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Machbarkeitsanalyse f¨ ur ein BLDC-Motor-Konzept f¨ ur Hebeb¨ uhnen vorgelegt der Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau Bachelor Arbeit von Cihan Subasi 011214541 1. Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Peter Brychta Hochschule Bochum 2. Betreuer: Dipl.-Ing. J¨ org Steiner Hochschule Bochum August 2012

Ab Schluss Arbeit

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Page 1: Ab Schluss Arbeit

Machbarkeitsanalyse fur ein BLDC-Motor-Konzept furHebebuhnen

vorgelegt derFachbereich Mechatronik und Maschinenbau

Bachelor Arbeitvon

Cihan Subasi011214541

1. Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Peter Brychta Hochschule Bochum

2. Betreuer: Dipl.-Ing. Jorg Steiner Hochschule Bochum

August 2012

Page 2: Ab Schluss Arbeit

Kurzfassung

Titel: Recherche der Radnabenmotoren im Markt und Entwurf eines BLDCPM Motors im ANSYS MaxwellVerfasser: Cihan Subasi

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Recherche von Radnabenmotoren und Radna-benantrieben und dem Entwurf eines dauermagneterregten burstenlosen Motors fur Firma,Kreitzler Industriebuhnen.

Fuer 8 Wochen habe ich bei der Firma gearbeitet, um benogigte Informationen zu be-kommen und Radnaben motoren zu recherchieren. Deswegen werde ich zuerst diese Angabenerwaehnen. Wie habe ich die benotigte Physikalischen Kraefte berechnet? Was sind die Di-monsionen den Buhnen und welche Einbauraum haben wir fur Radnabenmotor? Konntenwir im Markt entsprechend Motor fur unsere Angabe finden? Ich werde versuchen dieseFragen zu antworten.

Dann werde ich die teschnische Berechnungen des BLDC PM Motor richten. Die Schwer-punkten der Arbeit sind Berechnung des stationaeren magnetisches Feldes, Wicklundberech-nung, Untersuchung des dynamischen Verhaltens und Nachrechnung oder Ueberpruefungmit einem FEM Program.

Dann werde ich das Program, ANSYS Maxwell erklaeren. Wie funktionert und welcheMethoden benutzt dieses Program ein Losung zu erreichen?

Und schliesslich nach meinen Berechnungen werde ich im Program, ANSYS Maxwelleinige Simulationen machen und erwuenschte Drehmoment erhalten.

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1 Kreitzler Industriebuhnen

Abbildung 1: Kreitzler Industriebuhnen

Kreitzler Industriebuhnen ist seit uber 30 Jahren ein weltweit fuhrender Anbieter intel-ligenter und innovativer Losungen im Bereich der Hebetechnik.

Mit hochqualifizierten Mitarbeitern werden von der individuellen Einzellosung bis hinzur Serienfertigung Hubarbeitsbuhnen im Werk Witten hergestellt.

Abbildung 2: Eine Hubarbeitsbuhne der Firma Kreitzler

Als einer der ersten Hersteller der Branche stehen wir fur Qualitat made in Germany undarbeiten konsequent an der Weiterentwicklung unserer Produkte.

Die weltweite Belieferung von fuhrenden Konzernen sind der beste Beweis fur die langjahrigeErfahrung und erfolgreiche Arbeit von Kreitzler Industriebuhnen.

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Ich habe fur 8 Wochen in der Firma gearbeitet, um beotigte Informationen uber Abmes-sungen der Fahrzeuge und mogliche Motoren, die wir fur die Fahrzeuge, die bei der Firmahergestellt wird, benutzen konnen. Aber das zu tun, gab es einige Probleme wie die Herstel-lung der erforderlichen Drehmoment, der Suche nach einem Motor, der in Fahrzeugrad passtusw.

1.1 Bestimmung der Randbedingungen

Der Einbauraum

Ich mochte zunachst erklaren, welche Einschrankungen haben wir. Dafur mochte ich einigetechnische Zeichnungen des Rades geben, damit die Situation klar.

Wie Sie einfach sehen konnen, haben wir 260 mm als maximale Innendurchmesser desRades fur das Motor und 380 mm als Außerdurchmesser fur die Berechnung des Drehmo-ments.

Abbildung 3: Raddurchmesser

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Und im folgenden Abbildung konnen wir einfach sehen, haben wir ca. 180 mm als diemaximale Motorlange. Diese Lange wird unsere Motorlange, die wir im Entwurfprozess be-nutzen werden.

Abbildung 4: Mogliche Motorlange

Das Drehmoment

Das Drehmoment ist eine grundlegende physikalische Große in der klassischen Mechanik. Esspielt fur Drehbewegungen die gleiche Rolle wie die Kraft fur die geradlinige Bewegung. EinDrehmoment kann einen Korper biegen, tordieren oder seine Rotation beschleunigen oderbremsen. Die international verwendete Maßeinheit fur das Drehmoment ist das Newtonmeter.

Abtriebsmoment: Das Drehmoment, das an der Welle einer Kraftmaschine oder an derAusgangswelle eines Drehmomentwandlers (Getriebe) gemessen wird. Fur die angetriebeneArbeitsmaschine oder den Drehmomentwandler ist es das Antriebsmoment.

Anfahrmoment: Das Drehmoment, das eine Kraftmaschine aus dem Stand leisten kann,oder das eine Arbeitsmaschine oder ein Fahrzeug beim Anfahren benotigt.

Antriebsmoment: Das Drehmoment, das an der Eingangswelle einer Arbeitsmaschineoder eines Drehmomentwandlers, an der Radachse eines Fahrzeugs oder an der Achse einesPropellers wirkt. Fur die treibende Kraftmaschine oder den treibenden Drehmomentwandlerist es das Abtriebsmoment.

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Abbildung 5: Drehmoment Erzeugung

Nennmoment: Das Nennmoment ist derjenige, meist gerundete Wert des Drehmoments,der als typisch angesehen wird , wenn die Drehmoment-Wirkung in Kurzform beschriebenwerden soll.

