Einfluss Von Rotorkonstruktionen Auf Die Thermischen Eigenschaften Und Leistungen Von Bürstenlosen Gleichstromflachmotoren Mit Aussenrotor

Die Leistung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC) hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Gesamttopologie (Innen- oder Außenrotor), der Wicklungskonfigurationen, der Anzahl der Polpaare, der Nutenkonfiguration und der Magnetzusammensetzung. Bei BLDC-Motoren mit Außenrotor spielt die Bauweise des Rotors eine wichtige Rolle für die Motorleistung. In diesem Whitepaper wird eine Analyse der Leistungsmerkmale des 45ECF BLDC-Flachmotors von Portescap mit drei verschiedenen Rotorausführungen vorgestellt (geschlossen, offen mit Nut und mit integriertem Lüfter), die mit verschiedenen Drehzahlen betrieben werden. Die Analyse umfasst auch die Leistungskurven des 45ECF-Motors für jeden Rotortyp.

EINFÜHRUNG

Die Leistungsoptimierung des BLDC-Motordesigns hat in den letzten Jahrzehnten die Aufmerksamkeit verschiedener Branchenforscher auf sich gezogen. BLDC-Motoren werden häufig in medizinischen, Automobil-, Luft- und Raumfahrtund wichtigen Industrieautomatisierungsanwendungen eingesetzt, um sich den hohen Wirkungsgrad, die Leistungsdichte, das Verhältnis von Drehmoment zu Größe, sowie die einfache Steuerung zunutze zu machen. Als Permanentmagnet- Gleichstrommotor mit einem elektronisch gesteuerten Kommutierungssystem ersetzt der BLDC-Motor den herkömmlichen Bürsten-Gleichstromkommutator und die Bürstenanordnung, um den Motor zuverlässiger zu machen und höhere Drehzahlen zu ermöglichen. Die drei in der Branche heute üblichen Grundkonfigurationen des Permanentmagnet-BLDC-Motors sind Innenrotor, Außenrotor und axiale Spaltscheibenkonstruktion, die jeweils viele verschiedene Wicklungs- und Polkonfigurationen umfassen. Der Begriff „radial“ oder „axial“ bezieht sich auf die Richtung des Magnetfelds, das von den Permanentmagneten verursacht wird. Der Motor wird als Radialflussmotor definiert, wenn der Fluss in radialer Richtung verursacht wird, während der Axialflussmotor einen Fluss in axialer Richtung verursacht.

MOTOR MIT AUSSENROTOR

Der Aufbau eines BLDC-PM-Motors mit Außenrotor ist in Abbildung 1 dargestellt. Bei der Konfiguration mit Außenrotor werden Stator und Rotor vertauscht – der Stator oder die Wicklungen des Motors befinden sich in der Mitte des Motors, während Rotor und Magnetbaugruppe außen platziert sind. Der Stator besteht aus einer mehrphasigen Wicklung auf einem laminierten Kern, während der Rotor aus Permanentmagneten (Segmente oder Formring) besteht, die an der Innenfläche eines becherähnlichen Stahlteils befestigt sind. Der Becher ist an der Motorkernwelle befestigt und dreht sich frei auf Lagern. Durch die sequentielle Erregung der Statorwicklungen wird eine kontinuierliche Bewegung des Rotors erzeugt. Abbildung 3 zeigt die drei verschiedenen Rotorkonfigurationen (geschlossen, offen mit Nut und mit integriertem Lüfter).

LEISTUNGSVERLUST IN MOTOREN

Motoren leiten Energieverluste als Wärme und in anderen Formen wie Vibrationen und internen Kernverlusten ab. Alle diese Verluste können nicht nur den Wirkungsgrad eines Motors verringern, sondern übermäßige Wärmeverluste können auch einen wesentlichen Beitrag zum vorzeitigen Ausfall des Motors leisten. Kupfer- und Eisenverluste tragen erheblich zur Wärmeentwicklung des Motors bei, während Reibungs- und Wicklungsverluste zu den geringeren Einflüssen zählen. Die Wärmeableitung ist abhängig von Motorgeometrie, Umgebung, Material und Motor-Drehzahl. Energieverluste bestimmen den Gesamtwirkungsgrad und das thermische Verhalten des Motors. Im Folgenden zeigen wir die wichtigsten Leistungsverluste eines BLDC-Motors mit offenem Rotor.

•	Kupferverluste sind Verluste in Form von Wärme, die vom Widerstand der Statorkupferwicklungen abgeführt wird. Sie tragen hauptsächlich zu einer übermäßigen Motorerwärmung bei. Zur Berechnung der Kupferverluste wird folgende Gleichung verwendet: Pcu=Rp* I2 (Watt) Wobei Pcu = Kupferverlust in Watt. Rp = Phase-Phase-Widerstand in Ohm./li> I = Gleichstromeingang in Ampere.
•	Eisenkernverluste sind Verluste, die im Eisenkern durch Oberschwingungsfluss oder wechselnde Magnetfelder entstehen und aus Hysterese- und Wirbelstromverlusten bestehen.
•	Mechanische Verluste bestehen aus Reibungs- und Windungsverlusten. Reibungsverluste entstehen durch Lagerreibung, während Windungsverluste durch den Luftwiderstand am Außenrotor entstehen.

