dc criteria

8/3/2019 DC Criteria

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I E E ETRANSACTIONSO NINDUSTRYA P P L I C AT I O N S ,VOL.I A - 2 0 ,NO . 6 , NOVEMBER/DECEMBER1 9 8 4

P e r m a n e n tM a g n e tDC M o t o r sD e s i g nC r i t e r i aa n dO p e r a t i o nA d v a n t a g e s

F R ANKN . K L E I N ,M E M B E R ,I E E E ,A N DMARK E .K E N Y O N

A b s t r a c t - P e r m a n e n tm a g n e td c m o t o r sh a v ef o u n dmany s u c c e s s f u la p p l i c a t i o n si n i n d u s t r y .I n p a r t i c u l a r ,t h e m a c h i n et o o l i n d u s t ryu t i l i z e st h em a j o rs h a r e o f al l t h e p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r sp r o d u c e d .T h e s em o t o r st y p i c a l l ye x h i b i tg r e a t e rs t a b i l i t yo f o p era t i o n ,l i n e a r i t y ,h i g h e rmaximums p e e d s ,s t r a i g h t f o r w a r dd e s i g n ,a n d h i g h e r e f f i c i e n c y .T h ea p p l i c a t i o n st o w h i c ht h e s em o t o r sar e ad d res sed ,h o w e v e r ,impose f a i r l ys o p h i s t i c a t e dd es ig n c h o i c e st o m a i n t a i nh i g h p e r f o r m a n c ealong w i t ho p t i m i z a t i o no f u n i td e s i g n .I n t r y i n gt o o p t i m i z em o t o rd es ig nw i t h o u tl o s so f p e r f o r m a n c e ,t h e s e l e c t i o no f m a g n e tm a t e r i a lh a s t h e g r e a t e s ti m p a c tu p o n ev en tu a lm o t o rp e r f o r m a n c e ,s i z e ,a n dc o s t .T h ec r i t e r i af o rs e l e c t i o no f p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a la r e r e v i e w e d ,a n d t h e ma jo ra d v a n t a g e st o u s i n gt h i st y p eo f motor i n c o m p a r i s o nw i t ha woundf i e l dd c motor ar e s p e c i f i e d .

IN TR O D U C TIO NTHE D CMOTOR i s b a s i c a l l ya t o r q u et r a n s d u c e rw h o s e

m o s t i m p o r t a n t d e s i g nc h a r a c t e r i s t i ci s e x p r e s s e di n al i n e a rr e l a t i o n s h i p ;i . e . , t h es h a f tt o r q u e o f a d c m o t o r i sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt o i t s a r m a t u r ec u r r e n t :

T = K O ( ( 1 )

A d c m o t o r ' ss h a f tt o r q u e i s p r o d u c e db y t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e na m a g n e t i cf i e l da n d a s e t o f c o n d u c t o r s .T h i sp r i n c i p l ei s i l l u s t r a t e di n F i g .1 . H e r e , a c u r r e n t - c a r r y i n gc o n d u c t o ri s e s t a b l i s h e di n a f i e l dc o n t a i n i n ga m a g n e t i cf l u xX ,a n dt h ec o n d u c t o ri s l o c a t e da t a d i s t a n c er f r o mt h ec e n t e ro f r o t a t i o n .Whent h ec o n d u c t o rmoves i nt h em a g n e t i cf i e l d ,av o l t a g ei s g e n e r a t e dacross i t . T h i sv o l t a g e ,w h i c hi s propor-t i o n a lt o t h ea n g u l a rv e l o c i t yo f t h es h a f t ,t e n d st o oppose t h ec u r r e n tf l o w .T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h i sback-EMFv o l t a g ea n d t h es h a f ta n g u l a rv e l o c i t yi s

E= K q 5W . ( 2 )

E q u a t i o n s( 1 )a n d( 2 )f o r mt h ef u n d a m e n t a lb a s i sf o rd c m o t o ro p e r a t i o n .

D C m o t o r sc a n b e d i v i d e di n t os e v e r a lb r o a dc a t e g o r i e sb a s e do n t h em e t h o dt h e ye m p l o yt o c r e a t e t h em a g n e t i cf i e l da n don t h ed e s i g na n ds t r u c t u r eo f t h ea r m a t u r e .We w i l lf i r s tr e v i e wt h etwo b a s i cc l a s s e so f m a g n e t i cf l u xs u p p l y :t h ev a r i a b l em a g n e t i cf l u xa n dt h ec o n s t a n tm a g n e t i cf l u xm o t o r s .W ew i l lt h e n r e v i e wt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et h r e et y p e s o fm a g n e t i cm a t e r i a lc u r r e n t l yb e i n gu t i l i z e di n c o n s t a n tm a g -n e t i cf l u xm o t o r s :A l n i c o ,c e r a m i c ,a n d r a r e e a r t h .A d d i t i o n -

P a p e rMTIC8 3 - 2 ,a p p r o v e db y t h eM a c h i n eTo o l sI n d u s t r yC o m m i t t e eo ft h eIEEE I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s S o c i e t yf o rp r e s e n t a t i o na t t h eM a c h i n eTo o l sI n d u s t r yC o n f e r e n c eM i l w a u k e e ,W I , O c t o b e r1 8 - 2 1 ,1 9 8 3 .M a n u s c r i p tr e l e a s e df o rp u b l i c a t i o nJ a n u a r y2 5 ,1 9 8 4 .

T h e a u t h o r sar e w i t h t h eA p p l i c a t i o nE n g i n e e r i n gD e pa r tm e nt , E a to nC o r p o r a t i o n ,E l e c t r i cD r i v e sD i v i s i o n ,3 1 2 2 1 4 t hAv e n u e ,K e n o s h aW I5 3 1 4 1 .

U n i f o r m ,r a d i a l l yo r i e n t e dmagnet icf l u xT=FR

F Conductor

c a r r y i n gc u r r e n t

C e n t e ro f r o t a t i o n

F i g .1 . I l l u s t r a t i o no f t o r q u ep ro d u c t io ni n d c m o t o r .

a l l y,we w i l lr e v i e wt h et h r e eb a s i cc l a s s e so f a r m a t u r ed e s i g n :t h e i r o n - c o r ed c ,t h es u r f a c e - w o u n dd c ,a n d t h em o v i n g - c o i lm o t o r . F i n a l l y ,we w i l ld i s c u s st h ec r i t e r i aw h i c hm u s t b ec o n s i d e r e dw h e ns e l e c t i n ga d c m o t o rf o ru se o n a i n c r e m e n t a lm o t i o ns y s t e m .

