Außenrotor BLDC Motor Design: Ihr einfacher Leitfaden zur Modellierung von Elektromotoren

Ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Außenrotor ist eine starke Art von Elektromotor. Bei dieser Konstruktion drehen sich die Magnete auf dem Rotor auf der außerhalb der Statorwicklungen. Das verleiht ihnen besondere Fähigkeiten, wie zum Beispiel ein hohes Drehmoment. Dieser Artikel ist für Sie. Er hilft Ihnen, einen besseren bürstenlosen Gleichstrommotor mit Außenrotor zu entwerfen. Wir zeigen Ihnen, wie Sie mit Hilfe der Computermodellierung Ihre Motorenkonstruktionsschritte vereinfachen und zum Erfolg führen können. Sie werden die wichtigsten Schritte zur Verbesserung Ihres BLDC-Elektromotors lernen, damit er optimal funktioniert.

Was ist ein BLDC-Außenläufer-Motor?

Ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ist eine gängige Art von Elektromotor. Die Leute mögen ihn, weil er gut funktioniert und man sich auf ihn verlassen kann. Bei den meisten Motoren dreht sich der Rotor im Inneren des Stators. Dies wird als Innenrotor-Konstruktion bezeichnet.

Ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Außenrotor ist anders. Der Rotor hat Permanentmagnete und befindet sich auf der Außenseite. Der Stator und seine Wicklungsspulen befinden sich auf der Innenseite. Durch diese Motorkonstruktion ist der Rotor breiter. Diese Änderung ist ein großes Plus für den BLDC-Motor mit Außenrotor. Sie verleiht ihm ein hohes Drehmoment. Die Magnetkraft drückt von weiter weg von der Mitte. Dadurch wird die Drehkraft, das sogenannte Drehmoment, viel stärker. Das macht diesen BLDC-Motor ideal für Dinge wie Drohnen, Elektrofahrräder und Ventilatoren.

Warum ist eine gute Modellierung der erste Schritt für Ihr Motordesign?

Bevor Sie einen echten BLDC-Motor bauen, benötigen Sie einen Plan. Im Motorenbau ist dieser Plan ein Computermodell. Modellieren bedeutet, dass Sie eine Kopie Ihres bürstenlosen Gleichstrommotors auf dem Computer erstellen. Dies ist ein sehr großer Schritt.

Eine gute Modellierung hilft Ihnen, viel Zeit und Geld zu sparen. Sie müssen nicht viele echte Testmotoren bauen. Stattdessen können Sie Hunderte von Entwurfsideen am Computer ausprobieren. Durch die Modellierung können Sie sehen, wie Ihr BLDC-Motor funktionieren wird, bevor Sie ihn überhaupt bauen. Sie können sehen, wie stark er ist, seine Schwachstellen finden und seine guten Teile noch besser machen. Ein gutes Motormodell ist der Ausgangspunkt für einen guten Motorentwurf. Ohne ein gutes Modell kann man nur raten. Mit einer guten Modellierung können Sie sicher sein, dass Ihre Konstruktion und Ihre Leistung Ihren Zielen entsprechen. Aus diesem Grund werden alle neuen elektrischen Maschinen mit dieser Art von intelligenter Modellierung hergestellt.

Welche Hauptteile sollten Sie modellieren?

Wenn Sie mit der Modellierung Ihres BLDC-Motors beginnen, müssen Sie dessen Hauptteile einrichten. Wir nennen diese Teile Konstruktionsparameter. Jeder Parameter hat Einfluss auf das endgültige Drehmoment des Motors und auf seine Funktionsfähigkeit. Für ein gutes Motordesign ist es sehr wichtig, diese Parameter richtig einzustellen.

Hier sind einige der wichtigsten Entwurfsparameter, die Sie in Ihre Modellierung aufnehmen müssen:

Ihre Motorkonstruktion muss eine gute Mischung aus diesen Konstruktionsvariablen finden. Eine größere Magnetstärke kann zum Beispiel ein höheres Drehmoment bewirken, macht den Gleichstrommotor aber möglicherweise zu schwer. Die Modellierung hilft Ihnen, das optimale Design für Ihre Anforderungen zu finden.

