Konstruktion Brushless Motor

[BlackDevil]

Hallo Zusammen,

ich bin dabei eine Machbarkeitsstudie zu konstruieren. Dabei geht es im Grunde genommen um einen Nabenmotor für ein Fahrzeug das derzeit an einer Achse zwei Motoren besitzt. Die Rahmenbedingungen sind somit bekannt:

Gewicht des Fahrzeugs bzw. Achslast.
Ziel Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
Beschleunigung.
Drehmoment.
Größe der Räder (Außendurchmesser).
Batteriespannung.


Ich bilde mir jetzt nicht ein unter die Motorkonstrukteure zu gehen und es besser zu können als die renommierten Hersteller. Am Ende würde ein solcher Motor verwendet werden. Für die Machbarkeitsstudie und um zu lernen möchte ich aber selbst den Motor konstruieren zumindest um zu sehen, ob man da hinkommen kann.

Nun finden sich im Netz hier und da Brocken an Informationen oder regelrechte wissenschaftliche Abhandlungen mit Ringintegralen. Mit all dem kann ich aber nicht wirklich konstruieren. Die Fragen die ich mir stelle sind:

Pole und Nuten: Wie viele? Die Zahl wird eher größer sein als kleiner, so weit bin. Auch wäre zu überlegen Nutenlos zu bauen, für ein höheres Drehmoment. Dazu finde ich aber keine Wickelschemas.
Welche Form sollte der Anker haben? Hammerkopf, wie die meisten, oder doch eher was ausgefallenes? Sehr spannend finde ich diesen Stator https://www.youtube.com/watch?v=NFvMC3l3fGY .
Welche Maße sollte der Stator haben?
Wie groß müssen die Magnete sein? Hängt natürlich von der benötigten Feldstärke ab.
Wie sollen die Wicklungen aussehen?
Wie groß sollte der Luftspalt zwischen Magnete und Anker sein. Möglichst klein, ja. Man liest Werte zwischen 0,1 und 0,5mm.


Gibt es für diese Fragen praktische Konstruktionsregeln?!


Für sachdienliche Hinweise bin ich dankbar :)

[BlackDevil]

Push :) 90 Leser, keiner einen Hinweis? :)

[shedepe]

Hallo,
naja ich befürchte meinen Hinweis willst du nicht hören: Wenn du mit den Ringintegralen nichts anfangen kannst, dann wird das ziemlich schwierig für dich denke ich zu deinen Fragen antworten zu finden. Das was du da machen willst ist nämlich ein Optimierungsproblem, auf Basis dieser Gleichungen.

Mein Tipp wäre: Such dir eine Simulationsumgebung dafür und spiel etwas damit rum. Es gibt bestimmt auch OpenSource Projekte wo andere Leute bereits sowas gebaut haben und ihre Erkenntnisse ins Netz gestellt haben.

[Klebwax]

Was du wissen willst, weiß ein Motorhersteller. Dieses Wissen in Form fertiger, auch kundenspezifischer Motore zu verkaufen, ist sein Geschäft. Umsonst wirst du fundierte Informationen nur schwer bekommen.

Die meissten deiner Fragen haben mit der Fertigung nicht der Konstruktion zu tun, z.B. der Luftspalt. Du schreibst, so klein wie möglich. Richtig, aber er muß so groß sein, daß dein Rotor nicht klemmt und daß hängt davon ab, wie genau er gefertigt wird, welchen Schlag die Achse maximal hat. Das Gleiche mit der Wicklung. Je ordentlicher sie ist, desto besser wird der Wickelraum ausgenutzt, desto teurer wird aber die Produktion.

Andere Sachen sind fixe Werte (die ich aber zahlenmäßig nicht weiß), so das Verhältniss von Wickelraum zu Eisen. Viel Kupfer erzeugt zwar ein hohes Magnetfeld, sättigt aber das wenige Eisen. Viel Eisen sättigt nicht so leicht, wird aber von dem wenigen Kupfer auch nur schwach magnetisiert. Dünner Draht kann mit geringerem Strom und höherer Spannung betrieben werden, nutzt aber den Wickelraum schlechter. Das alles hat aber mit BLDC nichts zu tun, das gilt für alle E-Motore. Ein erfahrener E-Maschinenbauer kennt diese Werte.