METHODIK

Die Komplexität der genauen Messerfassung in Verbindung mit der weiten Ausbreitung von BLDC-Motoranwendungen hat die Vorhersage von Verlusten bei BLDC-Motoren zu einem der gefragtesten Forschungsthemen in Wissenschaft und Industrie gemacht. Das ultimative Ziel besteht darin, die thermische Leistung aller drei Varianten zu vergleichen und den Einfluss der Rotorgeometrie auf die Drehmomentleistung zu ermitteln. Es wird angenommen, dass Kupferverluste im Stator den größten Beitrag zur Motorwärme leisten. Alle anderen Verluste tragen ebenfalls zum thermischen Widerstand des Motors bei, der mathematisch durch die Bauweise des Motors und die Drehzahlvariablen bestimmt wird (Äquivalenter thermischer Widerstand (Rth)eq). Wenn die Drehzahl konstant ist und die Last ansteigt, verhalten sich die Eisen- und mechanischen Verluste tendenziell konstant, wobei der Temperaturanstieg hauptsächlich auf Kupferverluste zurückzuführen ist. Bei äquivalentem Wärmewiderstand kann das maximale Drehmoment bei jeder Drehzahl anhand von Erfahrungswerten an einem bestimmten Lastpunkt berechnet werden. Nach der Aufzeichnung der Temperatur und des äquivalenten Widerstands an verschiedenen Datenpunkten kann ein genaues Leistungsdiagramm erstellt werden (Drehzahl vs. Drehmoment).

Der Wärmewiderstand eines Materials ist das Gegenteil der Wärmeleitfähigkeit und wird als Temperaturdifferenz beschrieben, die in einem Material erforderlich ist, um 1 Watt Leistung zu übertragen. Der Ausdruck für den thermischen Widerstand im Gleichgewichtszustand lautet:

Das maximale Drehmoment von Motoren jedes Typs bei verschiedenen Drehzahlen wird anhand des äquivalenten thermischen Widerstands (Rtheq ) berechnet. Die Formel für das maximale Drehmoment lautet:

THERMISCHE UNTERSUCHUNGEN

Zum Vergleich der Leistungsmerkmale von Motoren in Abhängigkeit vom Konstruktionstyp werden BLDC-Motoren mit geschlossenem Rotortyp, offenem genuteten Rotortyp und Rotortyp mit integriertem Lüfter mit den folgenden Instrumenten an verschiedenen Drehmoment- und Drehzahlpunkten getestet:

1.	Portescap 45ECF genuteter Flachmotor mit Thermosen
2.	Netzgerät
3.	BLDC-Treiber
4.	Dynamometer mit geschlossenem Regelkreissystem
5.	RMS-Multimeter

Das Drehmoment wird mit einem Dynamometer auf den Motor aufgebracht. Der Temperaturanstieg der Spule wird mit einem an der Motorspule montierten Thermosensor und Daten vom RMS-Multimeter überwacht und aufgezeichnet. Der Trend des Temperaturanstiegs im Laufe der Zeit wird aufgezeichnet, bis der Motor seine stationäre Temperatur (thermisch stabil) erreicht. Motoren werden im Drehzahlbereich von 0 bis 8.000 U/MIN in Schritten von 2.000 U/MIN getestet. Der Widerstand wird gemessen, wenn die Spulentemperatur einen stabilen Zustand erreicht. Leistungsverlust und thermischer Widerstand des Motors bei jeder Drehzahl werden auf der Grundlage des gemessenen Widerstands, des Stroms und der stabilen Spulentemperatur berechnet.

Der thermische Widerstand des Motors mit offenem Nutenrotor und des Rotortyps mit integriertem Lüfter nimmt wie oben gezeigt mit zunehmender Drehzahl schnell ab, während der thermische Widerstand des Motors mit geschlossenem Rotor erst leicht abnimmt (bis zu 3.000 U/min) und dann drastisch ansteigt (ab 5.000 U/min).

Der Austausch des geschlossenen Rotors durch einen offenen Nutenrotor erhöht das maximale Drehmoment von 54 mNm auf 80,5 mNm bei 8.000 U/min, was einer Erhöhung der Drehmomentkapazität von ca. 47 % entspricht. Der offene Nutenrotor mit integriertem Lüfter verbesserte die maximale Drehmomentkapazität noch weiter auf 113 mNm, was eine 40%-ige Steigerung gegenüber einem offenen Rotordesign darstellt./p>

Das maximale Drehmoment im Verhältnis zur Drehzahl wird für Motoren mit geschlossenem Rotor, Rotor mit offenen Nuten und Rotor mit integriertem Lüfter dargestellt. Die höchste Nennleistung erzielte der Motor mit einem Rotor mit integriertem Lüfter.

ZUSAMMENFASSUNG DER THERMISCHEN UNTERSUCHUNGEN

Aufgrund der Lüfterzirkulation hatte das Motordesign mit integriertem Lüfter die höchste Wärmeableitung. Mit zunehmender Drehzahl verbessert sich die Wärmeableitung dieses Motors. Der Motor mit integriertem Lüfter kann mehr Eingangsstrom aufnehmen und ein höheres Drehmoment liefern. Der Motor mit einem Rotor mit offenen Nuten hatte eine mittlere Nennleistung mit einer moderaten Wärmeableitung. Der Motor mit geschlossenem Rotor hatte die geringste Wärmeableitung. Mit einer Erhöhung der Drehzahl nahmen auch die Eisen- und Kernverluste der geschlossenen Rotorkonstruktion zu und stiegen über 5.000 U/MIN rasch an, was zu einer deutlichen Verringerung der Leistungsfähigkeit des Motors führte.

FAZIT

Die Auswahl der richtigen Konfiguration für einen bürstenlosen Gleichstrom-Flachmotor mit Außenrotor stellt eine beachtliche Herausforderung dar. Sie erfordert ein tiefes Verständnis der besonderen Leistungsmerkmale, von denen die Anwendung profitiert. Unternehmen wie Portescap, die auf Mikrobewegungstechnologien spezialisiert sind, überzeugen durch die Führung von Konstruktionsingenieuren durch den Auswahlprozess, um den am besten geeigneten Motor für das gewünschte Ergebnis zu finden.

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