Elektromotor Auslegung und Entwicklungsprozess des Designs
Wie entwickelt man einen Elektromotor mit einem hohen Wirkungsgrad und welche Software ist dafür am besten geeignet. Die hier beschriebene Vorgehensweise kann sowohl für AC-Motoren als auch für DC-Motoren verwendet werden. Zu den AC-Motoren gehören auch BLDC-Motoren, welche auch als bürstenlose Gleichstrommotoren bezeichnet werden. Auch Axialflussmotoren und Induktionsmotoren, wie zum Beispiel von Tesla, werden anhand dieser Methode entwickelt. Im Folgenden werden die Schritte zur Motorenauslegung und die elektromagnetische Berechnungen von Elektromotoren beschrieben.
1) Elektromotor Anforderungen definieren
Der erste Schritt um einen Elektromotor auszulegen ist aufzuschreiben, was der Elektromotor machen und können soll. Man spricht in der Industrie auch von dem Definieren der Anforderungen an den Elektromotor. Also wie viel Drehmoment und Drehzahl soll der Elektromotor haben. Welche Leistung und Wirkungsgrad, wie lang soll der Motor sein, welchen Durchmesser soll der Motor haben. Man sollte immer mit dem Aufstellen seiner den Anforderungen an die spezifische Applikation beginnen, also zum Beispiel von einem Elektrofahrzeug, Elektroboot oder Elektroflugzeug. Davon sollten dann die Anforderungen für den elektrischen Antrieb und das Batteriesystem abgeleitet werden. Von den Anforderungen an den elektrischen Antrieb können dann die Anforderungen an den Elektromotor und auch den Inverter abgeleitet werden. Man sollte auch eine Priorisierung der Anforderungen vornehmen, damit jeder im Entwicklungsteam weiß, was am wichtigsten ist. Die Priorisierung ist wichtig, damit später der richtige Elektromotorentyp ausgewählt werden kann.
2) Systemarchitektur des elektrischen Antriebs erstellen
Es sollte auch eine Systemarchitektur des elektrischen Antriebs erstellt werden, bestehend aus dem Elektromotor, einem Inverter und gegebenenfalls auch aus einem Getriebe. Eine Systemarchitektur hilft zu verstehen, wie die unterschiedlichen Komponenten miteinander interagieren, also mechanisch, elektrisch und thermisch. Die Architektur hilft die Zusammenhänge und Wechselwirkung von Elektromotor, Inverter und Getriebe zu verstehen. Mit der Architektur kann diskutiert werden, wie das Antriebssystem optimiert werden kann und wo Kosten eingespart werden können.
3) Auswahl des Elektromotortyps und Vergleich
In der Vorauswahl sollte sehr genau überlegt werden, welcher Typ von Elektromotor am besten für die entsprechende Anwendung geeignet ist. Denn jeder Elektromotor hat seine Vorteile und Nachteile. Mithilfe der vorher aufgeschriebenen Anforderungen und einer Priorisierung sollte gegenüber gestellt werde, welcher Typ von Elektromotor für die spezifische Anwendung am besten geeignet ist. Hierbei sollte auch genau überlegt werden, in welcher Stückzahl der Elektromotor später produziert werden soll. Da sich von der Stückzahl auch die eingesetzte Wicklungstechnologie für den Elektromotor ableitet. Und die Wicklungstechnologie einen großen Einfluss auf das Design des Elektromotors hat.
4) Startpunkt für die Motorauslegung wählen
Den richtigen Startpunkt seiner Berechnung auszuwählen, ist nicht so wichtig. Es gibt Gleichungen dafür, um die Größe des Elektromotors für eine bestimmte Leistung abzuschätzen. Aber am besten man schaut sich einfach an, welche Abmessung andere Hersteller und Konkurrenten verwenden, die ähnliche Anforderungen haben. Meistens ist der Startpunkt für die Elektromotorauslegung schon durch die Anforderungen an die Motorlänge und den Durchmesser vorgegeben.
5) Analytische elektromagnetische Motorauslegung
Für die Auslegung und Berechnung werden analytische Softwarewerkzeuge verwendet. In die Software werden die Parameter wie Durchmesser, Länge und Spannung des Elektromotors eingegeben. Die Software zur Motorauslegung berechnet dann das Drehmoment und die Drehzahl analytisch mithilfe einer Gleichung. Das dauert auch nur wenige Sekunden, bis man ein Ergebnis hat. Man verändert dann so lange die Parameter, bis man das gewünschte Drehmoment erhält. Die Anpassung der Parameter benötigt viel Erfahrung, da jeder Parameter direkten Einfluss auf unterschiedliche Eigenschaften des Elektromotors hat. Man kann zum Beispiel auch Optimierungsalgorithmen verwenden, die einem helfen einen besonders effizienten Elektromotor zu entwickeln. Allerdings hat die analytische Berechnung einen großen Hacken, und zwar die Genauigkeit des Ergebnisses von Drehzahl, Drehmoment und Wirkungsgrad. Die Genauigkeit liegt in der Regel zwischen 70 und 80 Prozent. Sie ist abhängig von der Komplexität des Elektromotors und der verwendeten Software. Wie kann man jetzt die Genauigkeit verbessern, beziehungsweise sein Ergebnis überprüfen?