Ich hab da ein Buch "Austin Hughes, Electric Motors and Drives ISBN-13: 978-0-7506-4718-2". Das hilft mir zwar zu verstehen, um was es geht, befähigt mich aber nicht, einen Motor zu konstruieren.

MfG Klebwax

[Moppi]

Als Jugendlicher habe ich mich so etwas und ähnlichem beschäftigt. In alten Büchern kann man so etwas noch nachlesen. Da gab es "Bastel"bücher in den 70gern und Anfang der 80ger Jahre. Da stehen Sachen drin wie: wie funktioniert eine Spule, welchen Kupferdraht nimmt man, welche Stärke, wie rechnet man das aus; da steht z.B. drin, wie man eine Wickelmaschine selber baut, wie man die Zahl der Wicklungen ausrechnet, wie man einfache Motoren selber baut oder Transformatoren usw., natürlich dann auch etwas über die Stärke des Magnetfeldes usw. das gehört dann ja dazu, ebenfalls woraus man den Kern baut, welches Blech man nimmt, wie man es bearbeitet.

Aber um einen wirklich wirkungsvollen Motor zu bauen, wird es die Genauigkeit moderner maschineller Fertigung benötigen. Bei manueller Fertigung müsste man allein schon größere Spaltmaße wählen, wegen der Toleranz die möglich ist. Es soll ja kein Bastelmotor werden, der nur einen durchschnittlichen Wirkungsgrad erreichen kann. Wenn ich anfangen wollte, würde ich aber mit dem typischen Doppel-T-Anker anfangen. Brushless würde ich erst mal in die Ferne schieben.

Aber das Video gefällt mir auch. Hat sich einer echt Mühe gemacht, die Teile aus dem 3D-Drucker, wirklich rund laufen tut der Motor aber auch nicht, ist als Modell aber völlig in Ordnung, beeindruckt trotzdem. Immerhin der Kern ist auch aus dem Drucker und der Draht drumrumgewickelt, muss man natürlich sehr sorgfältig machen (Wirkungsgrad). Außen einfach Magnete rein ins Gehäuse. Allerdings finde ich wäre doch für Brushless andersrum besser (?): innen die Magnete außen die Spule(n).

MfG

[BlackDevil]

Danke!

Ringintegrale sind bekannt, allerdings hatte ich mit Fourier und Ringintegralen und ähnlichem seit dem Studium nichts mehr zu tun. Sie sind mir in der Konstruktion auch noch nicht untergekommen.

Wie gesagt, es geht mir um die Machbarkeit. Der Motor selber würde von einem Motorenbauer kommen. Machbarkeit bedeutet, dass die benötigte Anzahl Nuten und Magnete (aka Pole) auf den verfügbaren Umfang passen oder ebendieser zu groß ist. Für die Macbarkeit kann ich auch erstmal einen Luftspalt von 0,5mm annehmen, dann ist Raum nach oben.

Es gibt in allen möglichen Bereichen der Konstruktion Faustregeln. Die sind eventuell nicht auf zig Nschkommastellen genau oder bedürfen einer gewissen Interpretation, helfen aber. Wie RiTherm, das natürlich keine CDD Sinulation ersetzen kann oder teilweise Schwachsinn auswirft. Aber in vielen Fällen hilft es.

@Moppi: es gibt Außen- und Innenläufer bei Brushless Motoren. Ersteres ist ein großer konstruktiver Vorteil bei den Brushless, meiner Meinung nach. Bei den Magneten innen würde sich bei einem Nabenmotor der Stator drehen, mit allen Nachteilen. So bleibt der Stator still, die Verkabelung ist einfacher und ich habe keinen Verschleiß.