In unserer Aufgabe um benotigte Drehmoment zu berechnen, brauchen wir folgendeDaten, die wir schon ausgekriegt haben:

• Außendurchmesser des Rades(r)

• gesamt Gewicht der Buhne und Benotigte gesamte lineare Kraft(F)

• Maximale Steigungwinkel der Oberflache(α = 10◦)

Fur unsere Arbeit;Gesamtgewicht = 3500kg = 34510N

F = 34510 × sin(α)

F = 34510 × sin(10)

F = 5992N

Das Wert F ist benotigte gesamte lineare Kraft, die wir brauchen um die Buhne bewe-gen lassen zu konnen. Nun mussen wir das benotigte maximale Drehmoment berechnen.Dafur brauchen wir Kraft und Radius des Rades(r = 0.19m);

T = F × r

T = 5992 × 0, 19

T = 1138Nm

Das Wert T , das wir nun ermittelt haben, ist das gesamte Drehmoment, das wir brau-chen. Deswegen wir haben nun zwei Moglichkeiten um das Drehmoment fur pro Motorzu ermitteln. Wir konnen Zweiradantrieb oder Vierradantrieb benutzen. Wenn wirZweiradantrieb benutzen, dann kommt benotigte drehmoment pro Motor;

T1 = 569Nm (1)

Wenn wir Vierradantrieb benutzen, dann kommt benotigte drehmoment pro Motor;

T2 = 284, 5Nm (2)

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Geschwindigkeit und Drehzahl

Firma mochte 6km/h als maximale Geschwindigkeit der Buhnen erreichen. Wenn die Ge-schwindigkeit des Fahrzeugs wird mehr als dieses Wert, ist es nicht sicher fur Personen undLasten, die auf der Buhne stehen.

Geschwindigkeit ist abhangig von Drehzahl des Rades und Motors. Deswegen mussen wirermitteln, was die maximale Drehzahl sein muss, um V = 6km/h als Geschwindigkeit zuerreichen.

6km/h = 1, 667m/s

Dafur mussen wir zunachst berechnen die Winkelgeschwindigkeit;

Abbildung 6: Winkelgeschwindigkeit

ω =V

r=

1, 667

0.19= 8, 77rad/s

Nun brauchen wir die Drehzahl pro Minuten, in einem anderen Wort RPM zu berechnen;

RPM =30ω

π=

30 × 8, 77

π

RPM = 83.74

RPM heißt in Englisch ’Round per minute’ und in Deutsch ’Umdrehung pro Minute’.RPM ist eines wichtiges Faktor des Entwurf eines Motors.

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Die Energieversorgung

Die Buhnen, die von der Firma hergestellt werden, haben zwei Batterie. Diese Batterienhaben folgende Eigenschaften;

• 24 Volt DC Spannung

• 5,6 kW Leistung

• Maximal currennt???????

Kuhlungtyp

Wegen der Wartungskosten will Firma, Kreitzlerindustriebuhnen nicht mit Motoren, dieeine Flussigkeitskuhlung haben arbeiten. Aber mit der Flussigkeitskuhlung oder andererKuhlungmethoden kann man hohere Wirkungsgrad und Leistungen erreichen.

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2 Radnabenantrieb

2.1 Burstenlose Gleichstrommotoren

Burstenlose DC-Motoren auch als elektronisch kommutierte Motoren bekannt sind synchro-ne Elektromotoren angetrieben durch Gleichstrom-Strom und mit elektronischer Kommutie-rung Systeme, anstatt mechanische Kommutatoren und Bursten. Die Strom-zu-Drehmomentund Frequenz-Geschwindigkeits-Verhaltnisse der BLDC-Motoren sind linear.BLDC MotorenSchrittmotoren beschrieben werden, mit festen Permanentmagnete und moglicherweise Polenauf dem Rotor als der Stator.

Abbildung 7: Stator eines BL-Motors aus einem Floppy-Laufwerk mit sechs Phasen. Rechtsder abgenommene Rotor mit Permanentmagnet in Form eines Ringes.

BLDC-Motoren kann auf verschiedene physikalische Konfigurationen konstruiert werden:In der ”konventionellen”(auch als Innenlaufer”bekannt) Konfiguration sind die Permanent-magnete Teil des Rotors. Drei Statorwicklungen umgeben den Rotor.

In der Außenlaufer”(oder Außenlaufermotor)-Konfiguration wird die radiale Beziehungzwischen den Spulen und Magnete umgekehrt, die Statorspulen bilden das Zentrum (Kern)des Motors, wahrend die Permanentmagnete Spin in einer uberhangenden Rotor umgibt

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die Kern. Die Außenlaufermotoren haben in der Regel mehr Pole um die drei Gruppen vonWicklungen zu halten und haben ein hoheres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. In allenBLDC-Motoren sind die Spulen stationar.

Abbildung 8: Stator eines BL-Motors aus einem Floppy-Laufwerk mit sechs Phasen. Rechtsder abgenommene Rotor mit Permanentmagnet in Form eines Ringes.

Mit der Entwicklung der Elektronik konnen kleinere permanenterregte Synchronmoto-ren so betrieben werden, dass sie von außen ahnlich beschrieben werden konnen wie eineGleichstrommaschine. Diese Motoren mit Elektronik-Umrichter wurden besonders im eng-lischen Sprachraum als brushless direct current (BLDC) beworben, auf Deutsch ubersetztburstenlose Gleichstrommaschine. Die Maschine wird auch als EC-Motor (EC fur electroni-cally commutated) bezeichnet. Vom Aufbau her sind diese Motoren ungedampften perma-nenterregten Synchronmaschinen gleich und konnen in Anwendungen, die eine genugendeEigendampfung haben auch als Synchronmaschine angesteuert werden.

AufbauUblicherweise ist bei BLDC-Motoren der Rotor mit einem Permanentmagneten realisiert,

der feststehende Stator umfasst die Spulen, die von einer elektronischen Schaltung zeitlich

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versetzt angesteuert werden um ein Drehfeld entstehen zu lassen, welches ein Drehmomentam permanent erregten Rotor verursacht. Bei kleineren BLDC-Motoren mit geringen An-spruchen wie Luftern sind Zweiphasensysteme wegen des einfachen Aufbaus ublich. Umwinkelabhangige Drehmomentschwankungen zu minimieren, werden hohere Phasensystemeeingesetzt, wobei neben dem in der Energietechnik ublichen Dreiphasensystem auch hoherePhasenanzahlen zur Anwendung kommen. Durch eine hohe Polzahl werden die Laufeigen-schaften verbessert, so dass das Drehfeld auch durch Ansteuerung mit einer rechteckformigenWechselspannung gebildet werden kann.

