Влияние параметров обмоток и источника питания на пусковые характеристики модернизированного бесщеточного двигателя постоянного тока

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. 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. 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. 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.

1. Moosavi 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.2015.04.062

2. Mohanraj 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.2022.3175011

3. Nguyen 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.pp708-718

4. Carev 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/app122111096

5. Conradt 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/batteries7020039

6. Zhu 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.2012.2199452

7. Premkumar 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.2014.01.038

8. Assoun 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/en16010279

9. Tapre 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/SeFeT57834.2023.10245615

10. Xia 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.2017.17.4.963

11. Viswanathan 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.2017.2671400

12. Varshney 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.2016.12.014

13. Manda 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.641-404

14. Sial 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/s00202-024-02427-3

15. Harris F.E. Mathematics for Physical Science and Engineering. Academic Press; 2014. 944 p.