gging  t orq ue  a nd  ou t pu t t orq ue,   ( a)  C oggi ng to rque,  ( b)  Stat ic  torq ue       3.3.   Airg ap  T hick ness      The   infl ue nce   of  ai r ga p  thic kn e ss  on  the   pro posed   de sig n  are  s how n  i n  Figures  6  –   7.  In  ge ner al ,   the  bigger  the   ai rg ap,   the  s m al le r  back - e m f   is  ob ta ined.     Howe ver,   th e  sit uation  rev erse  as  s how n  in   Figure  6( a ).   For an ai r gap of  0.5 mm , th e p ea k of   bac k - em f  increase s  up  t o 11% res ulti ng  3.34 V  as c ompare d  to  the  act ual  de sign.  Acc ordi ng   t o  Fig ur e  6(b ),   the  0.5m m   ai rg a p  res ults  a  su pe rio r  f un dam ental   co m pone nt  back - em f.   All  desig n  s hows  den te d  pea ks   a s  higher  m ultip le   orde r  ha rm on ic s  e xists.  Si m il ar  to  Figu r e  5( a ) ,   the  co ggin g  t orq ue  in  Fig ure  7(a)   res ults   n o  sig nifica nt   change  i n  pe ak - to - peak  m agn it ude.   A s  ai rg a p   dim ension   bec om e  nar row,   t he  pea k  c oggi ng   t orq ue  incr eases  res ulti ng  higher  t orqu e   rip ple  an d  un wan t e d  vibrat ion  in  as ymm et ry  m oto r  de sig n.   I n  te rm   of   outp ut  t orq ue  perform ance  as   in  Fig ur e   7(b ),  th e  a ver a ge   tor qu e  and t orq ue rip ple are  r e la ti vely  co ns ta nt and t he 0. 5 m m  airg ap  is st il l t he  best c ho i ce.            (a)   (b)     Figure  6. Ba ck - em f  analy sis, ( a)  Ph a se  back - em fs,  ( b)  Harm on ic s  com po nen ts   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       To r qu e  im prov emen t  of P M  motor  wi th se mi - cycl e stator de sign usi ng 2D - fi nite el emen t.. .   ( Kw ang T.  C )   5065       (a)   (b)     Figure  7.   Ele ct ro m agn et ic  to r qu e   analy sis,  ( a)  Co ggin g  to r qu e , ( b)  Av e ra ge  to r qu e  and  r ipp le       3.4 .   M agne t T hickness   It  is  fou nd  tha t  the  infl uen ce   of   m agn et   thi ckn e ss  is  relat ively   si m i la r  to  the  i nf l uen c e  of   ai rg a p  thickne ss.  As   sh ow n  i n  Fi gure  8,   t he  Design  1  is  init ia ll y  equ i pp e d  wi th  5mm   m agn et   thick ness  w her e   the  pea k  back - e m f  is  3.0  V .  Fo r   a  m agn et   thick ness  of   8  m m ,  the  peak   back - em f  in c re ases  by  4%  res ulti ng  3.12   V.   T he  infl uen ce  of   m agn et ic   loa ding,  B  due  to  m agn et   vo l um es   resu lt s  hi gh e r   m agn et ic   interact io n  betwee n  m agn et   an d  slot  pe r m eance,  this  can  be  see n  in  Figure  9(a)  w her e  al l  bigger   thickness  of   m agn et   resu lt s   hi gh e r  coggin g  to rque .  For  exam ple,  the  Desig n  1  t hat  co gg i ng   to r qu e  of   0.9  Nm  exp e riences  a  sli gh t  increase  of c ogging to r qu e  as  1.2 Nm  w hen  m agn et  thic kn e ss is   8 m m .     