Fırçasız Doğru Akım Motorunda Mıknatıs Türü ve Oluk Sayısı Değişiminin Tork Dalgalanması Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışma, fırçasız doğru akım (BLDC) motorlarının elektromanyetik tork karakteristikleri üzerinde mıknatıs tipi ve stator oluk sayısının etkilerini kapsamlı bir şekilde analiz etmekte ve özellikle performans ve kararlılığı artırmaya yönelik tasarım optimizasyonuna odaklanmaktadır. Literatürde genellikle bu parametreler ayrı ayrı ele alınırken, bu çalışmada her iki parametrenin birlikte etkisi ANSYS Maxwell ortamında gerçekleştirilen ayrıntılı 2D elektromanyetik simülasyonlarla sistematik olarak incelenmiştir. NdFeB, SmCo ve literatürde görece daha az incelenmiş olan XG196/96 gibi üç farklı mıknatıs malzemesi kullanılarak, manyetik doyma, manyetik akı dağılımı ve tork salınımı üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Ayrıca, stator oluk sayısının ortalama tork ve tork kararlılığı üzerindeki etkisi analiz edilerek elektromanyetik gürültü azaltımı ve motorun düzgün çalışması açısından önemli bulgular elde edilmiştir. Özellikle XG196/96, daha düşük maliyetli olmasına rağmen NdFe35’e kıyasla %36,3 daha düşük tork üretmiş ve performans-ticari denge gözetilen uygulamalar için potansiyel bir alternatif olarak öne çıkmıştır. Bunun yanında, stator oluk sayısındaki artışın tork salınımını önemli ölçüde azalttığı ve daha kararlı bir motor çalışması sağladığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmanın özgün yönü, mıknatıs malzeme özellikleri ile yapısal tasarımı birlikte optimize eden çok parametreli bir yaklaşım sunmasıdır. Elde edilen sonuçlar, daha verimli ve uygulamaya özel BLDC motor tasarımlarının geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.

Keywords

• FSDAM
• ANSYS/Maxwell
• Tork
• Verim
• Akı Yoğunluğu

Investigation of the Effect of Changing Magnet Type and Slot Number on Torque Ripple in Brushless DC Motor

Abstract

This study presents a comprehensive parametric analysis of how magnet type and stator slot number influence the electromagnetic torque characteristics of brushless direct current (BLDC) motors, with a particular focus on optimizing design for enhanced performance and stability. Unlike previous studies that treat these parameters in isolation, this work systematically investigates their combined impact using detailed 2D transient electromagnetic simulations performed in ANSYS Maxwell. Three different magnet materials NdFeB, SmCo, and the relatively underexplored XG196/96 were evaluated to assess their influence on magnetic saturation, flux distribution, and torque ripple. Additionally, the effect of stator slot number on torque stability and average output torque was quantified, revealing critical insights into electromagnetic noise mitigation and motor smoothness. Notably, XG196/96, despite its lower cost, exhibited a 36.3% torque reduction compared to NdFe35, positioning it as a potential candidate for cost-sensitive applications where performance trade-offs are acceptable. Furthermore, the results indicate that increasing the stator slot number significantly suppresses torque ripple, promoting a more stable operation. The originality of this work lies in its multi-parameter design perspective, offering a novel optimization approach that couples material properties with structural design to enhance BLDC motor efficiency. The findings contribute to the development of more robust and application-specific BLDC motor designs.

Keywords

• BLDC motor
• ANSYS/Maxwell
• Torque
• Efficiency
• Flux density

References

1. Chen, Z., Li, H., & Xu, L. (2021). A review on BLDC motor design and applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 68(4), 3321–3330.
2. Song, J., et al. (2022). High-efficiency BLDC motors for electric mobility: Design trends and challenges. Energies, 15(3), 875.
3. Ozturk, S. B., & Toliyat, H. A. (2020). Direct torque control of brushless DC motors. IEEE Transactions on Power Electronics, 35(7), 7191–7200.
4. Kim, D. Y., et al. (2021). Magnet shape optimization for torque ripple reduction in BLDC motors. IEEE Access, 9, 16501–16510.
5. Li, X., et al. (2023). Investigation on slot/pole combinations for performance enhancement in BLDC motors. Electric Power Components and Systems, 51(2), 123–135.
6. Bianchi, N., et al. (2020). Design techniques for torque ripple minimization in BLDC motors. IET Electric Power Applications, 14(5), 711–720.
7. Park, C., et al. (2021). Influence of magnet material on cogging torque in surface-mounted PM motors. IEEE Transactions on Magnetics, 57(6), 1–4.
8. Kwon, J., et al. (2020). Comparison of permanent magnet materials for EV applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 499, 166191.

