Bürstenloser Gleichstrommotor

Was ist ein bürstenloser Gleichstrommotor?

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren, BL-Motoren) (Abbildung 1), auch als elektronisch kommutierte Motoren (ECMs, EC-Motoren) bezeichnet, sind Synchronmotoren, die von einer Gleichstromquelle über eine integrierte Wechselrichter-/Schaltstromversorgung gespeist werden Elektrisches Wechselstromsignal zum Antrieb des Motors. In diesem Zusammenhang impliziert Wechselstrom keine sinusförmige Wellenform, sondern einen bidirektionalen Strom ohne Einschränkung der Wellenform. Zusätzliche Sensoren und Elektronik steuern die Ausgangsamplitude und Wellenform des Wechselrichters (und damit den Prozentsatz der DC-Bus-Nutzung/Effizienz) und die Frequenz (dh die Rotordrehzahl).

Effizienz ist ein Hauptverkaufsmerkmal für BLDC-Motoren. Da der Rotor der einzige Träger der Magnete ist, benötigt er keine Energie, dh keine Verbindungen, keinen Kommutator und keine Bürsten. Anstelle dieser verwendet der Motor eine Steuerschaltung. Um zu erkennen, wo sich der Rotor zu bestimmten Zeiten befindet, verwenden BLDC-Motoren zusammen mit Steuerungen, Drehgebern oder einem Hallsensor.

Abbildung 1 - BLDC-Motor

Anwendung:

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) werden für eine Vielzahl von Anwendungsanforderungen verwendet, z. B. für unterschiedliche Lasten, konstante Lasten und Positionierungsanwendungen in den Bereichen Industriesteuerung, Automobilindustrie, Luftfahrt, Automatisierungssysteme, Gesundheitsausrüstung usw. Einige spezifische Anwendungen von BLDC Motoren sind:

Computerfestplatten und DVD/CD-Player
Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Elektrofahrräder
Industrieroboter, CNC-Werkzeugmaschinen und einfache riemengetriebene Systeme
Waschmaschinen, Kompressoren und Trockner
Lüfter, Pumpen und Gebläse.

Beschreibung

Der hier betrachtete Motor hat einen Rotor mit 8 Permanentmagneten und einen 12-Spulen-Stator, wie in Abbildung 2 gezeigt. Der Rotor wird durch Magnetkräfte angetrieben, die von den Erregerspulen und den Permanentmagneten herrühren. Durch das Erstellen mehrerer Studien kann der Benutzer die Materialien, die Anzahl der Windungen, den Strom durch jede Windung und die Geometrie jedes Teils ändern. Mit EMS kann der Benutzer dieselbe Baugruppendatei behalten und jede Studie einer Designtabelle zuordnen. Alle diese Funktionen sind für Konstrukteure sehr hilfreich und können zur Bestimmung der bürstenlosen Gleichstrommotorparameter verwendet werden, die geändert werden müssen, um die Motorleistung zu optimieren.

3D-Modell von BLDC

Abbildung 2 - 3D-Modell von BLDC

Studie

Das magnetostatische Modul von EMS wird verwendet, um den magnetischen Fluss und die magnetische Intensität im Motor zu berechnen und zu visualisieren. Es wird auch verwendet, um die Induktivität der Spule und die in der Last (dem Rotor) ausgeübte elektromagnetische Kraft zu berechnen. Nach der Erstellung einer magnetostatischen Studie in EMS müssen immer vier wichtige Schritte befolgt werden: 1 - das richtige Material für alle festen Körper auftragen, 2- die erforderlichen Randbedingungen anwenden oder die sogenannten Lasten/Beschränkungen in EMS, 3 - das gesamte Netz ineinander greifen Modell und 4- Führen Sie den Solver aus. Darüber hinaus kann eine magnetostische Untersuchung an die Wärme gekoppelt werden, um dem Benutzer eine Vorstellung vom Wärmeverhalten des Motors zu geben.

Materialien

Bei der magnetostatischen Analyse von EMS werden die folgenden Materialeigenschaften benötigt (Tabelle 1). Abbildung 4 zeigt die BH-Kurve des verwendeten Stahls.

Komponenten/Körper	Material	Relative Permeabilität	Leitfähigkeit (S/m)	*Wärmeleitfähigkeit (W/m k)**
Rotor	AISI 1010 Stahl	Nicht linear	6.9e + 006	65.2
Außenluft	Luft	1	0	0,024
Innere Luft	Luft	1	0	0,024
Spulen	Kupfer	0,99991	57e + 006	401
Stator	AISI 1010 Stahl	Nicht linear	6.9e + 006	65.2
Permanentmagnete	S2818	1,0388	0	69

Tabelle 1 - Materialtabelle

Abbildung 3 - Permanentmagnete des Rotors: Koerzitivfeldstärke: 819647 A/m, Remanenz: 1,07 T.

AISI 1010 Stahl BH Kurve

Abbildung 4 - BH-Kurve aus AISI 1010-Stahl

Elektromagnetischer Eingang

In dieser Studie werden 8 Spulen (Tabelle 2) und der Rotor (Tabelle 3) angewendet, wo wir die virtuelle Arbeit berechnen müssen.

Name	Anzahl der Züge	Aktuelle Erregung
Wundspule (1-8)	200	1 A.

Tabelle 2 - Spuleninformationen

Name	Drehmomentzentrum	Komponenten/Körper
Virtuelle Arbeit	Am Ursprung	Rotor und Permanentmagnete

Tabelle 3 - Informationen zu Kraft und Drehmoment.

Vernetzung

Das Vernetzen ist ein sehr wichtiger Schritt in der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netzverträglichkeit und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung kann eine kleinere Elementgröße erforderlich sein.

Die Netzqualität kann mithilfe der Netzsteuerung (Tabelle 4) angepasst werden, die auf feste Körper und Flächen angewendet werden kann. Unten (Abbildung 6) ist das vermaschte Modell nach Verwendung der Netzsteuerung dargestellt.

Name	Maschenweite	Komponenten/Körper
Netzsteuerung 1	1.200 mm	Spulen
Netzsteuerung 2	7.000 mm	Rotor
Netzsteuerung 3	1.000 mm	Magnete
Netzsteuerung 4	5.000 mm	Stator
Netzsteuerung 5	0,6699000 mm	Innere Luft

Tabelle 4 - Netzsteuerung

Abbildung 4 - Vernetztes Modell

Ergebnisse

Nach dem Ausführen der Simulation dieses Beispiels generiert das an den thermischen Löser gekoppelte Magnetostatikmodul die folgenden Ergebnisse: Magnetische Flussdichte (Abbildung 5,6), Magnetfeldintensität (Abbildung 7), Kraftdichte (8), Temperaturverteilung (Abbildung 9) und eine Ergebnistabelle, die die berechneten Parameter des Modells, die Kraft und das Drehmoment enthält (Abbildung 10).