FLU XSUPPLYVa r i a b l eM a g n e t i cFlux Motors

T h e r ear e tw o b a s i ck i n d so f v a r i a b l em a g n e t i cf l u xm o t o r s :t h o s ei nw h i c ht h ef i e l dw i n d i n gi s c o n n e c t e di ns e r i e sw i t ht h ea r m a t u r ew i n d i n ga n d t h o s e i n w h i c ht h e f i e l dw i n d i n gi ss e p a r a t e l ye x c i t e d .T h e s et y p e s o f m o t o r sg e n e r a l l yh a v e al a r g ee l e c t r i c a lt i m ec o n s t a n t , w h i c hm a k e st h e i ruse i n a p p r o -p r i a t ef o ri n c r e m e n t a lm o t i o na p p l i c a t i o n s ,u n l e s st h eservos y s t e mc a n a c c o m m o d a t es u c ha t i m ec o n s t a n t . A d d i t i o n a l l y ,v a r i a b l em a g n e t i cf l u xm o t o r sh a v e t h ef o l l o w i n gd i s a d v a n -t a g e s :

* r e q u i r e m e n tf o ranother d c p o w e r s u p p l yf o rt h o s em o t o r sh a v i n gs e p a r a t e l ye x c i t e df i e l d s ,a n d

* f i e l dw i n d i n gr e q u i r i n ge x c i t a t i o nw h i c hg e n e r a t e sI 2 Rl o s s e sw h i c ha f f e c tt h ed u t yc y c l er a t i n go f t h em o t o r .

S u c hm o t o r smay b e u s e f u li n cases w h e r eh i g ht o r q u eservoc o n t r o l l e dm o t i o ni s d e m a n d e d ;h o w e v e r ,p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r sc an b e a p p l i e dm o r e e f f e c t i v e l y .

C o n s t a n tM a g n e t i cF l u xM o t o r s

T h em o s tcommon f i e l de x c i t a t i o ns y s t e mi nu se t o d a yi s t h ep e r m a ne n t m a g n e td c m o t o rs h o w ni n F i g .2 . I n t h i ss y s t e m ,b e c a u s et h ef i e l df l u xi s e s s e n t i a l l yc o n s t a n t ,t h er a t i ob e t w e e n

0 0 9 3 - 9 9 9 4 / 8 4 / 1 1 0 0 - 1 5 2 5 $ 1 . 0 01 9 8 4IEEE

1 5 2 5

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I E E ETRANSACTIONSONINDUSTRYA P P L I C AT I O N S ,V O L .I A - 2 0 ,N O .6 , NOVEMBER/DECEMBER1 9 8 4

A r m a t u r eTe r r m i n a l s

F i g .2 . DCm o t o rw i t hp e r m a n e n tm a g n e tf i e l d .

a r m a t u r ec u r r e n ta n d t o r q u ei s

f i x e d .T h u s( 1 )b e c o m e sT = K t I ( 3 )

a n d( 2 )b e c o m e s

E=KeW . ( 4 )

A s c a n b e s e e n ,t h i ss y s t e ma l l o w sf o ra v e r y s i m p l el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e na r m a t u r ec u r r e n t ,t o r q u e ,a n d v e l o c i t y .T h ee l e c t r i c a le x p r e s s i o nf o rs u c ha m o t o ri s a s f o l l ow s :

L d iV=KeW+-+RI ( 5 )

d t

w h e r eV i s t h ea p p l i e dv o l t a g e ,K e i s t h eb a c k - E M Fv o l t a g ec o n s t a n t ,L i s t h ea r m a t u r ei n d u c t a n c e ,a n d R i s t h em o t o rt e r m i n a lr e s i s t a n c e .T h ed y n a m i ce q u a t i o no f t h em o t o ri s

JdwT g = +Bw+Tf+ T L ( 6 )

d t

w h e r eTgi s t h eg e n e r a t e dt o r q u e ,J i s t h es u mo f t h em o m e n t so f i n e r t i af o rt h em o t o ra n dt h el o a d ,B i s t h ev i s c o u sd a m p i n gc o e f f i c i e n t ,T fi s t h ei n t e r n a lf r i c t i o nt o r q u e ,a n dTLi s t h el o a dt o r q u e .T h i ss a m ee q u a t i o nc o u l db e w r i t t e nf o ra s e p a r a t e l ye x c i t e df i e l dm o t o rw i t hc o n s t a n tf i e l de x c i t a t i o n .H o w e v e r ,t h ea d v a n t a g eo f t h ep e r m a n e n tm a g n e tf i e l do v e rt h ew o u n df i e l ds t r u c t u r ei s t h a tn o p o w e ri s d i s s i p a t e di n t h ef i e l d .T h ep e r m a n e n tm a g n e td c m o t o ri s , t h e r e f o r e ,m o r ee f f i c i e n ta n dr e q u i r e sl e s ss p a c et h a na n e q u i v a l e n tm o t o rw i t ha w o u n df i e l d .A l s o ,d u et o t h ea v a i l a b i l i t yo f p e r m a n e n tm a g n e t sw i t hh i g hc o e r c i v ef o r c ec h a r a c t e r i s t i c s ,t h el i n e a rr e l a t i o n s h i po f( 1 )h o l d sf o rh i g h e ra r m a t u r ec u r r e n t si np e r m a n e n tm a g n e td cm o t o r st h a ni n t h e i rw o u n df i e l dd c m o t o rc o u n t e r p a r t s .

T h es i m p l em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pw h i c he x i s t sb e t w e e ni n p u tp a r a m e t e r sa n dme c h a n ic a lo u t p u tc h a r a c t e r i s i t c si n t h ep e r m a n e n tm a g n e td c m o t o r m a k e si t i d e a lf o r u s e i ni n c r e m e n t a lm o t i o ns e r v o s y s t e m s .T h e u s e o f t h i st y p eo fm o t o rc a ns i m p l i f yb o t ht h es e r v oc a l c u l a t i o n sa n dt h es y s t e md e s i g n .

S e v e r a lb a s i cc o n f i g u r a t i o n so f p e r m a n e n tm a g n e td cm o t o r se x i s t .T h e v a r i o u sd e s i g n sa i m a t s a t i s f y i n ga w i d er a n g eo f p e r f o r m a n c ed e m a n d s ,m o s to f w h i c hd e a lw i t ht h et o r q u et o i n e r t i ar a t i o .P e r m a n e n tm a g n e td c m ot or sc a n b ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt ob o t hc o m m u t a t i o ns t r u c t u r e ' a n da r m a -t u r ed e s i g n .C o m m u t a t i o no f t h ea r m a t u r ec u r r e n ti nd c m o to r si s e i t h e re l e c t r i c a lo r m e c h a n i c a l .M e c h a n i c a lc o m m u t a t i o ns t r u c t u r e su s e c o m m u t a t o r sm a d eo f c o p p e ra n d b r u s h e sg e n e r a l l ym a d eo f c a r b o no r g r a p h i t ec o m p o u n d sc o n t a i n i n gm e t a lp a r t i c l e s .E l e c t r i c a lc o m m u t a t i o no f t h e a r m a t u r ec u r r e n ti s a c h i e v e dw i t h o u tt h eu s e o f m e c ha n i c alm e a n s( i . e . ,t h et e r m" b r u s h l e s s "i su s e dt od e s c r i b et h i st y p eo f d c m o t o r )[ 1 ] , [ 3 ] .

