Bürstenlose Motoren verstehen – optimale Flusslücke für hohe Drehmomentdichte

Was ist ein Luftspalt?

Eine einfache Möglichkeit, den Luftspalt zu definieren, besteht darin, zu sagen, dass es sich um die Luft im Raum zwischen dem Stator und dem Rotor des Motors handelt.

Genauer gesagt können wir ähnliche Definitionen für Wechselstrom- oder Wechselstrommotoren und Gleichstrom- oder Gleichstrommotoren haben.

Bei einem Wechselstrommotor ist der Luftspalt der Luftraum zwischen dem Rotorkern und dem Stator. Andererseits soll es sich um den Raum zwischen den Polen und dem Anker eines Gleichstrommotors handeln.

Der Flussspalt ist der Abstand zwischen dem hochpermeablen Material im Stator (Stator-„Eisen“) und dem entsprechenden hochpermeablen Material im Rotor (Rotor-„Hintereisen“). Dieses Material besteht normalerweise aus dünnen Schichten von Fe-Si-Stahl.

Wie wir alle wissen, sollte die Flusslücke im Allgemeinen so klein wie möglich sein 

Beachten Sie, dass die Flusslücke Magnete enthält. Seltenerdmagnete (magnetisiert oder unmagnetisiert) haben im Wesentlichen die gleiche Permeabilität wie Luft. Aus Statorsicht sind die Magnete daher nicht von Luft zu unterscheiden und sollten als Teil des Flussspalts einbezogen werden.

Wie funktioniert der Luftspalt?

Um zu verstehen, wie Luftspalte funktionieren, bedenken Sie zunächst, dass es sich bei Elektromotoren und Generatoren um rotierende elektrische Maschinen handelt.

Das bedeutet, dass Elektromotoren und Generatoren sehr ähnlich funktionieren. Der Unterschied besteht darin, dass Elektromotoren die zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln. Stattdessen nehmen Generatoren spezifische mechanische Energie auf und wandeln sie in elektrische Energie um.

In beiden Fällen findet der Energieumwandlungsprozess statt, wenn Stator und Rotor zusammenarbeiten, um einen magnetischen Fluss durch ihre eigenen Kupferwicklungen zu erzeugen. Hier kommt der Luftspalt ins Spiel.

Im Luftspalt bildet sich ein Magnetfeld aus und für die Erzeugung des magnetischen Flusses ist eine der oben genannten Wicklungen zuständig, die für jeden Pol jeder Phase des Motors den Luftspalt zweimal durchlaufen muss.

Einige der Schlüsselfaktoren im Zusammenhang mit dem Luftspaltbetrieb sind::

Die Magnetkraft ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Mit zunehmender Größe des Luftspalts nimmt die magnetische Anziehung ab und es wird schwieriger, sie zu kontrollieren.

Eine Vergrößerung des Luftspalts erhöht den Magnetisierungsstrom, der die Strommenge darstellt, die erforderlich ist, um den magnetischen Fluss durch den Luftspalt zu treiben.

Je mehr Pole ein Motor oder Generator hat, desto öfter muss der Fluss pro Umdrehung den Luftspalt durchqueren.

All diese Faktoren lassen uns zu dem Schluss kommen, dass es umso besser ist, je kleiner der Luftspalt ist. Ein kleinerer Luftspalt bedeutet jedoch einen geringeren Abstand zwischen den beweglichen Teilen des Rotors und des Stators. Aus diesem Grund ist die Überwachung des Luftspalts in Motoren und Generatoren von entscheidender Bedeutung, da bereits die geringste Abweichung in der Ausrichtung des Luftspalts auf diese Eigenschaften zu Betriebsproblemen in der Maschine führen kann.

Der Magnetkreis besteht aus einem Weicheisenring, einer Kupferwicklung (2A, 250 Windungen), dargestellt durch ein grünes Rechteck, und einem Luftspalt im Ring. Die Flussdichte (Einheiten von Tesla) wird durch den Abstand zwischen den Flusslinien und der Farbe dargestellt, wobei Rot die höchste und Blau die niedrigste Dichte darstellt. In Ringen mit kleinen Flusslücken ist die Flussdichte deutlich am größten. Bei diesem Ring gelangt auch am wenigsten Flussmittel in die Umgebungsluft.

Der Grund für diesen Unterschied liegt darin, dass der Luftspalt den Widerstand des Stromkreises erhöht. Der Widerstand ist der Fluss in einem magnetischen Kreis, genau wie der Widerstand der Strom in einem Kreis ist. Daher hängt der magnetische Fluss in einem Stromkreis vom Gesamtwiderstand und der angelegten magnetomotorischen Kraft (Anzahl der Windungen mal Strom) ab, ebenso wie der Strom vom Gesamtwiderstand im Stromkreis und der angelegten Spannung abhängt.

Schauen wir uns genauer an, wie sich der Fluss mit der Flusslücke selbst ändert. Wir können dies tun, indem wir eine Linie über die Flusslücke ziehen und die Flussdichte an jedem Punkt der Linie messen.

Wenn man dies für Flussspalten von 1 mm und 4 mm durchführt, wird deutlich, dass der Fluss in der Mitte jeder Lücke gleich bleibt. Es ist auch zu erkennen, dass der Fluss im 4-mm-Flussspalt viermal kleiner ist als der Fluss im 1-mm-Flussspalt. Um also die gleiche Flussdichte in einem Spalt von 4 mm zu erzeugen, müssen wir die Wicklungen bei gleichem Strom vervierfachen oder die Anzahl der Wicklungen beibehalten und den Strom vervierfachen. Dieses Konzept lässt sich auch auf Elektromotoren übertragen und erklärt, warum Ingenieure meist große Anstrengungen unternehmen, um die Flusslücke so klein wie möglich zu halten.

Einfluss der Flusslückengröße auf das Drehmoment eines einfachen Motors

Das vom Motor erzeugte Drehmoment hängt von der Flussdichte im Luftspalt ab. Mit zunehmender Größe des Flussspalts nimmt das Drehmoment allmählich ab

Aus der obigen Diskussion geht klar hervor, dass wir im Allgemeinen wollen, dass die Flusslücke physikalisch so klein wie möglich ist, um die Drehmomentabgabe des Motors zu erhöhen, daher ist sie die Motorkonstante. Zusätzlich zu den Fertigungstoleranzen müssen wir jedoch auch die Dicke des Magneten berücksichtigen. Wenn man die Rotormagnete länger macht, erhöht sich im Allgemeinen auch die Flussdichte an deren Polen. Dadurch wird die Drehmomentabgabe des Motors erhöht.

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