Wie funktioniert die Modellierung nach der Finite-Elemente-Methode (FEM)?

Wie kann ein Computer einen BLDC-Motor verstehen, der aus so vielen Teilen besteht? Die Antwort ist die Finite-Elemente-Methode (FEM). Dies ist ein starkes Modellierungswerkzeug. Die FEM zerlegt die Motorkonstruktion in Tausende von kleinen Teilen. Diese Teile werden "finite Elemente" genannt. Mit Hilfe von Berechnungen wird dann ermittelt, wie sich die Magnetfelder in jedem kleinen Element verhalten.

Indem man dies für alle Bits herausfindet, kann die FEM-Software ein sehr klares Bild des gesamten bldc-Motors erstellen. Sie kann Ihnen die magnetische Flussdichte in jedem Bereich des Stators und des Rotors zeigen. Die Finite-Elemente-Methode ist die beste Methode, um zu sehen, wie Ihr bürstenloser Gleichstrommotor funktioniert. Diese gründliche Prüfung ist viel besser als einfache mathematische Regeln. Der Grund dafür ist, dass sie komplexe Formen und das Verhalten von Materialien verstehen kann. Der Einsatz der FEM ist ein großer Schritt zur Optimierung Ihrer Motorkonstruktion.

Können Sie Ansys für die Modellierung Ihres BLDC-Motors verwenden?

Ja, das können Sie. Ansys ist ein sehr verbreitetes und leistungsfähiges Softwaretool für die FEM-Modellierung. Viele Ingenieure verwenden Ansys für die Entwicklung und Prüfung elektrischer Maschinen. Dazu gehört auch der bürstenlose Gleichstrommotor mit Außenrotor. Mit Ansys können Sie ein vollständiges Computermodell Ihres BLDC-Motors erstellen. Sie können jeden Parameter einstellen, vom Magnettyp bis zu den Details der Wicklung.

Nachdem Sie Ihr Motormodell in Ansys erstellt haben, können Sie Tests auf dem Computer durchführen. Diese Tests sind wie eine Prüfung auf dem Computer. Die Software zeigt Ihnen, wie viel Drehmoment der bldc-Motor erzeugt, seine Ausgangsleistung und wie gut er funktioniert. Die Simulationsergebnisse von Ansys sind Ergebnisse, denen Sie vertrauen können. Sie helfen Ihnen, intelligente Entscheidungen zu treffen, um Ihre Motorkonstruktion zu verbessern. Ansys ist ein hervorragendes Werkzeug für jeden ernsthaften Motor für Elektrofahrzeuge oder andere Anwendungen. Die FEM-Modellierungsleistung von Ansys ist erstklassig.

Wie wählen Sie die richtigen Materialien für Ihre Modellierung aus?

Die Materialien, die Sie für Ihren BLDC-Motor auswählen, sind von großer Bedeutung. Die richtigen Materialien führen zu einem hohen Wirkungsgrad und einer besseren Motorleistung. Ihre FEM-Modellierung muss Informationen über diese Materialien enthalten. Das Wichtigste an einem Material für einen BLDC-Motor ist sein magnetisches Verhalten, oder wie es sich mit Magneten verhält.

Für den Rotor werden Sie Permanentmagnete verwenden. Der Magnettyp, wie Neodym (NdFeB), macht einen großen Unterschied. Für den Stator wird ein spezieller Stahl verwendet. Wie sich dieser Stahl verhält, wird durch eine so genannte B-H-Kurve dargestellt. Die B-H-Kurve sagt der Modellierungssoftware, wie sich das Material in einem Magnetfeld verhält. Es ist wichtig, dass die Magnete bis zum Sättigungspunkt magnetisiert sind. Eine B-H-Kurve zeigt diesen Punkt in einem geschlossenen Kreislauf. Diese detaillierte Modellierung hilft Ihnen, die Eisenverluste abzuschätzen. Sie sorgt auch dafür, dass Ihr Gleichstrommotor so funktioniert, wie Sie es sich vorstellen. Die Verwendung der korrekten B-H-Kurve in Ihrer FEM-Modellierung ist sehr, sehr wichtig, um echte Simulationsergebnisse zu erhalten.

