mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2025-13-4-69-77AVHESXmireabulletin-1212Research ArticleАНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИANALYTICAL INSTRUMENT ENGINEERING AND TECHNOLOGYВлияние параметров обмоток и источника питания на пусковые характеристики модернизированного бесщеточного двигателя постоянного токаEffect of winding and power supply parameters on the starting characteristics of an upgraded brushless DC motorhttps://orcid.org/0000-0002-4090-662XКривогузоваА. С.KrivoguzovaAlexandra S.

Кривогузова Александра Сергеевна, аспирант, Высшая школа компьютерных наук и искусственного интеллекта

236041, Калининград, ул. А. Невского, д. 14

Alexandra S. Krivoguzova, Postgraduate Student, Higher School of Computer Science and Artificial Intelligence

14, A. Nevskogo ul., Kaliningrad, 236041

krivoguzova99@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4708-6556ТкаченкоС. Н.TkachenkoSergey N.

Ткаченко Сергей Николаевич, к.т.н., доцент ОНК «Институт высоких технологий», руководитель Цифровой кафедры

236041, Калининград, ул. А. Невского, д. 14

Scopus Author ID 35750902000

Sergey N. Tkachenko, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Institute of High Technologies, Head of the Digital Department

14, A. Nevskogo ul., Kaliningrad, 236041

Scopus Author ID 35750902000

sntkachenko@kantiana.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2610-6551ШпилевойА. А.ShpilevoyAndrey A.

Шпилевой Андрей Алексеевич, к.ф.-м.н., доцент, заместитель руководителя ОНК «Институт высоких технологий»

236041, Калининград, ул. А. Невского, д. 14

Scopus Author ID 6602332593

Andrey A. Shpilevoy, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Deputy Head, Institute of High Technologies

14, A. Nevskogo ul., Kaliningrad, 236041

Scopus Author ID 6602332593

ashpilevoi@kantiana.ruБалтийский федеральный университет имени Иммануила КантаРоссияImmanuel Kant Baltic Federal UniversityRussian Federation2025060820251346977Copyright © Кривогузова А.С., Ткаченко С.Н., Шпилевой А.А., 20252025Кривогузова А.С., Ткаченко С.Н., Шпилевой А.А.Krivoguzova A.S., Tkachenko S.N., Shpilevoy A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1212Цели

Цели. Цель работы – определение оптимального количества витков в каждой из обмоток и влияния параметров обмоток и источника питания на пусковые характеристики модернизированного бесщеточного двигателя постоянного тока (brushless direct current electric motor, BLDC-двигателя).

Методы

Методы. Использованы методы натурного эксперимента на испытательном стенде, состоящем из модернизированного BLDC-двигателя, источника питания и регулятора скорости. Также использовались методы математического моделирования, решения задачи линейного программирования и аппроксимации.

Результаты

Результаты. В ходе экспериментов получены зависимости пускового тока и числа оборотов на старте от числа витков в каждой из обмоток для модернизированного BLDC-двигателя. Экспериментально установлено, что количество витков в обмотках имеет предельное значение, признаками чего является пересечение кривых пускового тока и стартовых оборотов или исчезновение функциональной зависимости между пусковым током и оборотами двигателя. Разработана математическая модель модернизированного BLDC-двигателя, которая хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Используя математическую модель, можно определить оптимальное количество витков в каждой из обмоток двигателя, а также уровень коэффициента полезного действия BLDC-двигателя. Предложена параметрическая модель, которая позволяет определить значение стартовых оборотов двигателя по значению пускового тока и напряжению батареи для диапазона витков в обмотке от 8 до 14. Данные модели позволяют определять характеристики двигателя на стадии его проектирования.

Выводы

Выводы. Выявлено, что существует интервал для количества витков в каждой из обмоток BLDC-двигателя, в котором будет наблюдаться оптимум коэффициента полезного действия двигателя. Также выявлено, что для определения базовых пусковых характеристик BLDC-двигателя достаточно двух параметров, которые легко измерить на практике: пусковой ток и уровень напряжения источника питания.

Objectives

Objectives. This work is aimed at determining the optimum number of turns in each winding and the effect of winding and power supply parameters on the starting characteristics of an upgraded brushless direct current motor (BLDC motor).