Erfolgt die Kommutierung des BLDC-Motors unabhangig von der Position, Drehzahl undMomentenbelastung des Rotors, liegt im Prinzip nur ein herkommlicher Synchronmotor bzw.eine Form des Schrittmotors vor. Bei BLDC-Motoren besteht als wesentlicher Unterschieddie Moglichkeit, die elektronische Kommutierung von der Rotorposition, der Rotordrehzahlund dem Drehmoment abhangig zu machen. Das stellt eine Form der direkten Ruckkopplungdar, womit die Frequenz und bei manchen Systemen auch die Amplitude in Abhangigkeit vonder Position und Drehzahl des Rotors verandert werden. Die elektronische Kommutierungwird damit zu einem Regler, und die Art der Erzeugung des Drehfeldes bestimmt damitwesentlich die Charakteristik des BLDC-Motors.

Zum Erfassen der Rotorposition und Drehzahl bestehen verschiedene Moglichkeiten:

• Sensorgesteuerte Kommutierung:

In diesem Fall befinden sich Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren zur Erfassungdes magnetischen Flusses des Rotors oder optische Sensoren im Bereich des Stators.Entsprechend dieser Stellungsinformation werden uber geeignete Leistungstreiber vonder Steuerelektronik die Wicklungen angesteuert, die im Rotor ein Drehmoment erzeu-gen. Der Vorteil ist, dass die sensorgesteuerte Kommutierung auch bei sehr geringenDrehzahlen bzw. im Stand funktioniert. Gewohnlich werden bei dieser Kommutierungbei drei oder mehr Phasen nicht alle Phasen zugleich bestromt, sondern zumindest einePhase ist zu jedem Zeitpunkt stromlos.

• Sensorlose Kommutierung:

Bei der sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition uber diein den Spulen des Stators ausgeloste Gegenspannung, welche von der elektronischenSteuerschaltung ausgewertet wird. Allerdings ist zur Auswertung der Gegenspannungeine gewisse Mindestdrehzahl erforderlich. Sensorlose BLDC-Motoren mussen daherwie Synchronmotoren bzw. Schrittmotoren bis zum Erreichen der Mindestdrehzahlblind geschaltet werden.

Mittlerweile gibt es allerdings Verfahren, mit denen ein BLDC-Motor auch unterhalbdieser Mindestdrehzahl nicht blind gesteuert wird. Dazu werden bei Stillstand kurzeStromimpulse gesendet, die den Motor zwar nicht bewegen, aber durch das magneti-sche Feld des Rotors beeinflusst werden. Das Magnetfeld mindert oder verstarkt denStromfluss und verandert so die Zeit, die ein Stromimpuls benotigt, um eine Schwelle zuuberschreiten. Diese Zeiten werden gemessen, und man kann damit die Rotorpositionschon bei Stillstand bestimmen.

Das Anlaufen des Motors auf eine Drehzahl, bei der die Gegenspannung ausgewertetwerden kann, kann nun mit einem speziellen Verfahren geregelt werden. Dabei nutzt

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man die Stern- oder auch Dreiecksschaltung des Motors, in der genau sechs verschiedeneStrome fließen konnen. Ein Strom wird dabei fur den Antrieb verwendet, und jeweils eingeringer Strom 60 elektrische Grad vor und hinter dem Antriebsstrom wird durch denRotormagneten beeinflusst. Kommutiert, also um 60 elektrische Grad weiter geschaltet,wird immer dann, wenn die Magnetachse mit der Achse des antreibenden Stromesubereinstimmt. Das kann gemessen werden, da dort die Differenz der beiden geringerenMessstrome ein Maximum hat.

2.2 Radnabenmotoren

Ein Radnabenmotor ist ein Motor, der direkt in ein Rad eines Fahrzeuges eingebaut ist undgleichzeitig die Radnabe tragt. Ein Teil des Motors ubertragt das erzeugte Drehmoment aufdas Rad, mit dem er umlauft.

Abbildung 9: Ein Radnabenmotor von der Firma, Protean Electric

Die meisten Bauformen sind Elektro-Radnabenmotoren. Bei elektrischen Radnabenmo-toren sind dabei sowohl Innen- als auch Außenlaufer denkbar.

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2.2.1 Geschichte der Radnabenmotoren

Radnabenmotoren kamen bereits im 19. Jahrhundert in Elektrofahrzeugen zum Einsatz.Schon Ferdinand Porsche rustete zur Weltausstellung 1900 sein Lohner Porsche genanntesElektroauto mit lenkbaren Radnabenmotoren aus. Im 20. Jahrhundert gab es zunachst Versu-che mit Hybridantrieben, wobei ein Verbrennungsmotor einen Generator antrieb, der wieder-um uber Elektromotoren die einzelnen Rader antrieb. Dies funktioniert auch bei Anhangern.

Abbildung 10: Lohner-Porsche, Rennversion mit Allrad-Nabenmotoren

Heute werden elektrische Radnabenmotoren mit geringen Leistungen oft beim Elektro-rollstuhl, bei Elektromotorrollern und Pedelecs verwendet. Es sind aber auch schon (proto-typische) PKW vorgestellt worden, die mit Hilfe von Radnabenmotoren angetrieben werden.

2.2.2 Bauarten der Radnabenmotoren

Es gibt verschiedine Moglichkeiten, Radnabenantriebe konstruktiv zu realisieren und dermit der Radnabe bzw. dem Rad zu verbinden. Bei Außenlaufermotoren steht die Ach-se und das Gehause rotiert. Bei dieser Variante kann entweder das Rad Teil des Motor-gehauses sein(integriert) oder das Motorgehause wird als separate Einheit ausgelegt undmit einem herkommlichen Rad verbunden(teilintegriert). Ebenso besteht die Moglichkeit,die herkommliche Bauart mit Innenlaufer zu nutzen und die Welle mit der Radnabe direktoder uber ein Getriebe bzw. eine Umlenkwelle zu verbinden. Zudem konnen bei Außen- alsauch Innenlaufermotoren Axial- oder Radialflussanordnungen fur dir Motorwicklung undPermanentmagnete verwendet werden. Abhangig von diesen Punkten ergeben sich einigeMoglichkeiten, Radnabenantriebe sinnvol einzusetzen und an die Anforderungen im Fahr-zeug anzupassen. Im Folgenden werden diese Moglichkeiten vorgestellt und kommentiert.