In   te rm   of   ou t pu t  to rque  pe r form ance  as  i n  Fig ur e  9(b),   the  aver a ge  tor que  is  relat i vely   con sta nt  wh il e  the   tor que  ri pp le   grad ually   increases .  I n  the   earli er   sta nd a r d  design,  the   m oto r  dev el op e d  a n  aver a ge   tor qu e o f  4.8 Nm   and   60%  t orqu e ripple . A s m agn et   thick ne ss  increase s  to  7  m m ,  qu ic k  sat ur at io n  oc cu rs  an d  lim it s  the  avera ge  to rque  inc rem ent  up   to  4%  on ly .  It  is  fou nd   t hat  the   5mm   m agn et   thickne ss  rem ai ns   as   the b e st si ze .            (a)   (b)     Figure  8. Ba ck - em f  analy sis, ( a)  Ph a se  back - em fs,  ( b)  Harm on ic s  com po nen ts             (a)   (b)     Figure  9.   Ele ct ro m agn et ic  to r qu e  an al ysi s, ( a)  Co ggin g  to r qu e , ( b)  Av e ra ge  to r qu e  and  r ipp le   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   6 ,  Dece m ber  2 01 9  :   50 60   -   506 7   5066   Table  3  ta bu la te s    pr edict ed  resu lt s  of  back - em f,   cog gi ng   tor qu e ,  aver a ge   ou tp ut  tor que  and   tor qu e   rip ple  over   sel ect ed  siz in g  pa ram et ers.   It  co m fir m s  that  only   siz ing   of  to oth   body  widt h  in  Desi gn  1  resu l t s   sign ific a nt  im p rovem ent  as  the  ph a se  bac k - e m f  bo os te d  up   to  42%  wh il e  the  ave rag e  ou tpu t  to rque  in r eases  up to 1 9%.        Table  3 .  Propo sed  m et ho d o n variat io n para m et ers     Sizin g  para m et er   Para m eter   Peak  back - e m f  ( V )   Peak  cog g in g   to rqu e ( N m )   Av erage  to rqu e ( N m )   Torq u e  ripp le ( %)   1   Sp lit r atio   0 .5   3 .28   0 .73   4 .2   8 3 .0       0 .55   3 .27   0 .85   4 .6   7 0 .0       0 .6   3 .16   0 .96   4 .8   6 0 .0       0 .65   2 .93   1 .07   4 .5   7 3 .0       0 .7   2 .56   1 .34   3 .3   1 3 9 .0   2   Too th  bo d y  width  ( m m )   9 .1   4 .27   0 .86   5 .7   5 1 .8       1 0 .1   4 .10   0 .93   5 .7   5 2 .3       1 1 .1   3 .91   0 .96   5 .7   5 5 .6       1 2 .1   3 .70   0 .96   5 .6   5 8 .3       1 3 .1   3 .00   0 .96   4 .8   6 0 .0   3   Airgap  ( m m )   0 .5   3 .34   1 .17   5 .3   6 8 .8       0 .6   3 .27   1 .13   5 .1   6 8 .5       0 .7   3 .21   1 .10   5 .0   6 7 .2       0 .8   3 .14   1 .04   4 .9   6 6 .3       0 .9   3 .07   1 .02   4 .9   6 4 .8       1 .0   3 .00   0 .96   4 .8   6 0 .0   4   Magn et thick n ess  ( m m )   5   3 .00   0 .96   4 .8   6 0 .0       6   3 .08   1 .14   4 .9   6 8 .0       7   3 .11   1 .17   5 .0   6 8 .3       8   3 .12   1 .26   5 .0   7 2 .3       4.   CONCL US I O N   Fr om   the  in ve sti gation,  the  PM  m oto r  eq uipped   with   s e m i - ci rcle  sta tor   desi gn  ca n  ha ve  bette r   el ect ro m agn et ic   pe rfor m ance  via  opti m u m   si ze  of  to oth  bo dy  wi dth   a nd  c oil  tur ns   res pe ct ively .  