6) 2D FEM Elektromotor Simulation
Der beste Weg die analytische Berechnung zu überprüfen ist mit einer 2D FEM Simulation. Dabei bedeutet 2D, dass der Motor in den zwei Dimensionen X und Y in ganz viele kleine Stücke aufgeteilt wird. Je kleiner man diese Stücke macht, desto genauer wird das Ergebnis, allerdings wird hierfür dann auch mehr Rechenzeit benötigt. Die Ergebnisse können dann verwendet werden, um die Parameter in der analytischen Berechnung zu verbessern. Warum macht man denn überhaupt den Rückschritt in eine analytische Berechnung? Bei einer zweidimensionalen Simulation wird in der Regel nur genau ein Lastpunkt berechnet, also der Wirkungsgrad bei genau einem Drehzahl/Drehmomenten Punkt. Das dauert in der Regel mehrere Minuten bis Stunden, deshalb ist es sinnvoller ein Wirkungsgradkennfeld analytisch zu berechnen, mit angepassten Parametern aus der 2D Simulation.
7) 3D FEM Elektromotoren Simulation
Wann und warum braucht man noch eine 3D Simulation. Nun bei der 2D Simulation geht man davon aus, dass sich die Struktur in die Z‑Richtung wiederholt. Wenn man aber zum Beispiel mal von oben auf den Elektromotor schaut, ist das oben und unten an den Enden eines Elektromotors nicht der Fall. An den oberen und unteren Enden des Motors können Streuflüsse entstehen und man sollte abschätzen, wie groß deren Einflüsse sind. Bei sehr kurzen Elektromotoren kann der Einfluss von Streuflüssen groß sein. Deshalb sollte man die Ergebnisse der 3D Simulation wieder in die 2D Simulation einfließen lassen. Da die Berechnung einer Elektromotorkennlinie in einer 3D Simulation zu viel Rechenkapazität und Zeit benötigen würde. Ein weiteres Beispiel bei dem 3D Simulationen benötigt werden sind Axialflussmotoren, bei welchen sich das elektromagnetische Feld in allen 3 Dimensionen ändern. Auch bei sehr langen Elektromotoren kann es zu Biegeschwingungen der Welle kommen, wodurch sich der Abstand zwischen Rotor und Stator über die Länge verändern. Diesen Abstand nennt man auch Luftspalt und dessen Änderung hat natürlich Einfluss auf das Drehmoment und dessen Verlauf.
Zusätzliche Punkte bei der Elektromotoren Entwicklung
Elektromotor Test und Messung
Wer simuliert und berechnet, sollte natürlich auch wissen, wie er seine Ergebnisse überprüfen kann. Denn der Unterschied zwischen Theorie und Praxis ist in der Praxis größer als in der Theorie. Das Überprüfen der Ergebnisse kann in 3 Schritte unterteilt werden. Das Vermessen der Materialien, zum Beispiel von den Magneten und dem Blech. Das Vermessen der Komponenten, zum Beispiel des Rotors mit den Magneten und der Stator mit den Wicklungen. Und natürlich abschließend eine aktive und passive Vermessung des kompletten Elektromotors. Man sollte möglich früh mit dem Messen von Materialien und Komponenten anfangen und die Ergebnisse in die Simulation einfließen lassen, um diese zu verbessern.
Mechanische und thermische Auslegung vom Elektromotor
Ganz wichtig ist auch die mechanische und thermische Auslegung und Simulation des Elektromotors. Denn erst mit der thermischen Simulation kann man herausfinden, wie lange der Elektromotor die maximale Leistung wirklich erbringen kann. Die Vorgehensweise für die thermische Auslegung und Berechnung ist sehr ähnlich wie die oben beschriebene elektromagnetische Auslegung. Die Ergebnisse der elektromagnetischen Simulation, wie zum Beispiel die Verlustleistungen, fließen in die thermische Simulation ein. Eine mechanische Simulation ist besonders wichtig, wenn der Elektromotor große Drehmomente erzeugt oder hohe Drehzahlen erreicht.