T h eme c h a n ic a lc o m m u t a t i n gm o t o r sc a n f u r t h e rb e b ro k end o w ni n t oc a t e g o r i e sb a s e du p o na r m a t u r ed e s i g na n d f i e l dm a g n e t i cm a t e r i a l .W ew i l lnowe x a m i n et h et y p e so f m a g n e t i cm a t e r i a l su s e df o rc o n s t a n tf l u xm o t o r s .

P e rm a n e nt M a g ne t sT h ema g n e t i cf i e l da t t h ea i rg a po f c o n s t a n tf l u xm o t o r si s

o b t a i n e db y u s i n gp e r m a n e n tm a g n e t s .A t p r e s e n t ,A l n i c o ,c e r m a n i c ,a n dr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t sa r eb e i n gu t i l i z e db y m o t o rm a n u f a c t u r e r s .T h em a g n e t i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s em a t e r i a l sa r es h o w ni n F i g .3 - 5 .

T h e t y p i c a lp a r a m e t e r so f t h e m a t e r i a lc o n s t i t u t i n gt h em a g n e t sa r e

* r e s i d u a li n d u c t i o ni nk i l o g a u s s( B )* d e m a g n e t i z i n gf o r c ei n o e r s t e d s( H )* e n e rg yp r o d u c t( B - Hx 1 0 6 ) .

T h e c a s tp e r ma n en t m a gn e tso f t h eA l n i c ot y p ea r ea l l o y sc o m p o s e do f a l u m i n u m ,n i c k e l ,c o b a l t ,t i t a n i u m ,a n d i r o ni n

d i f f e r e n tp r o p o r t i o n s .T h em a gn e ts o ft h e s em a t e r i a l s ,a st h e yc a n n o tb e p r o c e s s e dw i t hc o n v e n t i o n a lm a c h i n et o o l s ,a r ec a s tt o t h er o u g hs h a p ea n df u r t h e rg r o u n dt o t h ef i n a lc o n f i g u r a -t i o n .T h e ye x h i b i tn o n l i n e a rB- H c h a r a c t e r i s t i c s ,h i g h m a g -n e t i ci n d u c t i o nv a l v e s ,a n d v e r y l o w d e m a g n i t i z i n gf o r c ev a l v e s[ 2 ] .

C e r m a n i cp e r m a n e n tm a g n e t sa r eo b t a i n e dt h r o u g hh i g h -t e m p e r a t u r es y n t h e s i z a t i o na n d ,b ei ng v er yh a r d a n d f r a g i l e ,a l s oc a n n o tb e p r o c e s s e dw i t h c o n v e n t i o n a lm a c h i n et o o l s .T h e yn o r m a l l yc o n s i s to f a l l o y so f i r o no x i d eo rb a r i u mo x i d e .T h e ye x h i b i ti m p r o v e dl i n e a rB- Hc h a r a c t e r i s t i c sa t t h ep r i c eo f l o w e rma g n e t i ci n d u c t i o nv a l v e sc o m p a r e dt oA l n i c o .T h ee n e rg yp r o d u c to f c e r a m i cm a g n e t si s s l i g h t l yl e s st h a nA l n i c ob u t , d u e t o t h e i rh i g h e rd e m a g n e t i z a t i o nf o r c e ,d o n o td e m a g n e t i z ew h e nt h ef l u xs h u n ti s r e m o v e d .

P e r m a n e n tm a g n e t sm a d eo f r a r ee a r t h( s o m a r i u mc o b a l t )h a v e t h e m o s t l i n e a rB- H c h a r a c t e r i s t i c s ;h o w e v e r ,t h e ye x h i b i tl o w ma g n e t i ci n d u c t i o nv a l v e sc o m p a r e dt o A l n i c omagne ts .R a r ee a r t hm a g n e t sh a v ev e r yh i g he n e rg yp r o d u c t sb u to n t h ea v e r a g ec o s t2 0 t i m e sm o r et h a nt h eA l n i c oo rc e r a m i cv a r i e t e sf o rc o m p a r a b l ep e r fo rma n c e .H o w e v e r ,t h e yd o o f f e ro n e a d v a n ta g et o t h em o t o rb u i l d e ri n t h a tt h em a g n e t i cm a t e r i a lc a n b e m a g n e t i z e dp r i o rt o a s s e m b l y.

A n o t h e rc h a r a c t e r i s t i cu s e d t o c l a s s i f yp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r si s a r m a t u r ed e s i g n .T h e r ea r e c u r r e n t l yt h r e et y p e so fa r m a t u r e

d e s i g n sf o r me c h a n ic a lc o m m u t a t i o n

p e r m a n e n t

1 5 2 6

I



3/7

1 5 2 7LEINA N DKENYON:PERMA N EN TMAGNETD CMO TO RSDESIGNC R I T E R I A

E n e r g yP r o d u c t- B d H d X l o 6

2 0 0 0 1 0 0 0

D e m a g n e t i z i n gF o r c eH-Oersteds

F i g .3 . C e r a m i cm a g n e tm a t e r i a lp r o p e r t i e s .

E n e r g yP r o d u c t- B d H d X 1 o 6

D e m a g n e t i z i n gF o r c eu - O e r s t e d s

F i g .4 . A l n i c om a g n e tm a t e r i a l p r o pe r t i e s .

E n e r g yP r o d u c t - B d H d X l o 6 M a g n e t1 0

7 I I I I I I -I I I '2 0 1 6 1 21 8

. 1 61 2

1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6000 4 0 0 0 2 0 0 0 0

D e m a g n e t i z i n gF o r c eH-Oersteds

F i g .5 . R a r e e a r t hmagnet m e t e r i a lp r o p e r t i e s .

m a g n e tm o t o r s .T h e s ed e s i g n sar e i r o n - c o r e ,s u r f a c e - w o u n d ,a n dm o v i n g - c o i lm o t o r s .

