Wie Eisenverluste Die Auswahl Eines BLDC-motors Direkt Beeinflussen

Ingenieure streben stetig danach, Leistung, Effizienz und Kompaktheit wichtiger Geräte und Anwendungen in vielen Branchen und Märkten kontinuierlich zu verbessern. Ihr Ziel sind nicht nur bahnbrechende Innovationen, sondern auch kontinuierliche Fortschritte bei der Leistung und Effizienz der wichtigsten Komponenten.

Dies gilt besonders für Mini-Elektromotoren, die unerlässlich sind, um das Leben vieler Menschen zu retten und zu verbessern. Ein entscheidender Aspekt der Motorleistung ist der Wirkungsgrad, der als Verhältnis zwischen der mechanischen und der elektrischen Leistung definiert ist:

Da sich der Wirkungsgrad direkt auf die Erwärmung und den Stromverbrauch des Motors auswirkt, muss er mit größter Sorgfalt ausgewählt werden, um den verfügbaren Platz optimal zu nutzen. Im Folgenden untersuchen wir Wirkungsgrad und Verluste eines BLDC-Motors und zeigen, inwiefern dies eine Schlüsselrolle bei der Konstruktion und Auswahl des Motors spielt.

DIE UNTERSCHIEDLICHEN VERLUSTE IN EINEM BLDC-MOTOR

Ein BLDC-Motor hat die Aufgabe, elektrische Leistung (U*I) in mechanische Leistung (T*ω) umzuwandeln. Da ein Motor jedoch nie perfekt arbeiten kann, entstehen bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie drei Hauptverluste: Reibungsverluste, Kupferverluste und Eisenverluste.

Elektrische Leistung– (Reibungsverluste + Kupferverluste + Eisenverluste) = Mechanische Leistung

Reibungsverluste. Die Reibungsverluste werden von den Kugel-/Buchsenlagern verursacht und hängen nicht nur von der Verwendung (Geschwindigkeit, Last, Beschleunigung) und Umgebung (Temperatur, Schmutz usw.) der Anwendung ab, sondern auch von den intrinsischen Parametern der Lager, einschließlich Material, Verschleiß, Schmiermittel und Dichtungen.

Kupferverluste. Die Kupferverluste, auch als Joule-Verluste bezeichnet, werden durch den Widerstand der Spule verursacht. Das Drehmoment ist direkt linear proportional zum Strom (T=k*I), d. h. je mehr Drehmoment ein Motor generiert, desto höher sind die Kupferverluste, die erzeugt werden. Dies ergibt sich aus der nachstehenden quadratischen Funktion:

Kupferverluste = R * I ²

Beachten Sie, dass sich der Widerstand erhöht, wenn sich der Motor erwärmt. Dadurch verringert sich der Wirkungsgrad entsprechend der folgenden Gleichung:

R=R0.(1 + γ. ΔTemp)
-R0: Widerstandswert (Ω) bei Umgebungstemperatur (siehe Datenblatt)
- γ: Widerstandswert von 0,004/°C bei Kupfer

Eisenverluste. Eisenverluste werden häufig unterschätzt, haben aber einen erheblichen Einfluss auf die Motorleistung. Die Verluste hängen stark von der Änderungsfrequenz des magnetischen Flusses in einem Material ab, d. h. je schneller ein Motor rotiert, desto mehr Verluste entstehen.

Um dieses Phänomen besser zu verstehen, kann man ein kleines Experiment durchführen. Ein Magnet wird in ein leicht ferromagnetisches (Kupfer- oder Aluminium-) Rohr geworfen. Dabei lässt sich beobachten, dass die Geschwindigkeit des fallenden Magneten viel geringer ist als erwartet. Dann können wir einen Vergleich ziehen, indem wir das Rohr durch Kunststoff oder den Magneten durch ein gleich großes und gleich schweres Metallstück ersetzen.

Wie kommt das? Nach der Lenz‘schen Regel induziert die Änderung des Magnetfelds beim Fall des Magneten durch das Rohr Ströme, die in eine Richtung fließen, die der Änderung, die sie erzeugt, entgegengesetzt ist. So wird die Geschwindigkeit des Magneten verringert.

Die Eisenverluste sind auf zwei Phänomene zurückzuführen:

Wirbelströme

Das Faraday‘sche Gesetz besagt, dass ein Strom durch einen Leiter fließt, an den ein Magnetfeld angelegt wird. Und da das Material einen spezifischen elektrischen Widerstand hat, entstehen gewisse Verluste (R*I²).

Wirbelstromverluste=R.*I²≅ C.B². f².t².V

•	C ist eine Konstante, die von der Konstruktion und den Materialien des Motors abhängt.
•	B ist das Magnetfeld in das Material (T)
•	f ist die Frequenz der Magnetumkehrung pro Sekunde (Hz)
•	t ist die Dicke des Materials (m)
•	V ist das Volumen des Leiters (m³)

Anhand der vorstehenden Formel können wir die Parameter identifizieren, die bei der Entstehung dieser Wirbelstromverluste eine große Rolle spielen (Abbildung 3). Es überrascht nicht, dass die Frequenz der Magnetfeldumkehr einen erheblichen Einfluss hat, ebenso wie die Geschwindigkeit des Motors; die Stärke des Magnetfelds und sogar die Dicke des Materials spielen ebenfalls eine wichtige Rolle.