• Direktantrieb mit Außenlaufer:

Bei einem Radnaben-Direktantrieb mit Außenlaufer spricht man auch von einem Rad-nabenmotor, da keine Getriebe und Umlenkbauteile engesetz werden. Das Motor-

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gehause ist Trager des Rotors. Entweder wird das Motorgehause mit einem sepera-ten Rad des Fahrzeugs verbunden oder der Motor ist in das Rad integriert und dasMotorgehause bildet die Felge.

Abbildung 11: Teilintegrierter Radnaben-Direktantrieb mit Außenlaufer

Wie in folgender Abbildung dargestellt, hat Mitscubishi das Prinzip des teilintegrier-ten Radnaben-Direktantriebs mit Außenlaufer bereits in der Studie Lancer EvolutionMiEV vorgestellt.

• Direktantrieb mit Innenlaufer:

Bei dieser Bauform eines Direktantriebs ist der Stator in das Motorgehause inte-griert(ubliche Motorenbauform). Das Gehause ist am Fahrwerk befestigt und der in-nenliegende Laufer treibt das Rad an.

Hierbei besteht nich die Moglichkeit, Motorgehause und Felge miteinander zu verbindenoder als gemeinsame Einheit auszulegen, wie bei es den Außenlaufermaschinen der Fallist.

Auch bei Direktantrieben mit Innenlaufer ist eine Auslegung als Axial- oder Radi-alflussmaschine moglich. Radnabenmotoren mit Innenlaufer bieten den Vorteil, dassZuleitungen oder Schlauche von Kuhlsystemen am feststehenden Gehause wesentlicheicfacher befestig werden konnen als bei Außenlaufermaschinen.

• Axial- und Radialflussordnung:

In Außenlaufermaschienen ist der Stator an der feststehenden Achse befestigt. DieMotorwicklung ist uber Anschlussleitungen, die durch die Achse fuhren, mit der Mo-torsteuerung verbunden. Obwohl bei der Außenlauferbauart die Statorwicklung undder Rotor in der Regel nach dem Radialflussprinzip arbeiten, ist hier ebenfalls eine

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Abbildung 12: Teilintegrierter Radnaben-Direktantrieb mit Außenlaufer

Abbildung 13: Motorkonzept des Mitsubishi Lancer Evolution MiEVs.

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Abbildung 14: Radnaben-Direktantrieb mit Innenlaufer

Axialflussauslegung moglich. Diese beiden Moglichkeit unterscheiden sich in der Ori-entierung des magneteischen Flusses, mit dem dir Maschine arbeitet.

Abbildung 15: Axial- und Radialflussordnung

Beim Radialflussprinzip verlaufen die magnetischen Feldlinien vom Rotor mit Permanent-oder Elektromagneten uber den Luftspalt senkrecht zur Achse in den Stator. Die Lei-ter der Motorwicklung liegen dabei parallel zur Achse des Rades, um ein Moment ingewunschter Richtung erzeugen zu konnen. Diese Art von Maschienen erfordert in derRegel eine große Bautiefe, was eber wiederum auch große Leiter- sowie Magnetlangenfur Hohe Drehmomente zulasst. Im Gegensatz dazu verlaufen die vom Rotor erzeug-ten Feldlinien bei einer Axialflussmaschine parallel und die Leiterbahnen der Wicklungsenkrecht zur Achse. Es besteht dadurch die Moglichkeit einer geringeren Bautiefe,jedoch ist die Leiter- und Magnetlange durch den vorgegebenen Durchmesser der Ma-schiene begrenzt.

• Indirektantrieb

Ein Elektromotor in Kombinaiton mit einem Getriebe oder einder anderen Ubersetzungwird als Indirektantrieb bezeichnet. Diese Art von Antrieben wird haufig in Elektro-fahrradern verbaut und im Folgenden beschrieben. Dabei werden Elektromotoren mit

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Innenlaufer verwendet, die uber eine angepasste Ubersetzung oder eine Umlenkung mitder Radnabe verbunden sind.

Abbildung 16: Radnaben-Indirekt mit Innenlaufer

Durch die vorhanden Getriebeubersetzung kann der Motor kleiner dimensioniert wer-den und ist somit leichter als bei einem Direktantrieb, da bei kleinerem Drehmomentdurch hohere Drehzahlen die Gleiche Leistung erzielt wird. Dieser Vorteil wird jedochteilweise durch den Platzbedarf und das Gewicht des Getriebes vermindert. Nachteiligist die Wirkungsgradversclechterung durch das Getriebe.

Abbildung 17: Radnabenantrieb mit Getrieb

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Abbildung 18: Active Wheel-Radnabenantrieb von Michelin

2.3 Scheibenlaufermotoren

Ein Scheibenlaufermotor ist ein Elektromotor, dessen Rotor die Form einer Scheibe hat.Bei der bekanntesten Bauform werden die stromdurchflossenen Wicklungen auf der Scheibeangebracht, der Rotor enthalt jedoch keinen Eisenkern. Fur Scheibenlaufer motoren ist dasder wichtigste Unterschied zu anderen Motortypen, um keinen Eisenkern zu haben. Schei-benlaufer sind an der fur andere Elektromotoren unublichen Bauform (der Durchmesser istgroßer als die Lange) leicht zu erkennen.

Abbildung 19: Ein Scheibenlaufermotor von Printed Motor Works

Die Wicklungen sind auf einer dunnen Isolierschicht in Form von Leiterbahnen einergedruckten Schaltung ausgefuhrt oder bestehen aus massiveren Kupfer- oder Aluminiumlei-tern (Drahte oder gestanzte Teile). Aluminium hat den Vorteil geringerer Masse. Die Scheibe

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lauft in einem engen Spalt zwischen Permanentmagneten, die als Stator ein festes Magnetfelderzeugen. Der magnetische Kreis wird uber ein weichmagnetisches Material außerhalb derScheibe geschlossen. Der elektrische Strom wird uber Kohlebursten zugefuhrt; diese beruhrenim einfachsten Fall direkt die Scheibe. (Dieser Aufbau entspricht dem Prinzip einer Gleich-strommaschine.)