[oberallgeier]

.. Es gibt in allen möglichen Bereichen der Konstruktion Faustregeln .. Wie RiTherm, das natürlich keine CDD Sinulation ersetzen kann oder teilweise Schwachsinn auswirft ..CDD? Oder doch CFD? Das Problem bei solchen CAA (computer aided anything) - Programmen ist ja, dass der weniger Geübte den Schwachsinn garnicht erkennen kann. Ich kenne das nicht nur von so komplexen Dingen wie CFD - wo "jeder" so manchen Effekt kennt, aber sich viele manchmal wundern, was der Profi aus den Ergebnissen rauslesen kann - und dass ne profimässige Interpretation mit der Physik manchmal tatsächlich übereinstimmt. Es ist vielfach einfach so wie das Klebwax deutlich formuliert hat. Dazu noch die Besonderheit, dass numerische Lösungen doch auch Gebiete haben in denen die Lösung nicht konvergiert. Dann bekommt man hübsche Ergebnisse die aber in unserm Kosmos nicht gültig sind.

Vielleicht Dir da (https://www.technik-consulting.eu/Weiterbildung/B%C3%BCrstenloser_Motor.html) weitergeholfen werden.

[Moppi]

@BlackDevil

Ok, Danke für die Aufklärung! :)


Bei den Magneten innen würde sich bei einem Nabenmotor der Stator drehen

ist nicht zwangsläufig so, geht auch andersrum (habe ja auch irgendwann mal in den 80gern was gelernt und in der Produktion selbst gesehen), weiß nur nicht, ob das dann für einen solchen Motor, für diesen Zweck, auch Sinn macht. Rein technisch gesehen, weiß ich nicht, ob das sehr viel nachteiliger ist, dass man einzelne Spulen außen herum der Reihe nach durchschaltet, um das Ding zum Drehen zu bekommen. Aber als Direktantrieb habe ich das mal so kennengelernt.


MfG

[Gerdchen]

Eventuell interessant:

https://www.maschinenmarkt.vogel.de/radnabenmotor-mit-hoher-drehmomentdichte-nutzt-gegossene-aluminiumspulen-a-503661/

https://www.maschinenmarkt.vogel.de/gegossene-spulen-steigern-wirkungsgrad-von-elektrischen-maschinen-a-449749/

https://www.ifam.fraunhofer.de/de/Institutsprofil/Standorte/Bremen/Formgebung_Funktionswerkstoffe/Giessereitechnologie/Komponenten_Elektrische_Maschinen/Gegossene_Spulen.html

[Klebwax]

... der Stator drehen, ...

Das wird nicht gehen. Der Stator steht, der Rotor rotiert. Nomen est Omen.


Allerdings finde ich wäre doch für Brushless andersrum besser (?): innen die Magnete außen die Spule(n).

Das kommt darauf an, welche Drehzahl du erreichen willst. Und das hat mit den Fliehkräften zu tun. Ein Vorteil des Brushless ist, daß man die Spulen auf den Stator setzen kann. Die Magnete rotieren also. Richtig Leistung bekommt man mit Magneten aus seltenen Erden. Diese sind pflichtgemäß segmentiert um mehrere Pole zu erhalten. Wenn diese rotierten, zieht die Fliehkraft sie nach außen. In einem Außenläufer kann man sie in ein geschlossenes Rohr setzen, das die Kräfte aufnimmt und häufig noch als magnetischer Rückschlußring dient. Bei einem Innenläufer geht das so nicht. Das Befestigen der Magnete am Innenläufer ist nicht so leicht. Kleben ist nicht fest genug. Löcher bohren und Gewinde reinschneiden kann man da kaum, das Material ist hart und spröde. Alle anderen Verfahren sind aufwändig und teuer.

Beim Bürstenmotor ist das anders. Der Eisenkern mit den Spulen ist nicht segmentiert und fängt die Fliehkräfte auf. Dafür besteht die Gefahr, daß der Kollektor durch die Fliekräfte zerrissen wird. Die Grenzdrehzahl beim Bürstenmotor ist aber sicher höher, da der Durchmesser des Kollektors klein gegen den Durchmesser des Rotors ist. Außerdem sind die Kollektorlamellen viel leichter als die Magnete.

Es macht also schon Sinn, daß die meissten Brushless Außenläufer sind.

MfG Klebwax

[ARetobor]

Hat mit dem Thema nur indirekt was zu tun, aber die Leistung hat mich beeindruckt
Hacker Motor Q150-4M siehe Video: Film

https://www.hacker-motor-shop.com/Elektromotoren/Hacker-Aussenlaeufer/Hacker-Q150/Q150-4M.htm?SessionId=&a=article&ProdNr=10107589&p=8741