Dimensionierung riesiger bürstenloser Motoren: Leitfaden zur Rahmen-, Drehmoment-, Kühlungs- und Antriebsanpassung

Ein bürstenloser 130-mm-Motor, der ein 2-kW-Industriegebläse antreibt, zieht ungefähr 6 A pro Phase an einem gleichgerichteten 230-VAC-Bus, und das Teil, das im Feld als erstes ausfällt, ist selten das Kupfer. Lager, der Wärmepfad oder ein Antrieb, der keinen Anlaufstrom liefern kann, stoßen früher als die Wicklung an ihre Grenzen. Das ist die praktische Realität eines riesigen bürstenlosen Motors: Ab etwa 1 kW ist er kein Katalogartikel mehr und wird zu einer Systementscheidung, die Wicklung, Kühlung, Sensorik und Kabelbaum umfasst.

Was einen riesigen bürstenlosen Motor ausmacht: Rahmengröße, Leistung und Drehmoment

Ein riesiger bürstenloser Motor ist eine dreiphasige Permanentmagnetmaschine mit einem Statoraußendurchmesser von 100 mm oder mehr, einer Dauerleistung über etwa 500 W und einem Wellendrehmoment, das in ganzen Newtonmetern statt in Bruchteilen gemessen wird.

Der Rahmendurchmesser ist der erste Filter, da das Drehmoment bei einer festen magnetischen Scherspannung linear mit dem Rotordurchmesser im Quadrat und mit der Stapellänge skaliert. Der Übergang von einem 57-mm- auf einen 112-mm-Rahmen bei gleicher Stapellänge bedeutet nahezu eine Vervierfachung des Drehmoments, bevor Magnetqualität, Wicklung oder Kühlung ins Spiel kommen. Diese eine Beziehung erklärt, warum 57-mm-Motoren zu Tausenden aus Lagerbeständen gekauft werden, während 100-mm- und 130-mm-Einheiten fast immer nach Zeichnung gebaut werden.

Retek Motion baut diese Klasse in 100-mm-, 112-mm- und 130-mm-Rahmen, einschließlich eines 130-mm-Hochleistungsgebläsemotors mit 2 kW bei 230 VAC und einer 112-mm-Low-Cogging-Einheit mit 600 W bei 24 VDC. Das breitere Sortiment ist unten aufgeführt Bürstenlose Hochleistungs-Gleichstrommotoren .

Dimensionierung eines riesigen bürstenlosen Motors: Die vier Zahlen, die den Rahmen bestimmen

Die Dimensionierung hängt von vier Zahlen ab: Dauerdrehmoment, Arbeitszyklus, DC-Busspannung und thermischer Widerstand von der Wicklung zur Umgebung. Legen Sie diese vier fest und wählen Sie Rahmendurchmesser, Stapellänge und Wicklung nahezu selbst aus.

1. Kontinuierliches Drehmoment, keine Spitze. Eine Wicklung der Klasse F mit einer Hotspot-Grenze von 155 Grad Celsius übersteht für einige Sekunden das Drei- bis Vierfache ihres Dauerstroms; Klasse H bei 180 Grad bietet etwa 25 Grad Headroom und etwa 10 Prozent mehr Dauerstrom.
2. Arbeitszyklus. Ein Förderband, das bei S1 acht Stunden läuft, und ein Lader, der bei S3 zwei Minuten in zehn Stunden läuft, benötigen unterschiedliche Rahmen für das gleiche Spitzendrehmoment. Eine Reduzierung auf einen Arbeitszyklus von 40 Prozent ermöglicht typischerweise 20 bis 25 Prozent mehr Strom am gleichen Hotspot, wodurch das Design um eine Rahmengröße nach unten verschoben werden kann.
3. Busspannung und Drehmomentkonstante. Die Drehmomentkonstante Kt in Newtonmetern pro Ampere legt den Strom fest, den ein Drehmoment benötigt: 3 Nm bei 0,15 Nm pro Ampere verbraucht 20 A, während die gleichen 3 Nm bei 0,6 Nm pro Ampere 5 A verbrauchen und sich auf einem 310-V-Bus verhalten. Wählen Sie zuerst den Bus und dann die Wicklung.
4. Wärmewiderstand. Der Wärmewiderstand zwischen Wicklung und Umgebung liegt bei einem 112-mm-Rahmen in freier Luft typischerweise zwischen 1,5 und 2,5 Grad Celsius pro Watt, sodass 4 W Kupferverlust ein kleiner Anstieg und 40 W ein Anstieg von 60 bis 100 Grad sind. Dadurch wird eine Datenblattnummer in eine kontinuierliche Bewertung umgewandelt.

Kühlung und IP-Bewertung legen die kontinuierliche Bewertung fest, nicht die Spitzenlinie

Das Dauerdrehmoment ist eine thermische Zahl. Ein 130-mm-Rahmen, der auf einer Werkbank einen Spitzenwert von 12 Nm erreicht, hält bei ruhender Luft häufig 4 bis 5 Nm, da der Kupferverlust, der den Spitzenwert verursacht hat, nicht mehr abfließen kann, sobald die Wicklung ihre Isolationsgrenze erreicht.