Methods

Methods. A full-scale experiment on a test bench consisting of an upgraded BLDC motor, a power supply source, and a speed controller was conducted. Methods of mathematical simulation, linear programming, and approximation were also applied.

Results

Results. During the experiments, the dependencies of inrush current and starting speed on the number of turns in each winding of the upgraded BLDC motor were obtained. It was experimentally established that the number of turns in the windings has a limiting value, which is confirmed by either the intersection of the curves of inrush current and starting speed, orthe disappearance of the functional dependence between the inrush current and motor speed. A mathematical model for the upgraded BLDC motor was developed, which showed good agreement with the experimental results. Using this mathematical model, the optimum number of turns in each of the motor windings and the efficiency of a BLDC motor can be determined. A parametric model for determining the motor starting speed by the values of inrush current and battery voltage at the number of turns in the winding from 8 to 14 was proposed. The developed models make it possible to determine the motor characteristics at the design stage.

Conclusions

Conclusions. There exists an interval of the number of turns in each of the windings of a BLDC motor, where the motor demonstrates its optimum efficiency. Inrush current and supply voltage were found to be the parameters that are easily measurable in practice and sufficient for determining the basic starting characteristics of a BLDC motor.

BLDC-двигательпусковые характеристики двигателяобмотки двигателяколичество витков в обмотках двигателяматематическая модельbrushless direct current motorBLDC motormotor starting characteristicsmotor windingsnumber of motor winding turnsmathematical simulationReferencesMoosavi S.S., Djerdir A., Amirat Y.A., Khaburi D.A. Demagnetization fault diagnosis in permanent magnet synchronous motors: A review of the state-of-the-art. J. Magn. Magn. Mater. 2015;391:203–212. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.04.062Moosavi S.S., Djerdir A., Amirat Y.A., Khaburi D.A. Demagnetization fault diagnosis in permanent magnet synchronous motors: A review of the state-of-the-art. J. Magn. Magn. Mater. 2015;391:203–212. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.04.062Mohanraj D., Aruldavid R., Verma R., Sathyasekar K., Barnawi A., Chokkalingam B., Mihet-Popa L. A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications. IEEE Access. 2022;10:54833–54869. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3175011Mohanraj D., Aruldavid R., Verma R., Sathyasekar K., Barnawi A., Chokkalingam B., Mihet-Popa L. A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications. IEEE Access. 2022;10:54833–54869. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3175011Nguyen Q., Tran V., Pham Q.D., Giap V.N., Trinh M. Design brushless DC motor control by using proportional-integral strategy for a smart storage cabinet system. Int. J. Power Electron. Drive Syst. 2023;14:708–718. https://doi.org/10.11591/ijpeds.v14.i2.pp708-718Nguyen Q., Tran V., Pham Q.D., Giap V.N., Trinh M. Design brushless DC motor control by using proportional-integral strategy for a smart storage cabinet system. Int. J. Power Electron. Drive Syst. 2023;14:708–718. https://doi.org/10.11591/ijpeds.v14.i2.pp708-718Carev V., Roháč J., Tkachenko S., Alloyarov K. The Electronic Switch of Windings of a Standard BLDC Motor. Appl. Sci. 2022;12(21):11096. https://doi.org/10.3390/app122111096Carev V., Roháč J., Tkachenko S., Alloyarov K. The Electronic Switch of Windings of a Standard BLDC Motor. Appl. Sci. 2022;12(21):11096. https://doi.org/10.3390/app122111096Conradt R., Heidinger F., Birke K. Methodology for Determining Time-Dependent Lead Battery Failure Rates from Field Data. Batteries. 2021;7(2):39. https://doi.org/10.3390/batteries7020039Conradt R., Heidinger F., Birke K. Methodology for Determining Time-Dependent Lead Battery Failure Rates from Field Data. Batteries. 