A   redu ct ion   of   ov e rall   vo l um e  siz e  can  be  achie ved   but  perf or m ance  degrad at io n  is  un a vo i ded.  The  pr opos e d  siz ing   par am et ers  res ults  im pr ov em ent  on  t he  ph a se  bac k - em f  a nd  ave ra ge  ou t pu t  t orq ue  perf or m ance  but  t her e   is  no sig nificant  re du ct io n o f ou t pu t t orq u e ri pple .       ACKN OWLE DGE MENTS     The  a uthors  w ou l d  li ke  t o  tha nk  U niv e rsiti   Tek nik al   Ma la ysi a  Me la ka  ( UTeM)  f or   pro vid in g  UTe M   Zam a la h  Sche m e, U TeM . 29. 02 / 600 - 1/ 9/5  Jl d.6 fo r  this  r es earch .       REFERE NCE S   [1]   Manoj  et   al,  “ FEA  of  a  Hig h  Eff icien c y   Br ushless  DC  M otor  Design , ”  I nte rnational   Jo urnal  of  Applie d  Engi ne ering  R ese arch ,   vo l. 12(1) ,   pp .   11417 - 114 23,   2017 .   [2]   Shivraj   &  Archa na,   “ Mathe m ati ca l  Modelling  a nd  Sim ula ti on  of  Thre e  Phase  BLDC  Motor  U sing  MA TL AB , ”  Inte rnational   Jo urnal  of Adv an c e  in   Engi n ee ring   &   Technol ogy ,   pp.   1426 - 1433 ,   2014.   [3]   Yang  M.  et   al ,   “ A   Cost - Eff ec t ive   Method  of  El e ct ri c  Brake   with  Ene rg y   R e gene ra ti on  for  El e ct ri c  Vehic l e , ”    IEE E   Tr ansacti o n  on  Industrial   E le c tronic s ,   vol. 5 6(6),   pp .   2203 - 2 212,   2009 .   [4]   Shirish  &  Jain,   “ Modell ing  and  Sim ula ti on  of  T hre e  Phase  B LDC  Motor  for  Ele ct ri c  Braki ng   Us ing  MA TL AB/   SIM ULINK , ”  vol.   5(1) ,   pp .   48 - 5 3,   2017 .   [5]   Sanadh y a  N.  et   al ,   “ Rel i abi l ity   o f  Perm ane nt  Magne t  Brushless  DC  Drive s  u sing  IGBT’s , ”   Inte rnational   Journal  of   Innov ative Re se arch  in  S c i enc e ,   Engi ne ering  and   Technol og y ,   vol .   2(3) ,   pp .   772 - 7 80,   2013 .     [6]   Masata ka  M.  &  Kan  A.,   “ Eff ic i ency   Com par ison  bet wee n  brushless  DC  Motor  and  Brushless  AC   Mot or   Consideri ng  Dri ving  Method   an d  Mac hin e  Desi gn , ”   I EEJ  Journal  of   Industry  A ppli cation ,   vol .   2(1) ,   pp .   79 - 86 ,  2012.   [7]   G  R.   Putta l akshm i   &  S.  Para m asiva m ,   “ El ectro m agne ti c  Flux  A naly s is  of  Perm ane nt  Magne t  Br ushless  D C   Mot or   using Ma gnet Software , ”   In te rnat ional   Journal  of   Engi ne ering  and   Technol og y ,   vol .   5(1) ,   pp .   3215 - 3222 ,  2013 .     [8]   Indira j it h  K.  &  Kum ar  R.   B. ,   “ Com par at ive   St ud y   of  The   Tra n sverse,   Axia l  an d  Radi a l  PM   S y nchr onous  Motors   for  W ind  Appli c at ion , ”  Inte rnat i onal  Journal   of   El e ct rica l  and   E le c tronic s E ng in ee rs ,   vol .   9( 1) ,   p p.   944 - 955 ,   201 7 .   [9]   Chen  A.  et   al. ,   “ Perform anc e   Com par isons  Am ong  Radi al   Flux,  Multi - st a ge  Axia l  Flux  and  Thr ee - ph ase   Tra nsverse  Flux   PM   Mac hine s  for  Dow nhole   Applic a ti on , ”  I E EE   Int ernati ona l  Elec tric   Ma ch ine s  and  Dr ives  Confe renc e ,   3 - 4  Ma y   2009.