Wie können Sie Ihre Konstruktion verbessern, um das höchste Drehmoment zu erzielen?

Einer der besten Gründe für die Verwendung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Außenrotor ist ein hohes Drehmoment. Ein gemeinsames Ziel ist es also, das maximale Drehmoment aus Ihrem Motor zu holen. Dies lässt sich durch Modellierung erreichen. Um das maximale Drehmoment zu erreichen, müssen Sie verschiedene Konstruktionsvariablen testen.

Mit Ihrer FEM-Modellierungssoftware können Sie Tests durchführen. Diese Tests zeigen, wie die Änderung der einzelnen Parameter das Drehmoment verändert.

• Wie wäre es, wenn Sie die Dicke des Magneten vergrößern? Ihre Modellierung könnte einen 10%-Sprung im Drehmoment zeigen.
• Wie wäre es, wenn Sie den Luftspalt kleiner machen? Ihre FEM-Prüfung wird eine stärkere magnetische Anziehungskraft und mehr Drehmoment ergeben.
• Was passiert, wenn Sie die Anzahl der Pole ändern? Die Simulationsergebnisse zeigen Ihnen das neue Drehmoment bei einer anderen Nenndrehzahl.

Sie können Hunderte dieser Tests auf dem Computer durchführen. Dieser Prozess des Ausprobierens und Änderns von Dingen wird als Konstruktionsoptimierung bezeichnet. Er hilft Ihnen, die beste Mischung von Konstruktionsparametern zu finden, um das maximale Drehmoment aus Ihrem BLDC-Motor herauszuholen. Das ist sehr wichtig für Dinge wie Elektrofahrzeuge, bei denen ein hohes Drehmoment benötigt wird.

Was ist das Ziel der Design-Optimierung für hohe Effizienz?

Ein maximales Drehmoment zu erreichen ist großartig. Aber das ist nicht das einzige Ziel. Sie wollen auch, dass Ihr bürstenloser Gleichstrommotor einen hohen Wirkungsgrad hat. Ein Motor mit hohem Wirkungsgrad nutzt die elektrische Energie gut. Er wandelt sie in nützliche Ausgangsleistung um. Er verschwendet weniger Energie als Wärme. Das ist für Dinge, die mit Batterien betrieben werden, wie Drohnen oder Elektroautos, von großer Bedeutung.

Um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, müssen Sie die Verluste im Gleichstrommotor verringern. Die beiden wichtigsten Arten von Verlusten sind Kupferverluste (in der Wicklung) und Eisenverluste (im Stator). Ihre FEM-Modellierung kann diese beiden Arten von Verlusten abschätzen. Die Optimierung des Entwurfs im Hinblick auf den Wirkungsgrad könnte bedeuten, dass Sie diese Dinge tun:

• Ändern Sie die Wicklung, um einen dickeren Draht zu verwenden, der den Kupferverlust verringert.
• Wählen Sie eine bessere Stahlsorte mit einer besseren B-H-Kurve, um die Eisenverluste zu verringern.
• Finden Sie die optimale Konstruktion, die ein gutes Drehmoment und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Manchmal kann der Versuch, das höchste Drehmoment zu erreichen, zu einer geringeren Effizienz führen. In diesem Fall kann die Mehrzieloptimierung helfen. Dieses intelligente Modellierungswerkzeug hilft Ihnen, einen Motorentwurf zu finden, der sowohl ein hohes Drehmoment aufweist als auch sehr gut funktioniert. Es findet die optimalen Werte für das, was Sie brauchen.

Wie studieren Sie die Testergebnisse Ihrer Modellierung?

Nachdem Ihre FEM-Modellierungssoftware einen Test durchgeführt hat, liefert sie Ihnen eine Menge Daten. Dies sind Ihre Simulationsergebnisse. Es ist sehr wichtig, dass Sie wissen, wie Sie diese Ergebnisse lesen können, um Ihren Motorentwurf zu verbessern. Die Analyseergebnisse werden oft in Form von Diagrammen und Farbkarten angezeigt.