Abbildung 20: Wicklung eines Scheibenlaufermotors

Da die Scheibe sehr leicht gebaut werden kann und somit ein geringes Tragheitsmomenthat, konnen Scheibenlaufermotoren besonders rasch beschleunigen und abbremsen. Außer-dem wirken nur dann magnetische Krafte auf den Rotor, wenn die Scheibe von Stromdurchflossen wird, es gibt keine SZahnung”, der Rotor des ausgeschalteten Motors hat alsokeine Vorzugsrichtungen. Scheibenlaufermotoren laufen auch bei niedrigen Drehzahlen sehrgleichmaßig, und in vielen Fallen kann auf ein Getriebe zur Untersetzung verzichtet werden.

Ein weiterer Vorteil von Scheibenlaufermotoren liegt in der hohen Leistungsdichte, diedurch die dunne Bauweise der Wicklungen ermoglicht wird. Dadurch sind die Wicklun-gen sehr gut gekuhlt (viel Oberflache sorgt fur gute Warmeabgabe) und konnen mit hohenStromdichten betrieben werden. Allerdings ist die Warmekapazitat der Scheibe gering, daherbesteht bei kurzzeitiger Uberlastung eher die Gefahr einer Zerstorung durch den Temperatur-anstieg als bei Elektromotoren mit Stabanker, bei denen das Eisen des Rotors Warmeenergieaufnehmen kann.

Der Begriff Scheibenlaufermotor wird auch fur Motoren verwendet, bei denen die Schei-be ein Permanentmagnet ist, und feststehende Spulen auf einer Seite (oder beiden Seiten)der Scheibe ein Magnetfeld erzeugen; gegenuber den oben behandelten Scheibenlaufern miteisenlosem Rotor ist also Rotor und Stator vertauscht. Der Vorteil dieser Anordnung liegtdarin, dass keine Bursten zur Stromzufuhrung auf den Rotor benotigt werden, und der Motordamit zuverlassiger wird, Nachteil ist die hohere Masse des Permanentmagneten und damiteine geringere Beschleunigung. Burstenlose Scheibenlaufer sind Synchronmotoren (oder auch

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Abbildung 21: Aufbau eines Scheibenlaufermotors

Abbildung 22: Ein Scheibenlaufermotor von Heinzmann(feststehende spulen auf beiden Sei-ten)

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Schrittmotoren). Zur Verwendung als Gleichstrommotor ist eine elektronische Kommutierungnotig.

Scheibenlaufermotoren wurden fur dynamische Regelaufgaben, z.B. bei Servomotorenentwickelt. Mittlerweile werden Scheibenlaufer auch fur Elektrofahrrader und Elektroautoshergestellt. Kleine burstenlose Scheibenlaufermotoren sind in zahlreichen Geraten zu finden,z.B. in Videorekordern und Diskettenlaufwerken. Scheibenlaufermotoren sind fur Leistun-gen von ca. 10 W bis uber 10 kW erhaltlich; burstenlose Scheibenlaufer auch fur kleinereLeistungen.

Scheibenlaufer konnen auch als Generatoren eingesetzt werden (Scheibenlaufer-Generator).

2.4 Torquemotoren

Ein Torquemotor ist ein hochpoliger, elektrischer Direktantrieb aus der Gruppe der Lang-samlaufer. Torquemotoren weisen sehr hohe Drehmomente bei relativ kleinen Drehzahlenauf. Torque-Motoren gibt es schon seit mindestens 1970 gewesen, und sie haben mehrere

Abbildung 23: Vereinfachter Aufbau eines Torquemotors (permanenterregter burstenloserGleichstrommotor in Außenlaufer-Bauform)

Vorteile gegenuber anderen Motoren.

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Zum Beispiel haben sie:

• Kleine elektrische Zeitkonstante und daher hohe dynamische Reaktionen.

• Große mechanischen Luftspalte (0,5 bis 1,5 mm), so Montage und Ausrichtung isteinfach.

• Und sie verwenden Permanentmagneten fur einen hohen Wirkungsgrad.

Aber die auffalligste Merkmal der Torque-Motoren ist, dass sie relativ großen Durchmesser-Langen-Verhaltnisse und kurze axiale Abmessungen aufweisen. Daruber hinaus konnen Torque-Motoren mit großen außeren und inneren Durchmesser, was zu einem Motor, der ein wenigmehr als ein dunner Ring ist. Somit kann die Masse relativ gering sein als eine Funktion desDurchmessers. Der große Durchmesser hilft dem Motor ein hohes Drehmoment zu erreichen.

Abbildung 24: Ein Torquemotor von der Firma, KOLLMORGEN

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Der große Durchmesser gibt dem Motor einen großen Hebelarm um ein hohes Drehmomentzu erzeugen. Der große Durchmesser bietet auch genugend Raum entlang des Umfangs furstarke Selten-Erd-Magneten. Ein extremes Beispiel, hat ein Torque-Motor fur ein Teleskop-Laufwerk einen Durchmesser von 2,5 m und einer Lange von nur 50 mm und es immer nocheine kontinuierliche Drehmoment großer als 10.000 Nm.

Abbildung 25: Die Torquemotoren konnen ohne Ubertragungseinheiten hohes Drehmomenterzugen

Torque-Motoren sind auch ”rahmenlose”Motoren. Das heißt, sie haben keine Gehausen,Lager oder Feedback-Gerate. In diesem Sinne ist der Motor ein Kit und soll Teil der MaschineStruktur sein.Torque-Motoren werden als Direktantrieb konzipiert. Sie beseitigen die Not-wendigkeit fur Getriebe, Schneckengetriebe-Laufwerke und andere mechanische Ubertragungselemnte.Dies ermoglicht Antriebe mit hohen dynamischen Reaktionen ohne Hysterese.

