DATENBLATT UND RAHMENBEDINGUNGEN
Im Rahmen unserer Studie haben wir den Bosch-Pedelec-Motor als Referenzmotor verwendet. Der Versuchsaufbau umfasste die Verwendung mehrerer Motoren, die sich lediglich in ihrer Wicklungskonfiguration unterschieden. Bei einem Motor war die ursprüngliche Wicklung intakt, bei den anderen wurden die Wicklungen im Feingussverfahren hergestellt.
Um Konsistenz und einen fairen Vergleich zu gewährleisten, beschlossen wir, in allen Fällen die Rotoren des Originalmotors wiederzuverwenden. Außerdem haben wir uns beim Originalmotor mit Kupferwicklung für die Wiederverwendung des originalen gewickelten Statorblechpakets entschieden. Für den Motor mit gegossenen Spulen, der Aluminiumwicklungen verwendet, haben wir ein neues Statorblechpaket auf der Grundlage des Stern-/Joch-Prinzips beschafft, um das einzigartige Spulendesign zu berücksichtigen. Es ist wichtig zu erwähnen, dass alle Statoren in einheitlich identischen Gehäusen installiert wurden, um unsere Prüfstandsbewertungen zu erleichtern. In unserem internen Identifikationssystem haben wir den Originalmotor als „RefMot“ bezeichnet. Den Motor mit der ausgetauschten Cast Coil Spulenwicklung und den nahezu identischen Statorblechen haben wir als „RefMot C“ bezeichnet. Der Motor mit der ausgetauschten Cast Coil Spulenwicklung und der optimierten Statorblechgeometrie schließlich wurde als „RefMot G“ bezeichnet.
Dieser umfassende Aufbau ermöglichte es uns, die Leistungs- und Effizienzunterschiede zwischen diesen verschiedenen Motorkonfigurationen gründlich zu bewerten.
Anpassungen um die Spulen kompatibel zu machen
Die folgenden Änderungen am Statorblech RefMot C wurden realisiert:
- a) An der Unterseite des Schlitzes wurde ein 90°-Winkel konstruiert.
- b) Die Zahnspitzen wurden alle mit einer möglichst dünnen Brücke (ca. 0,35 mm) mechanisch mit dem jeweiligen Nachbarzahn verbunden.
Die folgenden Änderungen am Statorblech RefMot G wurden realisiert:
- Wie bei RefMot C und zusätzlich c) dünneres Statorjoch und dünnerer Zahn, wobei der Außendurchmesser gleich bleibt
Ergebnisse der Simulation
- Leistung und Drehmoment bei 70 °C stationärer Wicklungstemperatur und 500 U/min
- Umgebungstemperatur 20 °C
- Gewicht und Drehmomentdichte beziehen sich auf den aktiven Teil (Stator und Rotor)
- RefMot und RefMot C in einem unabhängigen Institut getestet
RefMot mit gewickelter Spule und Originalblech:
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Leitermaterial Cu 99,9
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Elektr. Leitfähigkeit 58 MS/m
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Nutfüllfaktor 32%
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Volumen-Stator-Laminierung 57628 mm³
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Volumen-Rotor-Laminierung 26524 mm³
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Volumen PMs 11270 mm³
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Volumen Spule 20000 mm³
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Masse der Stator-Laminierung 438 g
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Masse der Rotor-Laminierung 202 g
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Masse PMs 87 g
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Masse der Spule 179 g
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Masse der Aktivteile 905 g
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Kontinuierliches Drehmoment bei 70°C (500 1/min) 1.01 Nm
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Drehmomentdichte nur aktive Teile (500 1/min) 1.12 Nm/kg
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Kontinuierliche Leistung bei 70°C (500 1/min) 53 W
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Maximaler Wirkungsgrad 90.6
Aluminium-Gussspule (RefMot C) mit gegossener Spule und Originalblech:
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Leitermaterial Cu 99,7
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Elektr. Leitfähigkeit 34 MS/m
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Nutfüllfaktor 64%
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Volumen-Stator-Laminierung 59622 mm³
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Volumen-Rotor-Laminierung 26524 mm³
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Volumen PMs 11270 mm³
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Volumen Spule 41126 mm³
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Masse der Stator-Laminierung 453 g
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Masse der Rotor-Laminierung 202 g
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Masse PMs 87 g
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Masse der Spule 111 g
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Masse der Aktivteile 852 g
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Kontinuierliches Drehmoment bei 70°C (500 1/min) 1.35 Nm
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Drehmomentdichte nur aktive Teile (500 1/min) 1.58 Nm/kg
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Kontinuierliche Leistung bei 70°C (500 1/min) 71 W
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Maximaler Wirkungsgrad 90.8
Kupfergussspule (RefMot G) mit gegossener Spule und Originalblech:
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Leitermaterial CuAg 0,2
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Elektr. Leitfähigkeit 56 MS/m
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Nutfüllfaktor 80%
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Volumen-Stator-Laminierung 50666 mm³
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Volumen-Rotor-Laminierung 26524 mm³
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Volumen PMs 11270 mm³
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Volumen Spule 65520 mm³
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Masse der Stator-Laminierung 385 g
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Masse der Rotor-Laminierung 202 g
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Masse PMs 87 g
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Masse der Spule 585 g
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Masse der Aktivteile 1259 g
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Kontinuierliches Drehmoment bei 70°C (500 1/min) 2.11 Nm
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Drehmomentdichte nur aktive Teile (500 1/min) 1.68 Nm/kg
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Kontinuierliche Leistung bei 70°C (500 1/min) 110 W
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Maximaler Wirkungsgrad 93.6
Simulationsergebnisse - mechanische Leistung
- I(max) ist gleich -> höherer quadratischer Durchmesser der Gussspule führt zu geringeren Verlusten (höherer Wirkungsgrad)
- Cast Coils erzeugen mehr Drehmoment bei höheren Geschwindigkeiten
Fazit
Der Ersatz der konventionellen Wicklung durch eine gegossene Spule aus Aluminium erwies sich als mindestens gleichwertig in der Leistung. Die Verwendung von gegossenen Kupferspulen führte dagegen zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrads.
Es sei darauf hingewiesen, dass die gegossenen Spulen für praktische Anwendungen steckbar sein müssen, damit sie bei Bedarf leicht gewartet und ausgetauscht werden können.
Obwohl für das Statorblechpaket des Gussspulenmotors das Stern-Joch-Prinzip verwendet wurde, ist es wichtig zu wissen, dass diese Konfiguration das Drehmoment aufgrund der Brücke zwischen den Zähnen leicht reduziert.
Unsere Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass der bloße Ersatz der konventionellen Wicklung durch gegossene Spulen möglicherweise nicht die optimalen Ergebnisse liefert. Um die beste Leistung mit gegossenen Spulen zu erzielen, ist es ratsam, den gesamten Motor, einschließlich Rotor und Stator und, falls erforderlich, das Kühlsystem, während des Entwurfsprozesses zu koordinieren. Dieser ganzheitliche Ansatz gewährleistet ein integriertes und effizientes Motorsystem.