Eine Farbkarte Ihres BLDC-Motors kann zum Beispiel die magnetische Flussdichte anzeigen. Sie können nach Stellen suchen, an denen das Magnetfeld zu schwach oder zu stark ist. Ein Diagramm kann das Drehmoment des Motors anzeigen, während er sich dreht. Sie können prüfen, ob das Drehmoment gleichmäßig ist oder ob es auf und ab geht. Anhand dieser Analyseergebnisse können Sie Probleme erkennen. Vielleicht verursacht die Form des Stators zusätzliche Eisenverluste. Oder vielleicht ist die Magnetstärke nicht ausreichend, um die Nenndrehzahl und das Nenndrehmoment zu erreichen. Die Simulationsergebnisse zeigen Ihnen, was Sie als Nächstes tun müssen, um den bldc-Motor zu optimieren. Denken Sie daran, wie es in Veröffentlichungen wie der Proceedings der internationalen Konferenz für elektrische Maschinen und Systeme 2019Die in allen Veröffentlichungen enthaltenen Meinungen und Daten stammen oft nur von diesem einen Autor. Das bedeutet, dass Sie in der Lage sein müssen, die Daten der FEM-Modellierung selbst zu verstehen.

Was sind die letzten Schritte im Design- und Arbeitscheck?

Sie haben ein Modell gebaut. Sie haben Tests auf dem Computer durchgeführt. Sie haben sich die Ergebnisse angesehen und Änderungen vorgenommen. Ihre Modellierung zeigt nun, dass Sie einen großartigen Motor mit hoher Ausgangsleistung entwickelt haben. Wie geht es nun weiter? Der letzte Schritt besteht darin, zu prüfen, wie der Motor insgesamt funktioniert. Das ist die Motorleistung. Sie sollten einen endgültigen Motorentwurf haben, der alle Ihre Ziele erfüllt.

Hier erfolgt eine letzte Überprüfung des optimalen Entwurfs. Die Modellierung soll sicherstellen, dass Sie Ihr Ziel für maximale Effizienz und maximales Drehmoment erreicht haben. Es ist auch eine gute Idee zu prüfen, wie der bldc-Elektromotor in anderen Situationen funktionieren wird. Was passiert, wenn er warm wird? Ihre Modellierung kann helfen, dies zu erraten. Viele Arbeiten, wie die tagungsband der internationalen konferenz für elektrische maschinen und systeme 2018zeigen verschiedene Gestaltungsideen. Es ist wichtig zu wissen, dass die in allen Veröffentlichungen enthaltenen Daten nur von diesen Forschern stammen. Ihre eigene FEM-Modellierung und -Studie sind der eigentliche Beweis dafür, dass Ihr Entwurf gut und fertig ist. Diese letzte Überprüfung mit Hilfe der Modellierung stellt sicher, dass die Leistung von BLDC-Motoren großartig sein wird, wenn Sie schließlich einen echten, funktionierenden Motor bauen.

Das Wichtigste zur Erinnerung

• Ein BLDC-Motor mit Außenrotor bietet ein hohes Drehmoment, da sich der Rotor auf der Außenseite befindet.
• Die Modellierung ist der erste große Schritt. Es spart Zeit und Geld, weil man den Motor zuerst am Computer testen kann.
• Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein starkes Modellierungswerkzeug, das sehr genaue Ergebnisse über die Magnetfelder in Ihrem bldc-Motor liefert.
• Mit Software wie Ansys können Sie ein Motormodell erstellen und Tests durchführen, um die Motorleistung zu überprüfen.
• Bei der Konstruktionsoptimierung werden Konstruktionsparameter (wie Magnetdicke oder Luftspalt) geändert, um den Gleichstrommotor zu verbessern.
• Ihr Hauptziel ist es in der Regel, ein maximales Drehmoment und einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, indem Sie die Verluste reduzieren.
• Die Betrachtung der Simulationsergebnisse Ihrer Modellierung zeigt Ihnen, wie Sie Ihr Motordesign verbessern können, um den besten bürstenlosen Gleichstrommotor zu entwickeln.