Torque-Motoren eine relativ große Anzahl von magnetischen Polpaaren. Folglich gibt esviele Permanentmagnete auf dem Rotor. Dies bedeutet, Torque-Motoren als dunne Ringeaufgebaut werden kann. Es bedeutet auch, sie konnen glatt Geschwindigkeitsregelung mit

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geringer Welligkeit haben. Allerdings Wirbelstromverluste in burstenlose Motoren erhohtmit der Polpaarzahl. Als ein Ergebnis sind Torque-Motoren in erster Linie fur Low-Speed-Anwendungen im Allgemeinen unterhalb 1000 rpm, was mehr als genug fur viele Anwendun-gen.

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3 ANSYS Maxwell R© und RMxprtTM

3.1 Maxwell 2D/3D

Abbildung 26: Maxwell 2D

Maxwell R© ist ein umfassendes elektromagnetisches Feld Simulationssoftware fur Ingenieu-re mit Entwurf und die Analyse 3D/2D Strukturen wie Motoren, Aktuatoren, Transformato-ren und anderen elektrischen Geraten, die in Automotive-, Militar-, Luftfahrtindustrie undindustrielle Systeme verwendet werden.Basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM),kann Maxwell statische, Frequenz-Domane und zeitlich variierende elektromagnetische undelektrische Felder losen.

Abbildung 27: Maxwell 3D

Daruber hinaus kann die Software dynamisch mit Simplorer R© verknupft werden, um eineleistungsfahige, System-Level-basierte elektromagnetische Design-Flow zu erzeugen. Dieser

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Abbildung 28: Maxwell und seine Beziehung mit anderen Software-Paketen

Fluss ermoglicht es den Benutzern, komplexe Schaltungen mit genauen Komponentmodel-le zu kombinieren, um High-Performance-elektromechanischen und Power Electronic Sys-tems zu entwerfen.Außerdem haben Maxwells 3D-Solver dynamische Links zu ePhysics. Diesermoglicht Ingenieure um komplexe 3D-Multi-Physik-Studium durch die Verknupfung vonMaxwell auf ePhysics thermischen und strukturellen Solver durchfuhren.

Maxwell enthalt 3D/2D Transient, AC Elektromagnetische, Magneto-Statik-, elektrosta-tische und Electrotransient Loser, die exakt zu losen fur Kraft, Drehmoment, Kapazitat,Induktivitat, Widerstand und Impedanz, sowie erzeugen Zustandsraum-Modelle.

Anwendungen:

• Motoren und Generatoren

• Linear oder rotatorisch Antriebe

• Relais

• Mikroelektromechanische Systeme

• Magnetische Aufzeichnungskopfe

• Spulen

• Permanentmagneten

• Sensors

• Transformers

• Konverter

• Stromschienen

• IGBTs und ahnliche Gerate

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3.2 RMxprtTM

Abbildung 29: RMxprt

RMxprt ist eine vielseitige Software-Programm, das die Auslegung und Optimierung vonrotierenden elektrischen Maschinen beschleunigt. Mit RMxprt, konnen Benutzer Maschinen-Performance berechnen, machen erste Dimensionierung Entscheidungen und fuhren Hunder-te von ”was ware wennAnalysen in einer Angelegenheit von Sekunden. Als der Einstiegspunktfur die Ansoft Motor und Antrieb Design-Methodik, RMxprt automatisch produziert sowohlSystem-Level-Modelle und geometrische Daten, so dass der Vorplanung bis zur raffiniert undmit Leistungselektronik und Steuerschaltung integriert werden.

RMxprt schafft 3D-und 2D-Geometrie, weist Materialien und richtet Randbedingungenfur Maxwell. Zusatzlich irgendein Parameter verandert in RMxprt wird automatisch in dieFinite-Element-Projekt aktualisiert.

RMxprt ist der ideale Ausgangspunkt fur eine umfassende elektrische Maschine Design-Flow. RMxprt mit Maxwell und Simplorer bietet eine effiziente und prazise Methodik zumEntwerfen und Optimieren einer elektrischen Maschine und damit verbundenen elektrischenAntriebs-und Steuerungssystem.

Abbildung 30: Rmxprt ist der ideale Ausgangspunkt fur Entwurf eines elektrisches Maschiene

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3.3 Wie Funktionert das Program?

Maxwell verwendet Maxwell-Gleichungen mit Finite-Element-Methode, um eine Losung zuerreichen.

3.3.1 Maxwell-Gleichungen

Die Maxwell-Gleichungen von James Clerk Maxwell beschreiben die Phanomene des Elek-tromagnetismus. Sie sind damit ein wichtiger Teil des modernen physikalischen Weltbilds.

Die Maxwell-Gleichungen sind ein spezielles System von linearen partiellen Differenti-algleichungen erster Ordnung. Die Gleichungen beschreiben den Zusammenhang von elek-trischen und magnetischen Feldern mit elektrischen Ladungen und elektrischem Strom un-ter gegebenen Randbedingungen. Zusammen mit der Lorentzkraft erklaren sie damit allePhanomene der klassischen Elektrodynamik. Sie bilden daher auch die theoretische Grund-lage der Optik und der Elektrotechnik.

Der schottische Physiker James Clerk Maxwell erarbeitete die nach ihm benannten Glei-chungen von 1861 bis 1864. Er kombinierte dabei das Durchflutungsgesetz und das gaußscheGesetz mit dem Induktionsgesetz. Zusatzlich forderte er, um die Kontinuitatsgleichung nichtzu verletzen, den maxwellschen Verschiebungsstrom.

In Quellenfeldern zeichnen sich die Feldlinien durch einen Anfang und ein Ende aus (oderverschwinden im Unendlichen). In Wirbelfeldern sind die Feldlinien geschlossene Kurven.

• Das Gaußsche Gesetz fur elektrische Felder besagt, dass elektrische Ladungen Quellenund Senken des Feldes der elektrischen Flussdichte D sind, also Anfang und Endeder zugehorigen Feldlinien darstellen. Elektrische Felder ohne Quellen und Senken,sogenannte Wirbelfelder, treten hingegen bei Induktionsvorgangen auf.

• Das Gaußsche Gesetz fur den Magnetismus besagt, dass das Feld der magnetischenFlussdichte B keine Quellen aufweist. Die magnetische Flussdichte hat demzufolge nurgeschlossene Feldlinien. Im Gegensatz dazu kann das Feld der magnetische FeldstarkeH allerdings schon Quellen und Senken aufweisen. Ein bekanntes Beispiel ist die Ober-flache eines Permanentmagneten.