2021;7(2):39. https://doi.org/10.3390/batteries7020039Zhu Z., Leong J. Analysis and mitigation of torsional vibration of PM brushless AC/DC drives with direct torque controller. IEEE Trans. Ind. Appl. 2012;48(4):1296–1306. https://doi.org/10.1109/TIA.2012.2199452Zhu Z., Leong J. Analysis and mitigation of torsional vibration of PM brushless AC/DC drives with direct torque controller. IEEE Trans. Ind. Appl. 2012;48(4):1296–1306. https://doi.org/10.1109/TIA.2012.2199452Premkumar K., Manikandan B.V. Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System based speed controller for brushless DC motor. Neurocomputing. 2014;138:260–270. https://doi.org/10.1016/j.neucom.2014.01.038Premkumar K., Manikandan B.V. Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System based speed controller for brushless DC motor. Neurocomputing. 2014;138:260–270. https://doi.org/10.1016/j.neucom.2014.01.038Assoun I., Idkhajine L., Nahid-Mobarakeh B., Meibody-Tabar F., Monmasson E., Pacault N. Wide-Speed Range Sensorless Control of Five-Phase PMSM Drive under Healthy and Open Phase Fault Conditions for Aerospace Applications. Energies. 2023;16(1):279. https://doi.org/10.3390/en16010279Assoun I., Idkhajine L., Nahid-Mobarakeh B., Meibody-Tabar F., Monmasson E., Pacault N. Wide-Speed Range Sensorless Control of Five-Phase PMSM Drive under Healthy and Open Phase Fault Conditions for Aerospace Applications. Energies. 2023;16(1):279. https://doi.org/10.3390/en16010279Tapre M., Karampuri R. Design and Comparison of Five-Phase Induction Motors with Different Dimensions for Heavy Duty Electric Vehicles. In: IEEE 3rd International Conference on Sustainable Energy and Future Electric Transportation (SEFET). IEEE; 2023. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/SeFeT57834.2023.10245615Tapre M., Karampuri R. Design and Comparison of Five-Phase Induction Motors with Different Dimensions for Heavy Duty Electric Vehicles. In: IEEE 3rd International Conference on Sustainable Energy and Future Electric Transportation (SEFET). IEEE; 2023. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/SeFeT57834.2023.10245615Xia K., Li Z., Lu J., Dong B., Bi C. Acoustic noise of brushless DC motors induced by electromagnetic torque ripple. J. Power Electron. 2018;17(4):963–971. https://doi.org/10.6113/JPE.2017.17.4.963Xia K., Li Z., Lu J., Dong B., Bi C. Acoustic noise of brushless DC motors induced by electromagnetic torque ripple. J. Power Electron. 2018;17(4):963–971. https://doi.org/10.6113/JPE.2017.17.4.963Viswanathan V., Seenithangom J. Commutation torque ripple reduction in the BLDC motor using modified SEPIC and threelevel NPC inverter. IEEE Trans. Power Electron. 2018;33(1):535–546. https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2671400Viswanathan V., Seenithangom J. Commutation torque ripple reduction in the BLDC motor using modified SEPIC and threelevel NPC inverter. IEEE Trans. Power Electron. 2018;33(1):535–546. https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2671400Varshney A., Gupta D., Dwivedi B. Speed response of brushless DC motor using fuzzy PID controller under varying load condition. J. Electr. Syst. Inf. Technol. 2017;4(2):310–321. https://doi.org/10.1016/j.jesit.2016.12.014Varshney A., Gupta D., Dwivedi B. Speed response of brushless DC motor using fuzzy PID controller under varying load condition. J. Electr. Syst. Inf. Technol. 2017;4(2):310–321. https://doi.org/10.1016/j.jesit.2016.12.014Manda P., Veeramalla S.K. Brushless DC motor modeling and simulation in the MATLAB/SIMULINK software environment. Adv. Modelling Anal. B. 2021;64(1–4):27–33. https://doi.org/10.18280/ama_b.641-404Manda P., Veeramalla S.K. Brushless DC motor modeling and simulation in the MATLAB/SIMULINK software environment. Adv. Modelling Anal. B. 2021;64(1–4):27–33. https://doi.org/10.18280/ama_b.641-404Sial M., Sahoo N. Torque ripple minimization and speed control of switched reluctance motor drives using extremumseeking PI controller. Electr. Eng. 2024;106(6):7301–7322. https://doi.org/10.1007/s00202-024-02427-3Sial M., Sahoo N. Torque ripple minimization and speed control of switched reluctance motor drives using extremumseeking PI controller. Electr. Eng. 2024;106(6):7301–7322. https://doi.org/10.1007/s00202-024-02427-3Harris F.E. Mathematics for Physical Science and Engineering. Academic Press; 2014. 944 p.Harris F.E. Mathematics for Physical Science and Engineering. Academic Press; 2014. 944 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.