9. Zhao, H., et al. (2023). Material impact on electromagnetic performance of BLDC machines. Materials, 16(2), 445.
10. Luo, Y., et al. (2021). Performance comparison of SmCo and NdFeB magnets in PM motors. Applied Sciences, 11(6), 2651.
11. Ren, Y., et al. (2022). Review of rare-earth-free magnets for BLDC motors. Journal of Materials Science, 57(10), 5672–5690.
12. Tan, X., et al. (2023). Investigation on low-cost ferrite magnets in electric motors. IEEE Access, 11, 23022–23032.
13. Ersoy, H., & Kose, E. (2020). Slot number optimization in axial flux motors. Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, 28(4), 2146–2156.
14. Aydin, M., et al. (2021). Stator slot/pole number effects on torque ripple in BLDC motors. Electrical Engineering, 103(4), 2207–2216.
15. Wang, L., et al. (2022). Noise and vibration analysis in BLDC motors with various slot/pole combinations. Mechanical Systems and Signal Processing, 172, 108956.
16. Sezer, O., & Karabiber, A. (2020). Slot shape and skewing effects in BLDC motors. Engineering Science and Technology, an International Journal, 23(6), 1305–1313.
17. Evirgen, S., & Acar, T. (2021). Performance evaluation of different slot/pole configurations in BLDC motors. International Journal of Energy Research, 45(12), 17256–17268.
18. Gul, I., et al. (2023). Multi-objective optimization of BLDC motor design using finite element method. IEEE Access, 11, 129003–129014.
19. Kaya, E., & Demir, A. (2022). Parametric study on torque characteristics of BLDC motors. Elektronika ir Elektrotechnika, 28(5), 35–42.
20. Ozdemir, M., et al. (2021). Comparative analysis of magnet materials in PM motors. Acta Physica Polonica A, 139(4), 520–525.
21. Hendershot, J. R. (2010). Design of brushless permanent-magnet machines. Venice, Florida :Motor Design Books.
22. Hanselman, Duane C. (2003). Brushless permanent magnet motor design. Cranston, R.I. :The Writers' Collective.
23. Mohanraj, D. et al. (2022). A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications. in IEEE Access, vol. 10, pp. 54833-54869.
24. Gürdal, O. (2001). Elektrik Makinaları Tasarımı, Atlas Yayın.
25. G.Tatar, (2017), Hafif elektrikli araçlar için akıllı FSDAM sürücü ve kontrolör tasarımı, Yüksek Lisans tezi, Marmara Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
26. Tosun, Ö., Oyman Serteller, N.F. (2019). Fırçasız Doğru Akım Motoru Stator Oluk Geometrisinin Ve Sargı Yapısının Sey İle Analizi, ISMSIT 2019, Ankara, Türkiye,105-111.
27. Miller, T.J.E. (1989). Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives, Claredon Press, Oxford University Press.
28. Soyaslan, M. (2023). External Rotor BLDC Motor Design for a Light Electric Vehicle: 24 Slot/22 Pole Combination. in 2023 18th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, ELMA 2023 - Proceedings, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.
29. Toren, M. (2022). Comparatıve analysis of the magnet effects on the permanent magnet BLDC motor performance used in electric vehicles. Electrical Engineering, 104(5), 3411–3423.
30. Patel, A.N. (2023). Slot opening displacement technique for cogging torque reduction of axial flux brushless DC motor for electric two-wheeler application. Electrical Engineering and Electromechanics, 2023(2), 7–13.
31. Kıyak, İ., & Kaya, K. Y. (2020). Elektrikli Taşıtlarda Kullanılan İndüksiyon/Sabit Mıknatıslı Motor Sürücülerinin Simülasyonu ve Motor Dinamiklerinin Analizi. International Journal of Advances in Engineering and Pure Sciences, 32(2), 152-157.
32. Kumar, A. et al. (2020). Analysis of Permanent Magnet BLDC Motor Design with Different Slot Type. 1-6.
33. Sundaram, J., Raj, K., Stephen, J.E. et al., (2025) Advanced reduction of torque ripple in BLDC motors using polynomial reference stator current generation. Int J Adv Manuf Technol.