Integrated Electromagnetic Design and Finite Element Assessment of a 0.75 kW Squirrel-Cage Induction Motor

Öz

This study presents the analytical sizing and finite element analysis (FEA) of a 0.75 kW, three-phase, four-pole squirrel-cage induction motor. The motor is designed for a 400 V, 50 Hz supply using selected magnetic and electrical loadings, output coefficient, aspect ratio, winding parameters, and rotor-slot geometry. The resulting dimensions are transferred to Ansys Maxwell, where a 2D model is used for electromagnetic analysis and a 3D model is used to check the spatial geometry. The motor has 36 stator slots and 28 rotor slots, with a stator bore diameter of 83.78 mm and an active core length of 75.67 mm. The analytical model gives a power factor of about 0.87 and an efficiency close to 80% in the rated operating region. The Maxwell results show the expected four-pole magnetic field, with the highest local flux density reaching about 2.14 T, mainly in the tooth regions. Transient analysis at the selected operating speed shows an initial electromagnetic response before the torque approaches a steady condition. The current reaches about 12.5 A during the initial transient and then decreases toward the steady-state region. These results show that the combined analytical and FEA approach can be used for the preliminary design and evaluation of low-power induction motors.

Anahtar Kelimeler

• Induction Motor Design
• Analytical Sizing
• Electromagnetic Design
• Finite Element Analysis
• Ansys Maxwell

Etik Beyan

This research did not involve human participants, animals, or any personally identifiable data. Therefore, ethical approval was not required for this study. All analyses and results presented in this manuscript were obtained through numerical simulations, computational modeling, and/or experimental studies conducted in accordance with accepted scientific and research practices.

0,75 kW Sincap Kafesli Bir Asenkron Motorun Entegre Elektromanyetik Tasarımı ve Sonlu Elemanlarla Değerlendirilmesi

Öz

Bu çalışmada, 0,75 kW gücünde, üç fazlı ve dört kutuplu bir sincap kafesli asenkron motorun analitik boyutlandırması ve sonlu elemanlar analizi (finite element analysis - FEA) gerçekleştirilmiştir. Motor, 400 V ve 50 Hz besleme için seçilen manyetik ve elektriksel yüklemeler, çıkış katsayısı, boyut oranı, sargı parametreleri ve rotor oluk geometrisi dikkate alınarak tasarlanmıştır. Elde edilen boyutlar Ansys Maxwell ortamına aktarılmış; elektromanyetik analiz için iki boyutlu, geometrik kontrol için ise üç boyutlu bir model kullanılmıştır. Motor 36 stator oluğu ve 28 rotor oluğuna sahip olup stator iç çapı 83,78 mm ve aktif nüve uzunluğu 75,67 mm'dir. Analitik modelde, anma çalışma bölgesinde güç faktörü yaklaşık 0,87 ve verim %80'e yakın bulunmuştur. Maxwell sonuçlarında beklenen dört kutuplu manyetik alan yapısı görülmüş ve en yüksek yerel akı yoğunluğu yaklaşık 2,14 T olarak elde edilmiştir. Bu yüksek değerler ağırlıklı olarak diş bölgelerinde ortaya çıkmaktadır. Seçilen çalışma hızındaki geçici analiz, torkun kararlı duruma ulaşmadan önce başlangıçta geçici bir tepki verdiğini göstermiştir. Akım, başlangıç geçici rejiminde yaklaşık 12,5 A seviyesine çıkmış ve daha sonra kararlı durum bölgesine doğru azalmıştır. Elde edilen sonuçlar, analitik boyutlandırma ile FEA'nın birlikte kullanılmasının düşük güçlü asenkron motorların ön tasarımı ve değerlendirilmesi için uygun bir yaklaşım olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Asenkron Motor Tasarımı
• Analitik Boyutlandırma
• Elektromanyetik Tasarım
• Sonlu Elemanlar Analizi
• Ansys Maxwell

Etik Beyan

Bu araştırma insan katılımcıları, hayvanlar veya kişisel olarak tanımlanabilir herhangi bir veri içermemektedir. Bu nedenle, çalışma için etik kurul onayı gerekmemiştir. Bu makalede sunulan tüm analizler ve sonuçlar, kabul görmüş bilimsel ve araştırma uygulamalarına uygun olarak gerçekleştirilen sayısal simülasyonlar, hesaplamalı modelleme ve/veya deneysel çalışmalar yoluyla elde edilmiştir.

Kaynakça

1. Boldea, I., & Nasar, S. A. (2010). The induction machine handbook (2nd ed.). CRC Press.
2. Deveci, U. M., & Ayçiçek, E. (2025). Cost-effective IE2 high-efficiency single-phase induction motor design and prototyping. Engineering Science and Technology, an International Journal, 61, 101921. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2024.101921
3. Doğan, S., & Öner, Y. (2024). Multiple physics design of induction motor. Balkan Journal of Electrical and Computer Engineering, 12(1), 20–26. https://doi.org/10.17694/bajece.1302934
4. Dursun, B., Özdil, A., & Ovezgeldiyev, A. (2024). A case study: Designing and analysing a 3 kW squirrel cage induction motor with FEM. 2024 International Conference on Electrical, Computer, Communications and Mechatronics Engineering (ICECCME). https://doi.org/10.1109/ICECCME62383.2024.10796829
5. Faiz, J., & Sharifian, M. B. B. (2001). Optimal design of three phase induction motors and their comparison with a typical industrial motor. Computers & Electrical Engineering, 27(2), 133–144. https://doi.org/10.1016/S0045-7906(00)00010-0
6. International Electrotechnical Commission. (2014). Rotating electrical machines—Part 30-1: Efficiency classes of line operated AC motors (IE code) (IEC 60034-30-1:2014). IEC.
7. Mahmouditabar, F., & Baker, N. J. (2024). Design optimization of induction motors with different stator slot rotor bar combinations considering drive cycle. Energies, 17(1), 154. https://doi.org/10.3390/en17010154
8. Ocak, C. (2023). A FEM-based comparative study of the effect of rotor bar designs on the performance of squirrel cage induction motors. Energies, 16(16), 6047. https://doi.org/10.3390/en16166047

9. Sudhoff, S. D. (2014). Power magnetic devices: A multi-objective design approach. Wiley-IEEE Press. https://doi.org/10.1002/9781118824603
10. Siemens AG. (n.d.). 1LA7083-4AA10: 0.75 kW three-phase induction motor—Technical data [Product datasheet].
11. Tarımer, I. (2005). Bilgisayar Destekli Asenkron Motor Tasarımı. Politeknik Dergisi, 8(1), 19-24. https://izlik.org/JA87ZB56BK
12. Tarımer, I., & Ocak, C. (2009). Performance Comparision of Internal and External Rotor Structured Wind Generators Mounted from Same Permanent Magnets on Same Geometry. Elektronika Ir Elektrotechnika, 92(4), 65-70. https://doi.org/10.5755/j02.eie.10247
13. Wang, N., Li, C., Li, W., & Xiong, M. (2025). Material-structure integration design optimization for energy efficiency performance improvement of an induction motor. Journal of Electrical Engineering and Technology, 20(5), 3343–3365. https://doi.org/10.1007/s42835-025-02237-y