Ontwerp van BLDC-motoren met buitenrotor: Uw eenvoudige gids voor het modelleren van elektromotoren

Een borstelloze gelijkstroommotor met buitenrotor is een sterke soort elektromotor. In dit ontwerp draaien de magneten op de rotor op de buiten van de statorwikkelingen. Dit geeft ze speciale eigenschappen, zoals een hoog koppel. Dit artikel is voor jou. Het helpt je te leren hoe je een betere buitenrotor borstelloze gelijkstroommotor ontwerpt. We laten je zien hoe computermodellering je stappen in het motorontwerp kan vergemakkelijken en je kan helpen slagen. Je leert de belangrijkste stappen om je BLDC elektromotor te verbeteren zodat hij optimaal werkt.

Wat is een BLDC-motor met buitenrotor?

Een borstelloze gelijkstroommotor (BLDC-motor) is een veelgebruikte soort elektromotor. Mensen houden ervan omdat hij goed werkt en je erop kunt rekenen. Bij de meeste motoren die je ziet, draait de rotor in de stator. Dit wordt een binnenrotorontwerp genoemd.

Een borstelloze gelijkstroommotor met buitenrotor is anders. De rotor heeft permanente magneten en bevindt zich aan de buitenkant. De stator en zijn wikkelingen bevinden zich aan de binnenkant. Dit motorontwerp betekent dat de rotor breder is. Deze verandering is een groot pluspunt voor de BLDC-motor met buitenrotor. Het geeft een hoog koppel. De magnetische kracht duwt verder weg van het midden. Hierdoor wordt de draaikracht, het koppel, veel sterker. Dit maakt deze bldc-motor geweldig voor bijvoorbeeld drones, elektrische fietsen en ventilatoren.

Waarom is een goede modellering de eerste stap voor je motorontwerp?

Voordat je een echte BLDC-motor gaat bouwen, heb je een plan nodig. Bij motorontwerp is dit plan een computermodel. Modelleren betekent dat je een kopie van je borstelloze gelijkstroommotor op de computer maakt. Dit is een zeer grote stap.

Met goede modelbouw kun je veel tijd en geld besparen. Je hoeft niet veel echte testmotoren te bouwen. In plaats daarvan kun je honderden ontwerpideeën uitproberen op de computer. Met deze modellering kun je zien hoe je BLDC-motor zal werken voordat je er een maakt. Je kunt zien hoe sterk hij is, de zwakke punten vinden en de goede onderdelen nog beter maken. Een goed motormodel is het uitgangspunt voor een geweldig motorontwerp. Zonder een goed model doe je gewoon een gok. Met een goede modellering kunt u er zeker van zijn dat uw ontwerp en prestaties aan uw doelstellingen zullen voldoen. Daarom worden alle nieuwe elektrische machines gemaakt met dit soort slimme modellering.

Welke hoofdonderdelen moet je modelleren?

Als je begint met het modelleren van je BLDC-motor, moet je de belangrijkste onderdelen instellen. Deze onderdelen noemen we ontwerpparameters. Elke parameter verandert het uiteindelijke koppel van de motor en hoe goed hij werkt. Het is heel belangrijk om deze parameters goed in te stellen voor een goed motorontwerp.

Hier zijn enkele van de belangrijkste ontwerpparameters die je in je modellering moet opnemen:

Je motorontwerp moet een goede mix van deze ontwerpvariabelen vinden. Een grotere magneetdikte kan bijvoorbeeld meer koppel geven, maar het kan de bldc-motor te zwaar maken. Modellering helpt je het optimale ontwerp te vinden voor wat je nodig hebt.

Hoe werkt de eindige-elementenmethode (FEM)?

Hoe kan een computer een BLDC-motor met zoveel onderdelen begrijpen? Het antwoord is de eindige-elementenmethode (FEM). Dit is een sterk modelleringshulpmiddel. FEM knipt het motorontwerp in duizenden kleine stukjes. Deze stukjes worden "eindige elementen" genoemd. Vervolgens wordt wiskunde gebruikt om uit te zoeken hoe de magnetische velden zich in elk klein stukje gedragen.

Door dit voor alle bits uit te rekenen, kan de FEM-software een heel duidelijk beeld maken van de hele bldc-motor. Het kan je de magnetische fluxdichtheid laten zien in elk gebied van de stator en rotor. De eindige-elementenmethode is de beste manier om te zien hoe je borstelloze gelijkstroommotor zal werken. Deze diepgaande controle is veel beter dan eenvoudige wiskundige regels. Dit komt omdat het complexe vormen en de werking van materialen kan begrijpen. Het gebruik van FEM is een grote stap in het optimaliseren van je motorontwerp.

