The FEM analysis of electromagnetic torque of hybrid stepper motor with different load

• Autorzy: Bernat J. , Kołota J. , Stępień S.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the method of modeling and numerical simulation of a hybrid stepper motor. The problem is solved by the electromagnetic field modeling, using the time-stepping finite element method. Circuit equations are coupled with field equations creating one global system of non-symmetric equations. The mechanical motion of the rotor is determined by solving the second order differential motion equation. The magnetic torque is calculated by the Maxwell stress tensor. The paper shows how motor load modifications influence the response dynamic and torque ripples in the electromagnetic torque characteristic. It is shown that the FEM stepper model including the analysis of inertia controlled system can be used as support for improving tool and technics designed as predicting and controlling the electromagnetic torque ripples for motor drive applications. The simulations’ results of electromagnetic torque are verified and compared with the results obtained from laboratory kit using FAST (ang. Force Angle Speed Torque) technology sensor.

PL

Artykuł prezentuje numeryczną metodę modelowania i symulacji hybrydowego silnika krokowego. Pole elektromagnetyczne modelu rozwiązano metodą elementów skończonych natomiast równania obwodowe zostały sprzężone z równaniami polowymi w jeden globalny układ równań niesymetrycznych. Ruch mechaniczny rotora silnika krokowego został zamodelowany używając równania różniczkowego drugiego stopnia, natomiast moment magnetyczny wyliczony został metodą Maxwella. Artykuł ukazuje w jaki sposób modyfikacja obciążenia rotora hybrydowego silnika krokowego wpływa na jego dynamikę i tętnienia momentu elektromagnetycznego. W pracy ukazano, iż analiza FEM takiego modelu może pozwalać, na optymalizację trybu obciążenia silnika krokowego w taki sposób, aby minimalizować niekorzystny wpływ tętnień momentu elektromagnetycznego. Wyniki prezentowanych symulacji zostały zweryfikowane laboratoryjnie i porównano je z wynikami otrzymanymi podczas pracy zestawu sprzętowego wykorzystującego nowoczesny sensor pomiaru momentu w silnikach typu FAST (ang. Force Angle Speed Torque).

Słowa kluczowe

EN

hybrid stepper motor; Maxwell stress tensor; electromagnetic torque; finite element method (FEM)

PL

hybrydowy silnik krokowy; metoda elementów skończonych; moment elektromagnetyczny

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 89, nr 7
• Strony: 186--189
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bernat J.

• Poznan University of Technology, Chair of Computer Engineering

autor

Kołota J.

• Poznan University of Technology, Chair of Computer Engineering

autor

Stępień S.

• Poznan University of Technology, Chair of Computer Engineering

Bibliografia

• [1] Bernat, J., Kołota, J., Stępień, S. (2009). Coupled field-motion model of variable reluctance stepper motor, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 4, p. 210-213.
• [2] Henrotte, F. (2004). Handbook for the computation of electromagnetic forces in a continuos media, ICS Newsletter, vol. 11, no. 2, p. 10-17.
• [3] Rahman, K. M., Schulz S. E. (2002). Design of high-efficiency and high torque density switched reluctance motor for vehicle propulsion, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 38, p. 1500–1507.
• [4] Stępień, S. (2010). Determination of electromagnetic torque with on-line computation of the optimal radius of the integration contour, Compel, vol. 29, p. 686-698.
• [5] De Oliveira, A., Antunes, R., Kuo-Peng P., Sadowski, N., Dular, P. (2004). Electrical machine analysis considering field – circuit – movement and skewing effects, Compel, vol. 23, no. 4, p. 1080- 1091.
• [6] Vijayakumar, K., Karthikeyan , R., Paramasivam, S., Arumugam, R., Srinivas, K. (2008). Switched Reluctance Motor Modeling, Design, Simulation, and Analysis: A Comprehensive Review, IEEE Trans. Mag., vol. 44, p. 4605-4617.
• [7] Stepien, S., Patecki, A. (2006). Modeling and Position Control of Voltage Forced Electromechanical Actuator, Compel, vol. 25, no. 2, p. 412-426.
• [8] Panda, S.K., Xu, J.X., Qian, W. (2008). Review of torque ripple minimization in PM synchronous motor drives, Power and Energy Society General Meeting, Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st century, p. 1-6.
• [9] WObit Company (2012). Stepper motors. Retrieved on 4. 3. 2012, from http://www.silniki.pl.
• [10] Biro, O., Preis, K. (1989). On the Use of the Magnetic Vector Potential in the Finite Element Analysis of Three-Dimensional Eddy Current, IEEE Trans. Mag., vol. 25, p. 3145-59.
• [11] Hameyer, K., Bellmans, R. (1999). Numerical modelling and design of electrical machines and devices, Southampton, WIT Press.
• [12] Lowther, D.A. (2003). Automating the Design of Low Frequency Electromagnetic Devices - A Sensitive Issue, Compel, vol. 22, p. 630-42.
• [13] Sykulski, J., Stoll, J., Sikora, R., Pawluk, K., Turowski, J., Zakrzewski, K. (1995). Computational magnetics, Chapman & Hall, London.