• Induktionsgesetz von Faraday: Zeitliche Anderungen des magnetischen Flusses fuhrenzu einem elektrischen Wirbelfeld.

• Erweitertes Durchflutungsgesetz: Elektrische Strome - einschließlich einer zeitlichenAnderung der elektrischen Flussdichte - fuhren zu einem magnetischen Wirbelfeld.

Neben der Formulierung als Differentialgleichungen lassen sich die Maxwellgleichungenauch in integraler Form, in differentialgeometrischer Form und in kovarianter Form darstellen.

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Integralform von Maxwell-Gleichungen:

Gauss’s Gesetz fur Elektrizitat:

∮closedsurface

~E · d ~A =Qenc

ε0(3)

Gauss’s Gesetz fur Magnetismus:

∮closedsurface

~B · d ~A = 0 (4)

Faraday’s Gesetz:

∮~E · d~s = −dφB

dt(5)

Ampere-Maxwell Gesetz:

∮~B · d~s = µ0ε0

dφE

dt+ µ0ienc (6)

Aber das Program Maxwell benutzt differenziale Formen von Maxwell-Gleichungen umeine Losung zu erreichen.[?]

Abbildung 31: Differenziale Formen von Maxwell Gleichungen

3.3.2 Finite-Elemente-Methode(FEM)

Die Finite-Element-Methode hat sich seit vielen Jahren im Ingenieurwesen bewahrt und wirdmittlerweile schon routinemaßig fur Berechnungsaufgaben im Maschinen-, Apparate- undFahrzeugbau eingesetzt. Sie ermoglicht weitestgehend realitatsnahe Aussagen durch Rech-nersimulation im Stadium der Bauteil- oder Strukturentwicklung und tragt damit wesentlichzur Verkurzung der gesamten Produktentwicklungszeit bei. Im Zusammenwirken mit CADzahlt heute die FEM als das leistungsfahigste Verfahren, die Ingenieurarbeit zu rationalisierenund qualitativ zu optimieren. Das Vertrauen in FEM-Rechnungen darf aber nicht nachlassigmachen, so haftet der Berechnungsingenieur bei einer falschen Auslegung nach dem BGB,GSG und dem ProdHfG. Insofern sollten die Grundzuge der FE-Methode allen Ingenieurenbekannt sein, um die problemgerechte Einsetzbarkeit und die erzielten Ergebnisse in derPraxis beurteilen zu konnen.[?]

Die Finite-Elemente-Methode (FEM), auch”Methode der finiten Elemente“ genannt,

ist ein numerisches Verfahren zur Losung von partiellen Differentialgleichungen. Sie ist einweit verbreitetes modernes Berechnungsverfahren im Ingenieurwesen und ist das Standard-werkzeug bei der Festkorpersimulation. Das Verfahren liefert eine Naherungsfunktion an die

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Abbildung 32: Visualisierung einer FEM-Simulation der Verformung eines Autos bei asym-metrischem Frontalaufprall

exakte Losung der Differentialgleichung, deren Genauigkeit durch die Erhohung der Frei-heitsgrade und damit des Rechenaufwandes verbessert werden kann.

Mit der FE-Methode konnen Probleme aus verschiedenen physikalischen Disziplinen be-rechnet werden, da es sich grundsatzlich um ein numerisches Verfahren zur Losung vonDifferentialgleichungen handelt. Zunachst wird das Berechnungsgebiet in eine beliebig großeAnzahl von Elementen unterteilt. Diese Elemente sind

”endlich”(finit) und nicht unendlich

(infinit) klein. Das Aufteilen des Gebiets in eine bestimmte Anzahl Elemente finiter Große,die sich mit einer endlichen Zahl von Parametern beschreiben lassen, gab der Methode denNamen

”Finite-Elemente-Methode”.

Innerhalb dieser Elemente werden Ansatzfunktionen definiert (z. B. lokale Ritz-Ansatze jeElement). Setzt man diese Ansatzfunktionen in die zu losende Differentialgleichung ein, erhaltman zusammen mit den Anfangs-, Rand- und Ubergangsbedingungen ein Gleichungssystem,welches in der Regel numerisch gelost wird. Die Große des zu losenden Gleichungssystemshangt maßgeblich von der Anzahl der finiten Elemente ab. Seine Losung stellt letztlich dienumerische Losung der betrachteten Differentialgleichung dar.[?]

3.3.3 Analyseansatz fur Brushless PM Motoren

Der Stator eines burstenlosen DC-Motor ist mit einer mehrphasigen Wicklung ausgestattet.Die Phasen sind mit dem DC-Bus durch einen Schaltkreis verbunden ist. Die Schaltfolge wirdso gesteuert, dass sie mit der Position des Rotors synchronisiert ist. Als Ergebnis erzeugt derStator ein rotierendes Magnetfeld.

Der Rotor ist mit Permanentmagneten ausgestattet ist, wodurch eine Struktur mit der

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gleichen Anzahl von Polen an dem Stator. Der Stator schaltet wirken wie ein Kollektor ineinem klassischen DC-Motor.

In burstenlose Permanentmagnet-DC (BLDC), werden die Ankerstrome genau nach Ro-torlage kommutiert. Das Signal von der Rotorposition kann von einem Positionssensor oderdurch induzierte Spannungen fur sensorlosen Steuerung erhalten werden.

Die Leistung von BLDC-Motoren wird uber eine Time-Domain-Simulation analysiert.DieSpannungsgleichung im Zeitbereich ist:

wobei R1, Ld, Lq und L0 Ankerwiderstand, d-Achsen-Induktivitat synchronen, q-Achsen-Induktivitat synchronen und 0-Achsen-Induktivitat, jeweils. ωe ist Rotordrehzahl in elektri-sche rad/s, und p stellt fur d/dt.