A R M AT U R EDESIGNSI r o n - C o r eM o t o r s

T h er o t o r a n d s t a t o rc o n f i g u r a t i o no f an i ron-core m o t o ri s

s h o w ni n F i g .6 . T h e m a g n e ts t r u c t u r e i n t h i se x a m p l ei s

R o t o r

CD0

t o._

CD0

0

1 z

t o

c

F i g .6 . C r o s ss e c t i o n a lv i e wo f p e r m n a n e n tm a g n e ti r o n - c o r ed c m o t o r.

s h o w nas a s e g m e n to f m a g n e tm a t e r i a l - i nt h i scase a c e r a m i cm a g n e t( A l n i c oor r a r e e a r t h m a g n e t sc o u l da l s o h a v e b e e nu s e d ) .T h e m a g n e t i cf l u x p a s s e s t h r o u g ha l a m i n a t e dr o t o rs t r u c t u r e .T h er o t o r c o n t a i n ss l o t s ,i n t ow h i c hwire i s p l a c e d .( T h ew i r ei s m e c h a n i c a l l ys u p p o r t e di n s u c ha r o t o r s t r u c t u r es i n c e i t c an b e i m p r e g n a t e dw i t h v a r n i s h or r e s i n sa n dm e c h a n i c a l l yb o n d e dt o t h e i r o n c o r e . )

T h em a g n e t i cf l u x ,t h e r e f o r e ,m u s tp a s s t h r o u g ha s m a l ia i rgap a n do v er a l o w - r e l u c t a n c ep a t ht o r e a c ht h e o p p o s i t ep o l e .

T h ei r o n - c o r es t r u c t u r eh a s t h e h i g h e s tmomen to f i n e r t i aa n d

4nc n

03 S

c o

1-

7

5

3

a )0

c ro

0

I C

c0

z



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I E E ET R A N S A C T I O N SONI N D U S T R YA P P L I C AT I O N S ,V O L .I A - 2 0 ,N O.6 , NOVEMBER/DECEMBER1 9 8 4

C o n d u c t o r s( b o n d e dt o g e t h e rb yn o n - m a g n e t i cm a t e r i a l s )

S t a t i o n a r yf l u xR e tu rn P at h

F i g .7 . C r o s ss e c t i o n a lv i e wo f s u r f a c e - w o u n dp e r m a n e n tm a g n e td c m o t o r .

t h el a r g e s tr o t o r i n d u c t a n c eo f a l l p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r sc u r r e n t l yb e i n g m a r k e t e d .I n a d d i t i o n ,t h er o t o r may h a v ep r e f e r r e d" d e t e n t "p o s i t i o n sd u e t o u n e q u a lr e l u c t a n c ep a t h si nt h em a g n e t i cs t r u c t u r e .H o w e v e r ,s k e w i n go f t h er o t o r s l o t sc a n mi n i mi ze or e v e n e l i m i n a t et h i st e n d e n c y .T h ei r o n - c o r emotor i s b y f a rt h emost w i d e l yu s e d t y p e o f d c motor f o ri n c r e m e n t a lm o t i o na p p l i c a t i o n ss i n c et h e i r o n - c o r er o t o rs t r u c t u r eh a s a h i g ht h e r m a lc a p a c i t y( t h e r m a lt i m ec o n s t a n t sr a n g i n gf r o m4 5 m i n t o 4 h ) a n d c a n t a k eo v e r l o a d sf o re x t e n d e dp e r i o d so f t i m ew i t h o u td a m a g e .

S u r f a c e -WoundM o t o r sF i g .7 s h o w st h er o t o r d e s i g no f a s u r f a c e - w o u n dm o t o r .

T h ec o n d u c t o r sar e b o n d e dt o t h es u r f a c eo f a c y l i n d r i c a lr o t o rs t r u c t u r e ,w h i c hi s m a d eo f l a m i n a t e dd i s k sf a s t e n e dt o t h emotor s h a f t .S i n c en o s l o t sar e u s e d i n t h i sd e s ig n , t hea r m a t u r eh a s n o t e n d e n c yt o a s s u m e p r e f e r r e dd e t e n tp o s i -t i o n s .S i n c et h ec o n d u c t o r se x i s ti n t h ea i rga p b e t w e e nt h er o t o r d i s k sa n dt h ep e r m a n e n tm a g n e t i cf i e l d ,t h i sd e s i g nh a sl o w e r i n d u c t a n c et h a nt h e i r o n - c o r es t r u c t u r e .H o w e v e r ,b e c a u s e t h e a i r gap b e t w e e nt h e magnet a n d t h e l o w -i n d u c t a n c er o t o r i s l a r g e rt h a ni nt h ei r o nco re m o t o r ,a l o n g e rm a g n e t ,r e g a r d l e s so f t h et y p eo f m a t e r i a ls e l e c t e d ,i s r e q u i r e di n o r d e r t o p r o v i d ea m a g n e t i cf l u xe q u i v a l e n tt o t h a to f t h ei r o n - c o r em o t o r . S u r f a c e - w o u n dm o t o r sa r e , t h e r e f o r e ,moree x p e n s i v et o p r o d u c ea n dh a v el a r g e ro u t s i d ed i a m e t e r st h a ne q u i v a l e n ti r o n - c o r em o t o r s[ 1 ] ,[ 3 ] .

M o v i n g - C o i lM o t o r sM o v i n g - c o i lm o t o r s ar e d e s i g n e d t o h a v e ve r y s m a l l

momentso f i n e r t i a .T h i si s a c h i e v e dt h r o u g hr o t o r d e s i g n :t her o t o r s c o n s i s to f c o n d u c t o r sp l a c e di n t h ea i rg ap b e t w e e nas t a t i o n a r yf l u xr e t u r np a t ha n dt h em a g n e ts t r u c t u r e ,as s h o w ni nF i g .8 .

I n t h i se x a m p l e ,t h ec o n d u c t o rs t r u c t u r e i s s u p p o r t e db yn o n m a g n e t i cm a t e r i a l s ,u s u a l l yepoxy r e s i n sa n df i b e r g l a s s ,t of o r ma h o l l o wc y l i n d e r .One e n do f t h ec y l i n d e rf o r m sa h u bw h i c hi s a t t a c h e dt o t h emotor s h a f t .A cross s e c t i o nv i e wo fs u c ha m o t o ri s s h o w ni n F i g .9 .

S i n c ea l lu n n e c e s s a r ye l e m e n t sh a v eb e e nr e m o v e df r o mt h ea r m a t u r eo f a m o v i n g - c o i lm o t o r ,i t sm o m e n to f i n e r t i ai s very

F i g .8 . C r o s ss e c t i o nv i e wo f m o v i n g - c o i lp e r m a n e n tm a g n e td c m o t o r.