Eine wirksame Möglichkeit, die Auswirkungen der Materialstärke zu verringern, ist die Laminierung des Kernmaterials. Dadurch entsteht ein kleinerer Pfad, durch den der Strom fließt, was bedeutet, dass er sich in mehrere kleine Ströme aufteilt statt sich in einem großen Strom zu bündeln. Da die Verluste mit dem quadratischen Wert des Stroms entstehen, ist diese Methode sehr effektiv (t/2 => i/2 => Wirbelströme/4). Um zu verhindern, dass der Strom zwischen zwei Laminierungen fließt, müssen alle Laminierschichten durch eine Beschichtung voneinander isoliert werden.

Hysterese

Wenn der Magnetfluss in einem ferromagnetischen Material umgekehrt wird, wird das Material abwechselnd magnetisiert und entmagnetisiert, was zu einem Energieverlust führt. Um die Flussdichte zu beseitigen, müssen wir den Punkt der Koerzitivfeldstärke überwinden, indem wir einen entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen (Abbildung 4).

Diese Verluste hängen hauptsächlich von der magnetischen Induktion im Stromkreis ab, aber auch von den Materialeigenschaften (z. B. Permeabilität und Volumen) und der Frequenz der Flussänderung. Deshalb ist es entscheidend, das richtige Material für die richtige Drehzahl zu wählen.

Die Steinmetz-Gleichung hilft uns, diese Hystereseverluste zu berechnen und den Einfluss der einzelnen Parameter besser zu verstehen:

Hystereseverluste = k * V * f * Bⁿ

•	k eine Konstante, die vom jeweiligen Material abhängt
•	V das Volumen des magnetischen Kreises (m³)
•	f die Frequenz des Magnetfeldes (Hz)
•	B die maximale Induktion im magnetischen Kreis (T)
•	n ein Koeffizient, der vom jeweiligen Material abhängt (zwischen 1,6 und 2)

UNTERSCHIEDLICHE ELEKTROMOTOREN FÜR HOHE LEISTUNG

Die verschiedenen Verluste, die ein Elektromotor erzeugt, begrenzen seine maximale Leistung, da er bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur, die von der Motorkonstruktion abhängt, verbrennen würde. Deshalb ist die Auswahl des richtigen Motors auf der Grundlage des spezifischen Arbeitspunkts (Drehmoment und Geschwindigkeit) entscheidend.

Joule-Verluste entstehen hauptsächlich bei der Erzeugung von Drehmoment, während Eisenverluste in der Regel bei hohen Drehzahlen auftreten. Aus diesem Grund nimmt bei einem bestimmten Motor das mögliche maximale Dauerdrehmoment mit steigender Drehzahl ab (Abbildung 5).

Einfluss der Polanzahl

Die Veränderung der Polanzahl eines Magneten kann einen großen Einfluss auf die Motorleistung haben. Im Allgemeinen sind lange Motoren 2-polig und können mit hohen Drehzahlen laufen. Eine Erhöhung der Polanzahl steigert zwar das maximale Drehmoment eines Motors, hat jedoch auch höhere Eisenverluste zur Folge und verringert somit die maximale Dauerdrehzahl.

Da die Eisenverluste stark von der Änderungsfrequenz des Magnetflusses bei gleicher Drehzahl abhängen, erhöht sich mit zunehmender Polzahl die Anzahl der Änderungen bei einer Motorumdrehung. Bei Wirbelstromverlusten quadriert sich dies bei höheren Frequenzen, was den Wirkungsgrad eines Motors schnell verringern kann.

Die Leistungskurven der Motoren verans-chaulichen die Grenzen des Dauerbetriebs eines Motors an der Luft bei 25°C, einschließlich der Verluste. Abbildung 6 zeigt einen Vergleich zweier Portescap-Motoren, die identisch aufgebaut sind, wobei jedoch ein Motor 2 Pole und der andere 4 Pole hat.

Es ist deutlich zu erkennen, dass der 4-polige Motor (22ECT60 - drehmomentoptimiert) bei steigender Drehzahl im Vergleich zum 2-poligen Motor (22ECS60 - drehzahloptimiert) schnell an Drehmoment verliert.

SCHLUSSFOLGERUNG

Bei der Auswahl eines Elektromotors ist es wichtig, die verschiedenen Verluste zu berücksichtigen, da die Grenzen des Motors thermisch bedingt sind. Eisenverluste spielen eine wichtige Rolle für den Wirkungsgrad des Motors, insbesondere bei hohen Drehzahlen oder bei mehrpoligen Ausführungen mit hohem Drehmoment. Die Optimierung des Verhältnisses zwischen Joule- und Eisenverlusten wird zu Energieeinsparungen führen und die Entwicklung noch besserer Geräte ermöglichen.

Portescap ist sich dieser Eigenschaften sehr bewusst und legt großen Wert auf die Entwicklung von Motoren mit hoher Leistung und geringen Verlusten. Kein Design kann für sämtliche Anwendungen verwendet werden. Daher ist das Ziel des Portescap-Teams die Entwicklung eines vielfältigen Portfolios von Motortechnologien für Geräte und Anwendungen mit kritischen Arbeitspunkten.

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