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       To r qu e  im prov emen t  of P M  motor  wi th se mi - cycl e stator de sign usi ng 2D - fi nite el emen t.. .   ( Kw ang T.  C )   5067   [10]   R.   N.  Firdaus  e t .   al.  “ Design  of  Hollow - Rotor  Brush le ss   DC  Mo tor , ”   Int ernati on al  Journal  of  Po wer  El e ct ronics   and  Dr iv e  S ystem   ( IJP EDS) ,   vol .   7( 2) ,   pp .   387 - 3 96 ,  2016 .   [11]   Seung - Han  Kam   &  Ta e - Uk  Jung ,   “ A  Design  Optimiza ti o n  of   As y m m et ric   Ai r - gap  Struct ur e  for  Sm al l  3 - phase   Perm ane nt  Mag net   SP M BL DC  Motor , ”   Journal of  Magne ti cs ,   vo l.   20(1) ,   pp .   91 - 96 ,  2015 .   [12]   Pete r  S.  et   al. ,   “ Charact er iza ti on  and  Opti m iz at ion  of  a   Perm ane nt  Magne t  S y nchr on ous  Mac hine , ”     The  Inte rnationa l  Journal  for  Computati on  and  Mathe mati cs  in  El e ct rica l  and  E le c tronic   Engi ne ering,   vo l.   28 (2) ,   pp.   272 - 285 ,  20 09 .   [13]   Han - Bit   Kang,   e t.   al. ,   “ Com par ative  Stud y   of  Tor que  Anal y sis  for   Sy n chr onous  P ermane nt  Magne t  Coupli ng  with  Para llel  and  Ha l bac h  Magn et i zed  Magne ts  B ase d  on  Anal y t ical   Fiel d  C alculati ons , ”   IE EE  TRA NSACTION S  ON   MAGNETICS,   v ol.   50(11) ,   pp .   1 - 4.   2014 .   [14]   W enl ia ng  Z .   e t   al . ,   “ Mate r ia l - Eff icient   Perm a nent - Magne t  Shape  for  To rque   Puls at ion  Mini m iz at ion  in  SP M  Motors  for  Aut om oti ve  Applicati ons , ”   I EE E  T RA NSACTION S  ON  INDU S TRIAL  ELECTRONICS,   vol .   6 1(10) ,  5779 - 5787 ,   201 4 .   [15]   M.  Pourjafa ri ,   E .   Fall ah  Chool ab i  &  M.  Jafa rboland ,   “ Optimum  Design  of  Brush -   Le ss   DC  Moto r  with  Minim um  Torque   Puls atio n  Us ing  FEM&  PS O' , ”   Amirka bir  Inte rnationa l  Journal  of   Sc ie nc e &   Re search  ( El ec tric a l  &   El e ct ronics  Enginee ring) ,   vol .   4( 2 ) ;   pp.   59 - 70 ,   20 12 .   [16]   W .   Purw ant o ,   “ Design  and  Compa rison  of  Five  Topol ogie s  Roto r  Perm ane nt  Magne t  S y nchr ono us  Motor  for   Hi gh   Speed  Spindl e  A ppli c at ion , ”   Inter nati onal Journal  of   GEOMATE,   vol .  13(40) ,   pp .   148 - 154 ,   2017 .   [1 7 ]   Li ,   Q . ,   Dou ,   M.,  &  Fang,   C. ,   “ Anal y tica l  Det erminat ion   of  Optim al   Spli t  Ra ti o  fo r  High - spee d  Pe rm ane nt  Magne t   Brushless  Motor s , ”   2015  18th  Inte rnational   Conf ere nce   on  Elec tr ic al  Mac hin es  and  Syste ms   ( ICEMS ),   Oct  25 - 25,   2015,   Pat tay a   Ci t y ,   Tha i la nd .   [18]   Yee - Pien  Y ang,   “ Optimal  Design  a nd  Control   of   a  Torque   Motor   for  Mac hine   To ols , ”   J.   