l o w .H o w e v e r ,i t h a sa l a r g e rm a g n e t i ca i rg a p t h a nt h et w om o d e l sd i s c u s s e de a r l i e ra n d ,t h e r e f o r e ,r e q u i r e sa n e v e nl a r g e rm a g n e t i cs t r u c t u r et h a nt h e p r e v i o u se x a m p l e st op r o d u c ea n e q u i v a l e n ta i rg a p m ag ne ti cf l u x .U s eo f A l n i c om ag ne ti c s c o ul d r ed uc et h es i z eo ft h em a g n e t i cs t r u c t u r e ,d u et o t h e i rv e r y h i g hi n d u c t i o nv a l v e s ,b u t t h ea c c o m p a n y i n gr e d u c t i o ni n d e m a g n e t i z i n gf o r c ew o u l db e u n s a t i s f a c t o r y .H e n c et h ep r i c eo n ep a y sf o rt h eh i g ht o r q u et oi n e r t i ar a t i oi ns u c ha m o t o ri sa r a t he r l a r gem a g n e ts t r u c t u r e .I na d d i t i o n ,t h er o t o r s t ru c tu r eh a sa v e r yl o wt h e r m a lc a p a c i t y ;i f o v e r l o a d e d ,i t c a n e a s i l yb e d a m a g e d .Whenm o v i n g - c o i lm o t o r sa r eu s e di n h i g h - p e r f o r m a n c ei n c r e m e n t a lm o t i o na p p l i c a t i o n s ,i t i scommont o c o o l t h er o t o rs t r u c t u r eb y m e a n so f f o r c e d - a i rc o o l i n g .T h em o v i n g - c o i la r m a t u r ec i r c u i t ,b e c a u s et h ec o n -d u c t o r sa r en o t i n d i r e c tc o n t a c tw i t hi r o n ,h a s a v e r y l o wi n d u c t a n c e :v a l u e so f l e s st h a n1 0 0

A . Ha r ec o m m o n .A n o t h e r

v e r s i o no f t h em o v i n g - c o i lm o t o ri s s h o w ni n F i g .1 0 .T h i st y p eo f m o t o rh a sa d i s k - s h a p e da r m a t u r es t r u c t u r ew h i c hi sm a d eu p o f a m u l t i t u d eo f c o n d u c t o r s ,s o m e t i m e si n s e v e r a ll a y e r s ,f o r m i n ga c o n d u c t o ra r r a y .T h e c o n d u c t o ra r r a yi su t i l i z e da sa c o m m u t a t i o ns u r f a c e .T h i sm o t o rt y p eh a si n t h ep a s tb e e n c a l l e da " p r i n t e dm o t o r "i n r e f e r e n c et o e a r l ym o d e l si nw h i c hs o - c a l l e d" p r i n t e dc i r c u i t s "w e r ef i r s tu s e dt of o r mt h ec o n d u c t o ra r r a y s .To d a y,t h i st y p eo f m o t o ri s m a d ef r o ms t a m p e da n dw e l d e dc o p p e rc o n d u c to rp a t h s .T h i sm o t o rh a sf o u n dm a n yu s e s ,e s p e c i a l l yi n a p p l i c a t i o n sw h e r es h o r ta x i a ll e n g t hi s a c r i t i c a lf a c t o r .T h ed i s ka r m a t u r ei n t h i st y p eo f m o t o rg e n e r a l l yh a sa h i g h e rmomento f i n e r t i at h a nt h e

c y l i n d r i c a lm o v i n gc o i la r m a t u r ef o rt w o r e a s o n s :t h ee n dt u r n sa r ed o m i n a n ti n e r t i a - p r o d u c i n ge l e m e n t sa n dt h emomento f i n e r t i ao f a d i s ki n c r e a s e sb y t h ef o u r t hp o w e ro f i t sd i a m e t e r[ 1 ] ,[ 4 ] .

Up t o t h i sp o i n twe h a v ee x a m i n e ds o m eb a s i co p e r a t i n gp r i n c i p l e so f d c m o t o r sa s w e l la s t y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb a s i cd c m o t o rm o d e l s .A s we h a v es e e n ,e a c ho f t h ev a r i o u sm o t o r d e s i g n sh a su n i q u ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s .Whena m a c h i n et o o ld e s i g n e ri s f a c e dw i t ht h e ,p r o b l e mo fs e l e c t i n gt h eb e s tm o t o rf o ra g i v e na p p l i c a t i o n ,h e m u s tf i r s td e f i n eh i ss p e c i f i cn e e d si n t e r m s o f s y s t e mr e q u i r e m e n t s .W i t ht h i sk n o w l e d g e ,h e c a nt h e ne x a m i n et h ev a r i o u so p t i o n so f a v a i l a b l em o t o r s w i t h a v i e w t o w a r d t h e n e c e s s a r y

1 5 2 8



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KLEINAND KENYON:PER M ANENTMAGNET DCM OTOR SDESIGNCRITERIA 1 5 2 9

Magnet P o l e

F l u x P a t h

F i g .9 . C ro sss e c t i o n a ls i d ev i e wo f m o v i n g - c o i ld c m o t o r.

\- P e r m a n e n t -Magnets

F i g .1 0 . E x p l o d e dv i e wo fd i s kt y p em o v i n g - c o i ld c m o t o r .

c o n t r o l l e r ,p o w e r s u p p l y ,a n d f e e d b a c kt r a n s d u c e rre q u i re -m e n t s . We w i l lnow e x a m i n esome o f t h e p r i m a r yp e r f o r m -an ce c h a r a c t e r i s t i c sr e q u i r e do f t h ed c motor i n o r d e r t o meett h ed e m a n d so f i n c r e m e n t a lm o t i o na p p l i c a t i o n s .

P ER F OR MANC ECHARACTERISTICSMotor E f f i c i e n c y

S y s t e m si n c o r p o r a t i n gi n c r e m e n t a lm o t i o no f t e ni n v o l v et h ep r o d u c t i o no f h i g hp e a kt o r q u e sw i t hl i t t l eu s e f u lw o r kd o n e ;t h a ti s , t h e yi n v o l v e a c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o no f i n e r t i a ll o a d sw i t h s m a l lf r i c t i o n a ld e m a n d s .T h e m o t o r , t h e r e f o r e ,a b s o r b se ne rgy d u r i n gb o t ha c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ,a n dt h eprimary h e a t - p r o d u c i n ge l e m e n ti n t h em o t o ri s a r m a t u r er e s i s t a n c e .I f h i g hs h a f tv e l o c i t i e sar e i n v o l v e d ,we may h a v es i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o n st o m o t o rh e a t i n gb y v i s c o u sd a m p i n ge f f e c t sas w e l l .

I t i s i m p o r t a n tt o n o t e t h a th i g hmotor e f f i c i e n c yi s n o t t h eo n l yc r i t e r i o nb y w h i c ha d c motor f o ri n c r e m e n t a lm o t i o nuses h o u l db ej u d g e d .E f f i c i e n c ym u s tb e c o n s i d e r e dt o g e t h e rw i t hmotor m o m e n to f i n e r t i a ,m o t o ri n d u c t a n c e ,a n dp eak c u r r e n tc a p a b i l i t yi n o r d e r t o a r r i v ea t o p t i m u ms y s t e m se f f i c i e n c i e sa n dp e r f o r m a n c ec a p a b i l i t i e s .