Der Kupferverlust steigt mit dem Quadrat der Stromstärke, sodass eine Überlastung von 20 Prozent etwa 44 Prozent mehr Wärme erzeugt. Bei dieser Größe kommt es vor allem auf zwei Hebel an: den Kühlweg und die Dichtungsklasse. Durch Druckluft über ein geripptes Gehäuse wird in der Regel das 1,5- bis 2-fache des Dauerdrehmoments des gleichen Rahmens in ruhender Luft erzeugt. Ein spritzwassergeschütztes IP65-Gehäuse sorgt für eine thermische Barriere zwischen Wicklung und Luftstrom, weshalb ein versiegelter Motor mit identischen Abmessungen normalerweise eine niedrigere Dauerleistung aufweist als sein offenes Gegenstück.

Die industrielle Luftbewegung stellt dieses Argument am härtesten auf die Probe, denn eine 2-kW-Dauermaschine muss etwa 300 W Verlust aus einem Gehäuse abwerfen, das oft gegen Staub abgedichtet ist.

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Controller-Anpassung: Warum große bürstenlose Motoren abwürgen, bevor sie brennen

Der häufigste Feldausfall eines großen bürstenlosen Motors ist nicht eine verbrannte Wicklung, sondern ein Antrieb, der nicht in dem Moment Strom liefern kann, in dem der Rotor ihn anfordert.

Das Spitzendrehmoment erfordert einen Spitzenstrom, und der Wechselrichter muss diesen Strom aufrechterhalten, ohne seine eigene Sperrschichttemperatur zu überschreiten. Ein 2-kW-Motor an einem 310-V-Bus verbraucht bei Nennlast etwa 6 bis 7 A, bequem in einem bescheidenen Antrieb; Die gleiche Wellenleistung an einem 24-V-Bus benötigt 85 bis 90 A, wodurch sich der Kabelquerschnitt, die Anschlussleistung und das thermische Design der MOSFET-Stufe ändern. Drehmomentkonstante und Busspannung sind daher eine Entscheidung und nicht zwei.

Bei einem 24-V-Bus bleibt die Hardware der Traktionsklasse in der Klasse von wenigen Hundert Watt, was für versiegelte Materialtransportgeräte geeignet ist, die unter Last starten müssen.

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Katalogmotor oder kundenspezifische Wicklung: Was sich über 100 mm ändert

Ab etwa ein paar Hundert Einheiten pro Jahr ist ein individuell gewickelter großer bürstenloser Motor in der Regel besser als eine Katalogeinheit, die fast passt, da jeder Kompromiss bei Getriebe, Montage oder Verkabelung bei jeder ausgelieferten Einheit erneut bezahlt wird.

Die Wirtschaftlichkeit funktioniert nur, wenn die Teile an einem Ort hergestellt werden. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. hat Druckguss, CNC-Bearbeitung und Kabeleinspritzung zwischen 2021 und 2023 intern verlagert, was ein abgestimmtes Gehäuse und Kabelbaum bei geringen Stückzahlen praktisch macht; Bis 2024 lieferte das Unternehmen in mehr als 20 Länder. Kundenspezifische Konstruktionen beginnen mit einer Angebotsanfrage, die die vier Größennummern enthält, und nicht mit einer Katalognummer.

Wo tatsächlich große bürstenlose Motoren spezifiziert sind

Große bürstenlose Motoren konzentrieren sich auf fünf Anwendungsfamilien: Traktion und Materialtransport, industrielle Luftbewegung, unbemannte Schwerlastflugzeuge, Getrieberobotergelenke sowie medizinische oder Körperpflegewerkzeuge.

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Häufig gestellte Fragen zu riesigen bürstenlosen Motoren

Wie viel Drehmoment erzeugt ein bürstenloser 130-mm-Motor?

Ein 130-mm-Rahmen liefert typischerweise 10 bis 15 Nm Spitzendrehmoment und 4 bis 6 Nm kontinuierlich mit einer Wicklung der Klasse F in ruhender Luft. Die Streuung hängt von der Stapellänge, der Magnetqualität und der Kühlung ab: Derselbe Stator, der in freier Luft 5 Nm hält, kann bei erzwungener Konvektion und Isolierung der Klasse H 8 bis 10 Nm halten.

Ist ein großer bürstenloser Motor effizienter als ein großer Gleichstrommotor mit Bürsten?

Ja, um etwa 8 bis 15 Prozentpunkte bei gleicher Leistung, da es keinen Bürsten- und Kommutatorabfall gibt. Ein 104-mm-Bürstenmotor mit 180 VDC und 1000 W bleibt im Anschaffungspreis konkurrenzfähig und lässt sich einfach antreiben, aber der Bürstenverschleiß bestimmt das Wartungsintervall und der Kommutator begrenzt den Dauerstrom in abgedichteten oder hochgelegenen Installationen.

Was sollte eine Ausschreibung für einen benutzerdefinierten großen BLDC enthalten?

Senden Sie fünf Eingänge: Dauer- und Spitzendrehmoment mit Dauer, Arbeitszyklus, DC-Busspannung, Umgebungstemperatur mit Kühlmethode und die mechanische Schnittstelle einschließlich Welle, Flansch und Stecker. Rahmendurchmesser, Stapellänge und Wicklung ergeben sich alle aus diesen fünf; Ohne sie ist jede angegebene Drehmomentkonstante eine Schätzung.