Kunt u Ansys gebruiken voor het modelleren van uw BLDC-motor?

Ja, dat kan. Ansys is een veelgebruikte en sterke softwaretool voor FEM-modellering. Veel ingenieurs gebruiken Ansys om elektrische machines te ontwerpen en te testen. Dit geldt ook voor de borstelloze gelijkstroommotor met buitenrotor. Met Ansys kun je een volledig computermodel van je BLDC-motor bouwen. Je kunt elke parameter instellen, van het type magneet tot de details van de wikkeling.

Nadat uw motormodel in Ansys is gebouwd, kunt u tests uitvoeren op de computer. Deze tests zijn als een test op de computer. De software laat je zien hoeveel koppel de bldc-motor maakt, wat het uitgangsvermogen is en hoe goed hij werkt. De simulatieresultaten van Ansys zijn resultaten waarop je kunt vertrouwen. Ze helpen je slimme keuzes te maken om je motorontwerp te verbeteren. Ansys is een geweldig hulpmiddel voor elke serieuze motor voor elektrische voertuigen of andere toepassingen. De FEM-modelleerfunctie van Ansys is van topklasse.

Hoe kies je de juiste materialen voor je modelleerwerk?

De materialen die je kiest voor je BLDC-motor zijn van groot belang. De juiste materialen leiden tot een hoge efficiëntie en betere motorprestaties. De FEM-modellering moet informatie bevatten over deze materialen. Het belangrijkste van een materiaal voor een BLDC-motor is het magnetische gedrag, of hoe het zich gedraagt met magneten.

Voor de rotor gebruik je permanente magneten. Het type magneet, zoals Neodymium (NdFeB), maakt een groot verschil. Voor de stator gebruik je speciaal staal. De manier waarop dit staal werkt, wordt weergegeven door een zogenaamde B-H-curve. De B-H-curve vertelt de modelleersoftware hoe het materiaal zich gedraagt in een magnetisch veld. Het is belangrijk dat de magneten gemagnetiseerd zijn tot het verzadigingspunt. Een B-H-curve toont dit punt in een gesloten circuit. Deze gedetailleerde modellering helpt je de ijzerverliezen in te schatten. Het zorgt er ook voor dat je bldc-motor werkt zoals je denkt dat hij zal werken. Het gebruik van de juiste B-H-curve in je FEM-modellering is heel, heel belangrijk voor het verkrijgen van echte simulatieresultaten.

Hoe kun je je ontwerp verbeteren voor het meeste koppel?

Een van de beste redenen om een borstelloze gelijkstroommotor met buitenrotor te gebruiken is een hoog koppel. Een gemeenschappelijk doel is dus om het maximale koppel uit je motorontwerp te halen. Modelleren is hoe je dit doet. Om het maximale koppel te krijgen, moet je verschillende ontwerpvariabelen testen.

Met je FEM-modelleringssoftware kun je tests uitvoeren. Deze tests laten zien hoe het veranderen van elke parameter het koppel verandert.

• Wat als je de magneetdikte groter maakt? Je modellering zou een 10% sprong in koppel kunnen laten zien.
• Wat als je de luchtspleet kleiner maakt? Je FEM-controle zal een sterkere magnetische trekkracht en meer koppel laten zien.
• Wat als je het aantal polen verandert? De simulatieresultaten geven het nieuwe koppel aan bij een ander nominaal toerental.

Je kunt honderden van deze tests uitvoeren op de computer. Dit proces van uitproberen en dingen veranderen wordt ontwerpoptimalisatie genoemd. Het helpt je de beste mix van ontwerpparameters te vinden om het maximale koppel uit je BLDC-motor te halen. Dit is hard nodig voor bijvoorbeeld elektrische voertuigen waar veel koppel nodig is.

Wat is het doel van ontwerpoptimalisatie voor hoog rendement?

Een maximaal koppel is geweldig. Maar dat is niet het enige doel. Je wilt ook dat je borstelloze gelijkstroommotor een hoog rendement heeft. Een motor met een hoog rendement gebruikt elektrische energie goed. Hij zet het om in nuttig uitgangsvermogen. Hij verspilt minder energie als warmte. Dit is van groot belang voor dingen die batterijen gebruiken, zoals drones of elektrische auto's.