A r m a t u r eI n e r t i aS i n c e t h e o b j e c t i v ei n i n c r e m e n t a lm o t i o ns y s t e m si s t h e

r a p i ds t a r t i n ga n d s t o p p i n go f a r o t a t i n g l o a d ,t h e m o t o r sc o n t r i b u t i o nt o t he s y s t e m ' si n e r t i as h o u l db e o p t i m i z e da s

n e a r l ya s p r a c t i c a b l ei n o r d e rt o f u l f i l lt h es y s t e ms p e c i f i c a -t i o n sa n d r e q u i r e m e n t s .T h e m o v i n g - c o i lm o t o r d i s c u s s e dp r e v i o u s l yo f f e r st h e l o w e s ti n e r t i ao f a l l d c m o t o r s . I fa d e q u a t ec o o l i n gm e a n sa r ea v a i l a b l e ,t h i sm o t o rd e s i g nm a yb e a g o o dc h o i c e .H o w e v e r ,t h ev e r yl o wt h e r m a lc a p a c i t yo ft h er o t o r s t r u c t u r ed e m a n d sa t h o r o u g hk n o w l e d g eo f t h ew o r s t - c a s el o a dc o n d i t i o n ss i n c et h em o v i n gc o i la r m a t u r e( w h i c hc a nh a v ea t h e r m a lt i m ec o n s t a n ta sl o wa s3 0 s )c a nb ed a m a g e db y e v e ns h o r t - t e r mo v e r l o a dc o n d i t i o n s .T h e i r o nc o r e s t r u c t u r e ,o n t h eo t h e rh a n d ,c a n i n m a n yc a s e ss u s t a i np r o l o n g e do v e r l o a dw i t h o u td a m a g e .S o m em o t o r s h a v et h e r m a lt i m ec o n s t a n t sa sh i g ha s4 h . -I r o n - c o r em o t o rd e s i g n su s i n gh i g he n e rg yp r o d u c tm a g n e t ss u c h a s A l n i c oo r r a r ee a r t ht y p e sc a na c h i e v el o w e rm o m e n t so fi n e r t i at h a nm o t o r su s i n gc e r a m i cm a g n e t s .H o w e v e r ,t h el i m i t i n gf a c t o r so f u s i n g

t h e s et y p e so f m a g n e t se x c l u s i v e l yi s

t h eh i g hc o s to f r a r ee a r t h

m a t e r i a la n d t h el o wr e s i s t a n c et o d e m a g n e t i z a t i o no f A l n i c om a g n e t s .

A r m a t u r eI n d u c t a n c eI n o r d e rt o a c h i e v ea r a p i dm o t o rr e s p o n s e ,t h ea r m a t u r e

i n d u c t a n c eo f t h em o t o rm u s tb e l o w .T h e e l e c t r i c a lt i m ec o n s t a n to ft h em o t o rc a nt h e np e r m i tt h er e q u i r e dc u r r e n tr i s et i m ew i t h o u ti n t e r f e r r i n gw i t hs e r v oo p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t s .H o w e v e r ,s o m e t i m e sa l o wa r m a t u r ei n d u c t a n c ei s n e e d e dt of u l f i l ls e r v o r e s p o n s ed e m a n d sa t t h e s a m e t i m et h a tar e l a t i v e l yh i g hi n d u c t a n c ev a l v ei s n e e d e di no r d e rt ou s ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n(PWM)t e c h n i q u e sf o rp o w e rc o n t r o l .I n



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I E E ETRANSACTIONSONINDUSTRYA P P LI C ATI O N S, V O L .I A - 2 0 ,N O .6 , NOVEMBER/DECEMBER1 9 8 4

s u c h c a s e s ,e x t e r n a li n d u c t o r sm u s t b e a d d e do n t o l o wi n d u c t a n c em o t o r s ,s u c ha st h em o v i n g - c o i ld e s i g n ,i no r d e rt ok e e pt h ePWM r i p p l ecu r ren t a t a n a d e q u a t el e v e l .

L i n e a rC u r r e n tt o To r q u eR e l a t i o n s h i p sA sd i s c u s s e dp r e v i o u s l y ,t h el i n e a rr e l a t i o n s h i pw h i c he x i s t s

b e t w e e na r m a t u r e c u r r e n t a n d o ut pu t t or qu ei s a v e r yi m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co f d c m o t o r sw h e nc o n s i d e r i n gt h e i rs u i t a b i l i t yf o r u s e i n i n c r e m e n t a lm o t i o ns e r v o s y s t e m s .A n o t h e rw a yo f s t a t i n gt h i si s t h a tt h et o r q u ec o n s t a n tK ts h o u l dn o t v a r yw i t ht h ec u r r e n t l ev e lo r a n g l eo r r o t a t i o no ft h er o t o r .C o n d i t i o n sw h i c hc a n c a u s et h et o r q u eco ns t an tt ov a r y a r e m a g n e tc i r c u i ts a t u r a t i o na n d / o rp o o r a r m a t u r ed e s i g n .T h e f o r m e rr e s u l t si n l o w t o r q u e c o n s t a n ta t h i g ht o r q u el e v e l s ,a n dt h el a t t e rc a u s e sa c y c l i c a l l yv a r y i n gt o r q u ew i t hr o t a t i o nd u e t o i n s u f f i c i e n tn u m b e ro f c o m m u t a t i o np o i n t s .

R e l u c t a n c eTo r q u eD i s t u r b a n c e s

T h em a g n e t i cd e s i g no f d c m o t o r sf o ri n c r e m e n t a lm o t i o na p p l i c a t i o n ss h o u l db e s u c ht h a tt h ea r m a t u r ed o e s n o t h a v ep r e f e r r e ds h a f ta n g l ep o s i t i o n s( i . e . ,t h a tt h er o t o rd o e s n o t" c o g "w h e nr o t a t e db y e x t e r n a lm e a n sw h i l eu n e n e r g i z e d ) .T h et e n d e n c yt oc o gi s t h er e s u l to f a d e s i g ni nw h i c ht h er o t o rs t r u c t u r ep r o v i d e sa l o w e rr e l u c t a n c et o t h em a g n e t i cf i e ld i ns o m ep o s i t i o n st h a ni n o t h e r s .T h u s ,i f i t i s n e c e s s a r yt o s t o pa nd h o l da r o t o rs h a f ti n a g i v e na n g u l a rp o s i t i o n ,a r o t o rw h i c hc o g sm i g h tr e q u i r ea c o n s t a n tc u r r e n tt oh o l dt h es h a f ti nt h a ts p e c i f i cp o s i t i o n - i ft h a tp o s i t i o na l s oh a p p e n st o b el o c a t e da t a p o i n tw h e r er e l u c t a n c et o r q u ei s p r e s e n t .