El e ct rom agnet i c  Analysis   &   A ppli cat ions,   vol.   1 ,   pp .   220 - 2 28 ,   2009 .   [1 9 ]   Zol kapli  Z .   Z.  et   al,  “ Torque  Rippl e  Minim i za t ion  Techni qu e  in  Frac t iona l - slot  PM   Brushl ess  Mac hine s , ”    2014  IEEE  Conf ere nce on  Ene rg y  Conv ersion  ( CENCON) ,   13 - 14  Octobe r  2014 .   I EE E   Publisher.      [20]   M.  Luqman,   Kw ang  T .   C.   &  Au za ni  J . ,   “ Design  and  Anal y sis  of  PM   m otor  with  Sem i - ci rcle  Sta t or  Design  using  2D - Finit e  El em ent   Anal y s is , ”  I ndonesian  Journal  of  El ectric a l  Engi nee ring  a nd  C omputer  Sci ence ,  vol .   13(1) ,   427 - 436 ,   2019 .   [21]    M.  Nicol e  et   a l.,  “ Brushless  DC  Micro  Moto r  with  Surfac e  Mounted  Perm ane nt  Magne t,”  J .   of  Revue   Roum aine   des  Sci en ce s Te chniques ,   vol .   3 ,   pp .   237 - 247 ,   2014 .       BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS          Tan   Ch eng  K w ang   was  born  in   Kela n ta n ,   Mal a y sia   in   1994  an d  recei v ed  th e  B.   Eng   degr ee  i n  El e ct ri ca l   from   Univer siti   Te kn i kal   Mal a y sia   Mela k a  Mal a y s ia   (UTe M)  in  201 8.   He  is  cur re n t l y   pursuing  his Ma ster  of  Sc ie n ce at  Univer si ti   Te k nika l   Malay si a M el aka,  Ma lay si a.                   Mohd  Lu qma n   Mohd  Jamil   rec ei v ed  the   B . En g.   degr e e   from   the   Univer siti   Teknologi  MA RA,   Shah  Alam,   Ma lay s ia,  in   2000,   the  M.Sc.  degr ee   from   Newc a stle   Univ ersity ,   Newca stle  upo n   T y n e,  U.K. ,   in   2003,   and   the  Ph.D.  deg ree  fro m   The   Univer si t y   of   Sheffi el d,   Sh eff ie ld ,   U.K. ,   in  2011,   al l  in  e lec tri c al   engi n ee r in g.   He  is  cur ren tly   an  a ca demi ci a n  with  the   Depa rtment   of  Pow er   El e ct roni cs  and  Drive s,  Facult y   of  El e ct ri ca l  En gine er ing,   Unive rsit y   Te knik al   Malay s ia   Mel ak a,  Mela ka ,   Mal a y s ia .   His  rese arc h   int er ests  inc l ud e  the   d esign  an d  ana l y sis  of   pe rm ane nt - m agnet   brushless m ac hi nes.         Auz a ni  Jidin   r ec e ive d  his  B.   Eng,   M.  Eng .   And  Ph.D,  in  P ower  El e ct roni c s  and  Drive s  from   Univer siti   T ekno logi   Malay si a  (UTM),  Johor,  Mal a y si a  in  2002,   2 004  and  2011  respe ct iv ely .   He  is  an  acade m ician  i n  Depa rtment  of   Pow er  El e ct roni cs  and  Drive s,  F ac ul t y   of  E le c trica l  Engi ne eri ng ,   Univer siti   T eknikal  Mal a y s ia   M el ak a  Malay si a.   His  rese arc h  in t ere st  in cl udes  th e  field  of  power   el e ct roni cs,   m ot or  drive s  s y st e m s,  fie ld  progr amble  gate  arr a y s  and  d igi t al   signal   proc essing  appl i ca t ions.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.