Die Transformationen fur Klemmenspannungen, induzierten Spannungen und Wicklungs-strome werden durch die folgenden drei Gleichungen gegeben sind:

Die Transformationsmatrizen fur 2-Phasen-3-Phase und 4-Phasen-Systeme, wie C2, C3

und C4 angegeben ist, sind wie folgt:wobei α = 2π/3.Die Eingangleistung(elektrische Leistung) kann nun von der Spannung und Strom wie

folgt berechnet werden:Die Ausgangleistung(mechanische Leistung) ist:

P2 = P1 − (Pfw + PCua + Pt + PFe)

wobei PFW, PCua, Pt, und PFE sind Reibungs-und Windverlust, Ankerkupferverlust, Transistor-und Diodeverlust und Eisen-Kernverlust, beziehungsweise.

Der Ausgang als mechanische Drehmoment T2 ist:

T2 = P2/ω

wobei ist ω Rotordrehzahl in rad/s.

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Page 32: Ab Schluss Arbeit

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Der Wirkungsgrad wird berechnet durch:

eff = P2/P1

3.3.4 FEM und adaptive Vernetzung

Abbildung 33: Kreis von Losungerzeugen

• Um die Menge der algebraischen Gleichungen losen zu konnen, wird die Geometrie desProblems automatisch in kleine Elemente diskretisiert.

• Die verschiedene Objekte werden automatisch durch der Mesher verzahnt.

• Die montage aller Dreiecke wird als das Finite-Elemente- Netz des Modells bezeichnet.

3.3.5 FEM Approximationsfunktionen

• Das gewunschte Feld in jedem Element ist mit einem quadratischen Polynom vonzweiter Ordnung aproximiert.

Az(x, y) = a0 + a1x+ a2y + a3x2 + a4xy + a5y

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• Feldgroßen wird fur 6 Punkte(3 Ecke und 3 Mittelpunkte)in 2D berechnet.

• Feldgroßen, die in der Ecke sind, wird durch zweiter Ordnung quadratische Interpola-tion Schema berechnet.

Fur mehrere und detalierte Informationen sehen Sie bitte ANSOFT MAXWELL 2DUSER’S GUIDE.

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Page 34: Ab Schluss Arbeit

Abbildung 34: Berechnungpunkte (3 Ecke und 3 Mittelpunkte)

4 DESIGN GLEICHUNGEN

Um ein Motor zu entwicklen, mann muss zuerst geometrische und physikalische Randbedin-gungen bestimmen. Wie ich schon in erstem Kapitel erzahlt habe, in unserem Projekt habenwir einen begrenzten Einbauraum und mit diesem begrenzten Einbauraum mussen wir einmaximales Drehmoment erreichen. Und noch haben wir einige Grenzen wie begrenzte Spei-sespannung und maximale Leistungsaufnahme, um benotigte Drehmoment und Drehzahl zuerzeugen.

Es gibt viele unbekannten Parameter fur der Entwurf eines BLDC-PM-Motors. Als einErgebnis ist es notwendig, einige von ihnen zu fixieren und dann der verbleibenden Teil desParameters ermitteln. Welche Parameter konnen wir unsere Meiunung nach verandern?

Parameter BezeichnungP,T Leistung(hp) or Nenndrehmoment(Nm)Sr NenndrehzahlEmax Maximale back emf(V)Jmax Maximale Slot Stromdichte(A/m2)Nph Anzahl der PhasenNm Anzahl der Magnet PolesNsp Anzahl der Slot pro Phaseg Luftspaltlange(m)lm MagnetlangeRso Statoraußendurchmesser(m)Rro Rotoraußendurchmesser(m)L Axiale Motorlange(m)kst, ρbi Laminierung Stapelfaktor und Stahl Massendichteρ, β Dirigent Widerstand und Temperatur-Koeffizientkcp Dirigent Packungsfaktorαm Magnet-FraktionBr Magnet Remanenzµr Magnet rucklaufige PermeabilitatBmax Maximale Stahlflussdichteωs Slotoffnungαsd Schuh Tiefe Bruchteil, (d1 + d2)/ωtb

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Die Parameter in der Tabelle angegeben sind nach Funktionen gruppiert. Die geforderteLeistung oder Drehmoment bei Nenndrehzahl, der Peak-EMK und die maximale Stromdich-te des Leiters sind Maßnahmen des Motors Eingang und Ausgang. Topologische Randbe-dingungen gehoren die Anzahl der Phasen, Magnetpole und Schlitzen pro Phase. Der Luft-spalt Lange, Magnet Lange, Statoraußendurchmesser, Rotoraußendurchmesser , Motor axialeLange, Kern Verlust, Laminierung Stapelfaktor, zuruck Eisen Massendichte, Dirigent Wider-stand und die damit verbundenen Temperaturkoeffizienten, Leiter Verpackung Faktor, undder Magnet-Fraktion sind physikalische Parameter. Remanenz Magnet, Magnet rucklaufigePermeabilitat und maximaler Stahl Flussdichte sind magnetische Parameter. Schuh Para-meter umfassen die Schlitzoffnung Breite und Tiefe Schuh Fraktion.

In diesem Tabelle kann man fast alle Parameter einfach sehen, die wir im Maxwell ver-wenden werden. Einige von dieser Parameter wissen wir schon und andere werden wahrenddes Entwurf ermittelt werden.

Geometrische Parameter, die wir schon gewusst haben:

P = 5, 6kW

T1 = 569Nm und T2 = 284, 5Nm

L = 176mm

Rso = 260mm

Sr = 84rpm

4.1 Geometrische Parameter

Abbildung 35: Maxwell 2D

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5 Entwurf im Maxwell

5.1 Entwurf im Maxwell

In diesem Unterabschnitt wird Entwurfprozess Schritt fur Schritt erzahlt werden. Um eineschnelle und effiziente Entwurf zu schafffen, wird RMxprt verwendet werden.

Wir haben drei Moglichkeiten im Projekt Menu des Programms. Maxwell 2D oder Max-well 3D Projekts sind wirklich gut fur Magnetische Anwendungen aber RMxprt ist eineeffiziente Paketprogramm fur rotational Maschienen wie Elektromotoren, die ich entwicklenwill. RMxprt ermoglicht ein schneller Enwerfungprozess. Deswegen werde ich dieses Projekt-typ benutzen.

Die Wahl der Maschinentyp

Fur unsere Projekt mussen wir ”Brushless Permanent-Magnet DC Motor”wahlen.Hauptbildschirm des Projekts:

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