Sättigungs- und Spitzendrehmomentfähigkeit von Motoren ohne Schlitzen

Herkömmliche Elektromotoren verwenden Kerne aus ferromagnetischen Materialien, um die Wicklung zu stützen und die magnetische Flussdichte und Energiedichte des Motors zu erhöhen. Sättigung ist der Zustand, den ferromagnetische Materialien erreichen, wenn eine Erhöhung des angelegten externen Magnetfeldes H die Magnetisierung des Materials nicht weiter erhöhen kann, sodass sich die gesamte magnetische Flussdichte B zu stabilisieren beginnt. Die Sättigung zeigt sich am deutlichsten in der Magnetisierungskurve (auch B-H-Kurve genannt) eines bestimmten Materials als Biegung der Kurve nach rechts (Abb. 1). Die Sättigungsgrenze ist an Punkt erreicht [B₂,H₂], jedoch beginnt sich die Kurve davor abzuflachen, am Punkt [B₁,H₁].

‍

Laminierte Elektrobleche, die in Elektromotorkernen verwendet werden, bestehen aus ferromagnetischen Materialien; daher erfahren sie auch eine Sättigung. Bei verschiedenen Stahlsorten kommt es bei unterschiedlichen Materialqualitäten zu einer Sättigung H und B Stufen — siehe Abb. 2.

‍

Die Beziehung zwischen H und B kann beschrieben werden als B = μH, wo μs ist magnetische Permeabilität. Bewegung entlang der B-H-Kurve μs ändert sich wie in Abb. 3 gezeigt. Bei höheren H-Werten nimmt die magnetische Permeabilität in Richtung der magnetischen Permeabilität des freien Raums (z. B. Vakuum, Luft) ab.

‍

‍

In elektrischen Maschinen wird das externe Magnetfeld H durch die in den Kupferspulen fließenden Ströme erzeugt; H ist also proportional zum Strom. Wenn die Sättigung erreicht ist und der Strom weiter ansteigt, H erhöht sich proportional und die Durchlässigkeit von Stahl μs sinkt auf das Niveau, auf dem Stahl magnetisch der Luft gleichwertig wird. In einem echten Motor sind die Zähne, die zu einem bestimmten Zeitpunkt die höchsten Ströme tragen, vollständig gesättigt — siehe die roten Bereiche in Abb. 4 — und im magnetischen Sinne „verschwinden“ sie als Teile, die den Magnetfluss leiten.

‍

‍

Die Güte des Motors wird unter anderem durch seine Fähigkeit bestimmt, den Eingangsstrom in das Ausgangsdrehmoment umzuwandeln. Die Linearität der Kennlinien zwischen Strom und Drehmoment ist ein wichtiger Vorteil, da es einfacher ist, einen Motor zu steuern, bei dem das Drehmoment im gesamten Betriebsbereich des Motors linear mit dem Strom ansteigt. Steigt der Eingangsstrom an, während Motoren mit Eisenkern gesättigt sind und kein ausreichendes Drehmoment bereitstellen können, sorgen Motoren ohne Steckplatz weiterhin für ein steigendes Drehmoment, proportional zum Strom (Bild 5). Dank dieser Funktion weisen herkömmliche Motoren ohne Schlitzen vergleichbare oder sogar höhere Spitzendrehmomente auf (mit einer möglichen Dauer von einigen Sekunden) als herkömmliche Eisenkernmotoren.

FiberPrinted™ -Motoren, die im Vergleich zu herkömmlichen Motoren ohne Nuten einen höheren Kupferfüllfaktor und eine optimalere Wicklungsgeometrie aufweisen, weisen eine höhere Drehmomentfähigkeit auf als diese nutenlosen Motoren und übertreffen Eisenkernmotoren beim Spitzendrehmoment (Bild 6).

Die Modellierung zeigt, dass selbst bei Strömen, die das Zehnfache des Nennstroms betragen, das hintere Eisen der FiberPrinted™ -Motoren nicht gesättigt wird. In der Praxis können Alva-Motoren daher als „sättigungsfrei“ eingestuft werden.

‍

‍

Referenzen

[1] J. Kappatou, G. Zalokostas, D. Spyratos (2016). Konstruktionsoptimierung einer Synchronmaschine mit Axialfluss-Permanentmagneten (AFPM) mithilfe von 3D-FEM-Analysen. Zeitschrift für elektromagnetische Analyse und Anwendungen. 08. 247-260.10.4236/jemaa.2016.811023.

‍

Lesen Sie mehr:

• FiberPrinting™: Die Revolution im Bereich der eisen- und schlitzlosen Motoren.
  

• Der Wert einer hohen Motorkonstante