Om een hoger rendement te krijgen, moet je de verliezen in de bldc-motor verlagen. De twee belangrijkste soorten verliezen zijn koperverliezen (in de wikkeling) en ijzerverliezen (in de stator). Je FEM-modellering kan deze beide raden. De optimalisatie van het ontwerp voor efficiëntie kan betekenen dat je de volgende dingen doet:

• Vervang de wikkeling door een dikkere draad, die het koperverlies verlaagt.
• Kies een betere staalsoort met een betere B-H-curve om de ijzerverliezen te verlagen.
• Zoek het optimale ontwerp dat een goede hoeveelheid koppel geeft en ook een hoog rendement heeft.

Soms kan het proberen om het meeste koppel te krijgen leiden tot een lagere efficiëntie. Dit is waar multi-objectieve optimalisatie kan helpen. Deze slimme modelleringstool helpt je een motorontwerp te vinden dat zowel een groot koppel heeft als zeer goed werkt. Het vindt de optimale waarden voor wat je nodig hebt.

Hoe bestudeer je de testresultaten van je modellering?

Nadat je FEM-modelleringssoftware een test heeft uitgevoerd, krijg je een heleboel gegevens. Dit zijn je simulatieresultaten. Het is heel belangrijk om te weten hoe je deze resultaten moet lezen om je motorontwerp te verbeteren. De analyseresultaten worden vaak weergegeven als grafieken en kleurkaarten.

Een kleurenkaart van je BLDC-motor kan bijvoorbeeld de magnetische fluxdichtheid laten zien. Je kunt zoeken naar plekken waar het magnetische veld te zwak of te sterk is. Een grafiek kan het koppel van de motor weergeven terwijl deze draait. Je kunt controleren of het koppel constant is of op en neer gaat. Door naar deze analyseresultaten te kijken, kun je problemen vinden. Misschien veroorzaakt de vorm van de stator extra ijzerverliezen. Of misschien is de magneetdikte niet voldoende om de nominale snelheid en het nominale koppel te halen. De simulatieresultaten laten zien wat je moet doen om de bldc-motor te optimaliseren. Onthoud dat, zoals in publicaties als de proceedings van de 2019 internationale conferentie over elektrische machines en systemenDe meningen en gegevens in alle publicaties zijn vaak alleen van die ene schrijver. Dit betekent dat je de FEM-modelleringsgegevens zelf moet kunnen begrijpen.

Wat zijn de laatste stappen in de ontwerp- en werkcheck?

Je hebt een model gebouwd. Je hebt tests uitgevoerd op de computer. Je hebt de resultaten bekeken en wijzigingen aangebracht. Je modellering laat nu zien dat je een geweldig motorontwerp hebt met een hoog uitgangsvermogen. Wat is de volgende stap? De laatste stap is controleren hoe de motor in totaal werkt. Dit is de motorprestatie. Je zou een definitief motorontwerp moeten hebben dat aan al je doelstellingen voldoet.

Hier doe je een laatste controle van je optimale ontwerp. Het modelleren moet ervoor zorgen dat je je doel voor maximale efficiëntie en koppel hebt bereikt. Het is ook een goed idee om te controleren hoe de bldc elektromotor zal werken in andere situaties. Wat gebeurt er als hij warm wordt? Je modellering kan helpen om dit in te schatten. Veel artikelen, zoals de proceedings van de 2018 internationale conferentie over elektrische machines en systementonen verschillende ontwerpideeën. Het is belangrijk om te weten dat de gegevens in alle publicaties alleen afkomstig zijn van die onderzoekers. Je eigen FEM-modellering en studie zijn het echte bewijs dat je ontwerp goed en klaar is. Deze laatste controle met behulp van modellering zorgt ervoor dat de prestaties van BLDC-motoren geweldig zullen zijn als je uiteindelijk een echte, werkende motor bouwt.

Belangrijke dingen om te onthouden

• Een BLDC-motor met buitenrotor geeft een hoog koppel omdat de rotor zich aan de buitenkant bevindt.
• Modelleren is de eerste grote stap. Het bespaart tijd en geld omdat je je bldc-motor eerst op een computer kunt testen.
• De eindige-elementenmethode (FEM) is een sterk modelleringshulpmiddel dat zeer waarheidsgetrouwe resultaten geeft over de magnetische velden in je bldc-motor.
• Met software zoals Ansys kun je een motormodel bouwen en tests uitvoeren om de motorprestaties te controleren.
• Ontwerpoptimalisatie is hoe je ontwerpparameters (zoals magneetdikte of luchtspleet) verandert om de bldc-motor beter te maken.
• Je belangrijkste doelen zijn meestal het verkrijgen van een maximaal koppel en een hoge efficiëntie door verliezen te beperken.
• Als je de simulatieresultaten van je modellering bekijkt, zie je hoe je je motorontwerp kunt verbeteren om de beste borstelloze gelijkstroommotor te maken.