Entwurf, Auslegung und Betriebsverhalten von dauermagneterregten bürstenlosen Motoren kleiner Leistung

Cravero, Leandro Guillermo GND

Abstract Title: Design, dimensioning and performance of low power brushless permanent-magnet motors Author: Leandro G. Cravero Content: 114 pages, 89 illustrations, 57 citations Department of Electrical Engineering and Information Technology, Ilmenau Technical University The present work examines brushless permanent magnet motors with interior-rotor design, equipped with surface mounted magnets and concentrated windings. For three-phase motors with concentrated windings a systematic method, based on the number of slots and poles, is proposed to determine the windings and the attainable winding factors. In this interrelationship, detailed observations are made to detect the appearance of radial forces. In addition to the requirements that are always specified for brushless motors (like e.g. long-life operating cycle, sufficiently high power density and efficiency, as well as good controllability and reliability) it is often desired to develop a low vibration torque. Therefore quality factors, like cogging torque or ripple torque play an important role too. Within the frame of the present work these factors are analysed in respect to the number of slots and poles. Appropriate procedures these torques can be effectively suppressed by will also be presented as a result of the study. One main focus on this work is to develop a software for the design of brushless permanent-magnet motors. This software package implements the following four modules: a solver for the stationary magnetic field (Module I), winding calculation (Module II), dynamic behaviour analysis (Module III) and a check calculation and verification with a FEM program (Module IV). The developed simulation tool makes it possible to design a motor with all predetermined boundary conditions and specified requirements taken into account. The accuracy of this process is proven by both static and dynamic testing on two different motors, one 12-slot, 8-pole with single layer winding, and the other one 9-slot, 8-pole with double layer winding.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dauermagneterregten bürstenlosen Motoren in Innenläuferausführung, die mit oberflächenmontierten Magneten und Einzelzahnbewicklung versehen sind. Für dreisträngige Motoren werden die mit Einzelzahnbewicklung in Abhängigkeit von Nut- und Polzahlen erreichbaren Wicklungsfaktoren untersucht und es wird vorgestellt, wie sich auf Basis der Lochzahl die entstehenden Wicklungen systematisieren lassen. In diesem Zusammenhang werden auch ausführliche Betrachtungen zum Auftreten von radialen Zugkräften angestellt. Neben den für Elektronikmotoren stets gestellten Anforderungen, wie z.B. hohe Lebensdauern, Leistungsdichten und Wirkungsgraden sowie gute Regelbarkeit und Zuverlässigkeit, ist oft die Entwicklung eines schwingungsarmen Drehmoments erwünscht. Deshalb spielen Qualitätsfaktoren, wie Nutrastmomente (Drehmoment bei stromlosem Anker) oder stellungsabhängige Drehmomente (Drehmoment bei bestromtem Anker), eine wichtige Rolle. Diese werden im Rahmen der Arbeit in Abhängigkeit von den Nut- und Polzahlen, Geometrieparametern und Fertigungstoleranzen untersucht und es werden Verfahren vorgestellt, mit denen stellungsabhängige Drehmomente unterdrückt werden können. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung eines Programms zum Entwurf von Elektronikmotoren. Das Programmpaket besteht aus vier Modulen: Berechnung des stationären magnetischen Feldes (I. Modul), Wicklungsberechnung (II. Modul), Untersuchung des dynamischen Verhaltens (III. Modul) und Nachrechnung bzw. Überprüfung mit einem FEM Programm (IV. Modul). Damit ist der Motorentwurf unter Berücksichtigung aller vorgegebenen Randbedingungen und gestellten Anforderungen möglich. Die Treffsicherheit des Verfahrens wird durch statische und dynamische Untersuchungen an zwei unterschiedlichen Motoren, einer 12-nutigen, 8-poligen mit Einschichtwicklung und einer 9-nutigen, 8-poligen mit Zweischichtwicklung nachgewiesen.

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Cravero, Leandro Guillermo: Entwurf, Auslegung und Betriebsverhalten von dauermagneterregten bürstenlosen Motoren kleiner Leistung. 2006.

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