T h eMotor To r q u eC o n s t a n tVe r s u sTe m p e r a t u r eI ft h em o t o ri s t ob e u s e di na n a p p l i c a t i o nw h e r es i g n i f i c a n t

m o t o rh e a t i n gi s l i k e l yt oo c c u r ,t h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to ft h em a g n e t i cf i e l dm u s tb e e x a m i n e d .T h i si s n e c e s s a r yt od e t e r m i n ew h e t h e rt h et o r q u ec o n s t a n tc o u l db e s i g n i f i c a n t l ya l t e r e da t e x t r e m et e m p e r a t u r e s .A s i t t u r n so u t ,t h el o w e s tc o s tp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sh a v ea h i g h e rt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f ma g n e t i cf l u xt h a no t h e r s :b a r i u m - f e r r i t et y p ec e r am i c m a gn e ts ,f o re x a m p l e ,h a v ea t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f - 0 . 2p e r c e n t / C ,w h e r e a sA l n i c oV h a sa t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f - 0 . 0 2 p e r c e n t / C ,a n d A l n i c oV I I Ih a sat e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f l e s st h a n- 0 . 0 1p e r c e n t / C .T h en e w e s to f t h em a g n e tm a t e r i a l s ,t h er a r ee a r t hc o m p o u n d s ,

h a v ea t e n d e n c yt o e x p e r i e n c el o n g - t e r mi r r e v e r s i b l ed e m a g -n e t i z i n ge f f e c t si f o p e r a t e da t m o d e r a t e l yh i g ht e m p e r t u r e s .D e p e n d i n go n s p e c i f i cc o m p o u n d s ,t h e ymay s h o wa g i n ge f f e c t si f o p e r a t e da b o v et e m p e r a t u r e sr a n g i n gf r o m1 5 0 Ct o2 0 0 C .

Motor P e a kC u r r e n tC a p a b i l i t yD e p e n d i n go n t h et y p eo f m ag ne t u se d a ndo n t h ea i rg a p

c h a r a c t e r i s t i c so f t h em o t o r ,m o t o rm a g n e t smayd e m a g n i t i z ei f t h ec u r r e n te x c e e d sa c e r t a i nv a l u e .T h i si s g e n e r a l l yd u et ot h ei n t r i n s i cc o e r c i v ef o r c ec h a r a c t e r i s t i c so f m a g ne tm a t e r i a l s .A commont r e n di s t h a ta l lp e r m a n e n tm a g n e t sh a v ea l o w e rr e s i s t a n c et o d e m a g n i t i z a t i o na t h i g ho p e r a t i n gt e m p e r a t u r e s .

S i n c ei n d i v i d u a lm o t o r d e s i g n sh a v e v a r y i n gd e g r e e so fs e n s i t i v i t yt o t h ec o m b i n a t i o no f p e a kc u r r e n t sa n d t e m p e r a -t u r e ,i t i s i m p o r t a n tt o e x a m i n et h em o t o rs p e c i f i c a t i o n si no r d e rt o d e t e r m i n ew h e t h e rc u r r e n t - c a u s e dd e m a g n i t i z a t i o nc o u l dc r e a t ea p o t e n t i a lp r o b l e mi nt h em o t o ru n d e rc o n s i d e r -a t i o n .

Vi s c o u sDampingC o e f f i c i e n tT h ev i s c o u sd a m p i n gc o e f f i c i e n tc o n s i s t so f s e v e r a lc o m p o -

n e n t s ,s o m eo f w h i c ha r em e c h a n i c a li n n a t u r e ;o t h e r sa r ec a u s e d b y e l e c t r o m a g n e t i ca c t i o n si n t h e s t r u c t u r e .T h ep r e s e n c e o f v i s c o u sd a m p i n gc a n b e i n f e r r e df r o m t h eo b s e r v a t i o no f i n c r e a s e dn o - l o a dc u r r e n ta t i n c r e a s e ds p e e d s .

T h em e c h a n i c a lc o m p o n e n to f t h ev i s c o u sd a m p i n gi s p a r t l yd u e t o f r i c t i o nc a u s e db y b e a r i n gl u b r i c a t i o nc o m p o n e n t sa n db e a r i n gs e a l s .T h e c o n t r i b u t i o nt o v i s c o u sf r i c t i o nb y t h e s ee l e m e n t su s u a l l yi s o n e t h a ti n c r e a s e sl i n e a r l yw i t hv e l o c i t y .A n ot h e r m ec h an i ca le f f e c tw h i c hmay m a n i f e s ti t s e l fa t h i g h

s h a f tv e l o c i t yi s

t h e" w i n d a g e "e l e m e n td u et or a p i d l yr o t a t i n gp a r t si n t h em o t o r.T h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p o n e n t so f t h ev i s c o u sd a m p i n g

e f f e c tc o n s i s to f t h r e ep r i n c i p a le l e m e n t s :

1 ) c i r c u l a t i n gc u r r e n tc a u s e d f r o m c u r r e n t sf l o w i n gi nc o m m u t a t e dc o i l si n t h ep r e s e n c eo f s t r a yf i e l d si n t h es t a t o r ;

2 ) e d d y - c u r r e n t sc a u s e df r o ma r m a t u r ec o n d u c t o r sm o v i n gi n t h em a g n e t i cf i e l d( t h i se f f e c tg e n e r a l l yo c c u r s a th i g h e rs p e e d sa n d t e n d st o i n c r e a s ew i t ht h es q u a r eo fm o t o rv e l o c i t y ) ;

3 ) h y s t e r e s i sc a u s e db y t h ec h a n g ei n m a g n e t i cf l u xi n t h er o t o rd u et o t h er o t a t i o ni n t h ep e r m a n e n tm a g n e tf i e l d .

T h ec o m m e n t sp e r t a i n i n gt oe d d yc u r r e n t sa n dh y s t e r e s i sw e r em a d ea s s u m i n gt h a tt h ea r m a t u r ec u r r e n tr e m a i n e dr e l a t i v e l yc o n s t a n t .T h eh e a t i n ge f f e c t sf r o me d d yc u r r e n t sa n dh y s t e r e -s i sc a n b e g r e a t l ya c c e n t u a t e di f t h em o t o ri s o p e r a t e di n ap u l s e w i d t hm o d u l a t i o no r p u l s ef r e q u e n c y ,m o d u l a t i o nw i t has i g n i f i c a n ta c a r m a t u r ec u r r e n tc o m p o n e n ti na d d i t i o nt ot h ed cc u r r e n t .I fm a g n e t i cm a t e r i a le x h i b i t i n gl o wr e s i s t i v i t y,s u c ha sr a r ee a r t hc o m p o u n d s ,a r eu s e d i n t h i se n v i r o n m e n to f a cc u r r e n tc o m p o n e n t s ,e d d y - c u r r e n th e a t i n gmay a l s oo c c u ri nt h ema g n e t i cm a t e r i a lc a u s i n gh e a t .I t i s t h e r e f o r ei m p o r t a n tt op a yp a r t i c u l a r l yc l o s ea t t e n t i o nt o t h i sp h e n o m e n o nw h e nt h e

m o t o ri s u s e dw i t hPWM c o n t r o l s .

To rs io n a lR e s o n a n c eC o n d i t i o n s

S i n c ei n c r e m e n t a lm o t i o ns y s t e m sn o r m a l l yr e q u i r es o m et y p eo f s p e e do r p o s i t i o nf e e d b a c kt r a n s d u c e r s ,i t i s i m p o r t a n tt oe x a m i n et h es y s t e mf o r t h ep r e s e n c eo f t o r s i o n a lr e s o n a n c ef r e q u e n c i e s .T h o s er e s o n a n tf r e q u e n c i e sc ou l d c au seo s c i l l a -t i o n si na c l o s e d - l o o ps e r v os y s te m. S ev er als t e p sc a nb e t a k e nt o r e d u c eo r e l i mi n a t e t h e s er e s o n a n tf r e q u e n c i e s .

* M o t o rs h a f ts t i f f n e s ss h o u l db e h i g h .* An y f e e d b a c kt r a n s d u c e r ss h o u l db e d i r e c t l yc o n n e c t e dt o

t h em o t o rs h a f t .

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E I NA N DKENYON:PERMANENTM A G N ETDCMOTORSD E S I G NC R I T E R I A

* L o a dc o u p l i n gt om o t o rs h o u l db e b y m e a n so f a c o u p l i n gw h i c hd o e s n o t o f f e rs i g n i f i c a n tt o r s i o n a lr e s o n a n c ep r o b l e m s[ 1 ] ,[ 3 ] .

SUMMARY

T h ec o r r e c tc h o i c eo f a m o t o rf o ru s e i n a n i n c r e m e n t a lt i o ns e r v os y s t e mi s t h es i n g l em o s ti m p o r t a n ts t e pt o w a r d st a i n i n gt h em o s to p t i m i z e ds y s t e m .W eh a v ee x a m i n e dt h e

e r i t so f t h ed c m o t o ri n f u l f i l l i n gt h i sf u n c t i o n .W e h a v en s i d e r e dt h ed c m o t o r sb a s i co p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa s

e l la ss e l e c t i o nc r i t e r i a .A r m e dw i t ht h i su n d e r s t a n d i n go ft h ep a b i l i t i e so f v a r i o u sd c m o t o rt y p e s ,t h em a c h i n et o o ls y s t e ms i g n e rc a nm o r ee f f e c t i v e l ym e e tt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n so f

sm a c h i n e ' si n c r e m e n t a lm o t i o nr e q u i r e m e n t s .

REFERENCES] C. K u oa n dJ . Ta l ,DC M o t o r sa n dC o n t r o lS y s t e m s .C h a m p a i g n ,

I L :S . R . L .P u b l i s h i n g ,N o v. 1 9 7 8 ,p p .8 1 - 9 6 .

] F . D u g a n ,"A s t a t e - o f - t h ea r t c o b a l tr a r ee a r t h ,p e r m a n e n tm a g n e tm o t o rf o r t hem a c h i n et o o li n d u s t r y , "p r e s e n t e da t t h eI E E E - I A SM a c h i n eTo o l sI n d u s t r yC o n f . ,O ct . 1 9 7 5 .

] DC M o t o r s ,Spe e dC o n t r o l s ,S e r v oS y s t e m s ,5 t he d . ,E l e c t r o - C r a f tC o r p . ,A u g .1 9 8 0 ,p p .2 - 1 1 - 2 - 6 4 .

] W. S m e a t o n ,M o t o rA p p l i c a t i o na n d M a i n t e n a n c eH a n d b o o k .Ne wYo r k :M c G r a w - H i l l ,1 9 6 9 ,p p .9 - 3 6 .

F r a n kN . K l e i n( S ' 5 6 - M ' 5 8 )r e c e i v e dt h eB . E . E .d e g r e ef r o m M a r q u e t t eU n i v e r s i t y ,M i l w a u k e e ,

~4WI,i n1 9 5 8 .He w a s a s s o c i a t e dw i t h t h eA m e r i c a nM o t o r s

C o r p o r a t i o na n dl a t e rw i t ht h eD y n a m a t i cD i v i s i o nl _ o f E a t o nC o r p o r a t i o ni n a c o o p e r a t i v ew o r k s t u d y

p r o g r a m .He t h e nj o i n e dE a t o nC o r p o r a t i o n ,D y n a -m a t i cD i v i s i o n ,a s a R e s e a r c hE n g i n e e ri ne l e c t r i c a ld r i v e ss y s t e m s .He h a s w o r k e do v e r 2 0 y e a r si ne l e c t r i c a ld r i v ed e v e l o p m e n ti n e d d y c u r r e n t ,d c ,a n da d j u s t a b l ef r e q u e n c y( A F ) .He h o l d sf i v eU . S .p a t e n t sr e l a t i n gt o A F d r i v e s .I n 1 9 8 0h e b e c a m eM a n a g e ro f D r i v e

A p p l i c a t i o n s ,r e s p o n s i b l ef o re d d yc u r r e n t ,d c ,a n dA Fd r i v ea p p l i c a t i o n s .M r . K l e i nh e l ds e v e r a le l e c t e do f f i c e si n t h el o c a lR a c i n e - K e n o s h aI E E E

s u b s e c t i o no f t h eM i l w a u k e eS e c t i o no f t h eI E E E ,i n c l u d i n gC h a i r m a n .He h a sa l s os e r v e di ns e v e r a lI E E ES o c i e t yg r o u p s ,i n c l u d i n gM a g n e t i c sa n dI n d u s t r yA p p l i c a t i o n sa s a n e l e c t e do f f i c e ri nt h eM i l w a u k e eS e c t i o n .He p r e s e n t l yi s am e m b e ro f t h e I A S I n d u s t r i a lD r i v e s C o m m i t t e e .He i s a R e g i s t e r e dP r o f e s s i o n a lE n g i n e e ri n t h eS t a t eo f W i s c o n s i n .

Mark E . K e n y o nr e c e i v e dt h e B . S .d e g r e ei n_ c h e m i s t r yf r o mM a r q u e t t eU n i v e r s i t y ,M i l w a u k e e ,

WI ,i n 1 9 7 6a n dh a ss i n c es t u d i e db u s i n e s sm a n a g e -m e n t a t t h e U n i v e r s i t yo f W i s c o n s i n - P a r k s i d

K e n o s h a ,WI .He i s a n I n d u s t r yA p p l i c a t i o nE n g i n e e rw i t hE a t o nC o r p o r a t i o n ,E l e c t r i cD r i v e sD i v i s i o n ,w h e r eh e i s r e s p o n s i b l ef o r m a r k e t i n ga n d a p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n ga s p e c t so f t h eD i v i s i o n ' sv a r i a b l es p e e dd r i v e sw h i c ha r eu t i l i z e di n t h em e t a l - c u t t i n ga n d 'm e t a l - f o r m i n gi n d u s t r i e s .

dc criteria

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