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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Magnetfelder im Asynchronmotor berechnen möglich?


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von R+W Charging (Gast)


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Hallo,

ich als Informatiker habe einen geringen IQ in Physik/E-Technik und 
würde gerne verstehen, wie Elektromotoren ausgelegt werden und wo die 
physikalischen Grenzen bzgl Leistung/Wirkungsgrad bei gegebenem Gewicht 
liegen.

Es gibt ja sehr viele Bauformen und ganz unterschiedliche Anforderungen 
an Lebensdauer, Wartungsfreiheit, Gewicht, Baugröße, Robustheit, 
Trägheit,  Anlaufverhalten und auch sehr viele Nutzungsprofile bei ggf 
weit auseinanderliegenden Drehzahlen/Drehmomenten sodass man bestimmt 
ganze Bücher mit diesem Thema füllen könnte, von den Unterschieden in 
der Ansteuerung/Regelung ganz zu schweigen.

Daher versuche ich mal, die Frage einzuschränken und beziehe mich auf 
Drehstrom Asynchronmotoren (Käfigläufer) und betrachte nur den Betrieb 
bei einer konstanten Drehzahl.

Falls man ideale Frequenzumrichter zur Verfügung habe und alle rein 
mechanischen Komponenten wie Gehäuse, Welle usw mal ausblendet, kann man 
für eine konkrete Motorgeometrie dann einigermaßen einfach die max. 
Leistung/Wirkungsgrad bei einer bestimmten Drehzahl berechnen?

Die Verluste sind, soweit ich es verstanden habe, im Wesentlichen:

-Kupferverluste
-Wirbelstromverluste

-Verluste im Eisen durch Ummagnetisieren
-mechanische Verluste

Die Eisenverluste sind wohl sehr schwer zu modellieren und hängen sehr 
vom Material ab, daher seien diese mal der Einfachheit halber als 
vernachlässigbar angenommen, ebenso mechanische Verluste durch Reibung 
und auch Verluste in der Leistungselektronik zur Ansteuerung.

Die Wirbelstromverluste müssten relativ einfach beliebig reduziert 
werden können durch Reduktion der Dicke der Eisenbleche und 
entsprechender Erhöhung der Anzahl der Bleche.

Wie lassen sich jetzt die (ohmschen) Kupferverluste beschreiben (erstmal 
nur die im Stator)?
Der Zusammenhang ist ja bei gegebener Rotordrehzahl:
Leistung <- Drehmoment <- Flussdichte im Rotor <- Strom im Stator

Die Frage ist also:
Bei bekannter Motorgeometrie, wieviel Strom ist notwendig, um eine 
bestimmte Flussdichte im Rotor zu erzielen?

Der Stator besteht ja im Prinzip aus lauter radial angeordneten Spulen 
mit Eisenkern, die ein magnetisches Drehfeld erzeugen, in dem sich der 
Rotor dann dreht.

An dem Punkt endet mein Verständnis von Magnetismus.
Um die magnetische Flussdichte innerhalb der "Statorspulen" zu 
berechnen, 1. kann man einfach jede "Spule" unabhängig vom restlichen 
Motor betrachten? Die "Eisenkerne" der "Statorspulen" sind ja alle 
miteinander
verbunden.
Lässt sich die Flussdichte direkt aus dem Strom der jeweiligen Wicklung, 
der Anzahl an Windungen und der Höhe/Breite des Kerns (Statorblech) 
errechnen oder braucht man hier schon komplexe numerische Verfahren?

2. Ändert sich bei konstantem Strom einer normalen Spule mit Eisenkern 
die Flussdichte innerhalb der Spule, wenn der Eisenkern zu einem 
geschlossenen Ring (wie bei einem Trafo mit nur einer Wicklung) ergänzt 
wird?

3. Wenn man nun den Durchmesser des äußeren Teils des Rings vergrößert, 
verringert sich dann die Flussdichte in diesem Teil entsprechend?


Vielen Dank schonmal

von Klaus R. (klara)


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Hallo,
sprich doch mal mit Leuten aus einer Ankerwicklerei. Dort gibt es sicher 
einen der einige Semester Energietechnik studiert hat. Für einen 
Informatiker gehst Du ganz schön tief in das Eingemachte eines Dir 
fremden Fachgebietes. Aber da steckt doch sicher auch ein Auftraggeber 
dahinter. Der weiß auch nichts?
mfg Klaus

von Der Andere (Gast)


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Was du wissen willst ist ein halbes Semester Vorlesung über 
Antriebsmaschinen. Bischen viel für einen Forumsthread.

Kauf dir die Bibel:
"Electric Motors and Drives Fundamentals, Types and Applications" von 
Austin Huges

Da sich die Grundlagen nicht ändern kannst du auch die dritte oder 
vierte Auflage kaufen, die gibts gebraucht zum Teil schon um die 10 
Euro.

von Naja (Gast)


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> Die Frage ist also: Bei bekannter Motorgeometrie, wieviel Strom ist notwendig, 
um eine bestimmte Flussdichte im Rotor zu erzielen?

Auch das ist nicht ganz so einfach. Denn die Flusslinien aendern sich 
mit dem Drehwinkel. Sag ich mal so. Moeglicherweise wurde die Maschine 
designt, sodass der Fluss immer derselbe ist, bedeutet das Rastmoment 
ist dann Null. Das Drehmoment unabhaengig vom Drehwinkel, Das ist aber 
nicht einfach so von selbst gegeben.

Ja, das kann man simulieren, das muss man simulieren. Schau mal bei CST 
rein, welche jetzt bei Dassault sind.

von R+W Charging (Gast)


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Danke für den Buchtipp, ich fange mal über Weihnachten an und schau mal, 
wie weit ich komme.
Ich sehe schon, da braucht es schon einiges an Hintergrundwissen und 
scheinbar auch sehr teure Software.

Wie haben denn die Ingenieure vor 100 Jahren Motoren gebaut/optimiert?
Einfach durch Ausprobieren?
Mich interessiert vor allem, wieviel Verbesserungspotential in den 
nächsten Jahrzehnten noch möglich ist. Vor einiger Zeit war irgendwo ein 
Artikel über einen Elektromotor für kleine Flugzeuge, der pro kg Gewicht 
5kW Leistung bringen kann, geht da noch viel mehr oder ist bald das 
Maximum erreicht, das mit Kupfer/Eisen möglich ist?

Ich frage rein aus Interesse, um eine grobe Vorstellung zu entwickeln, 
mit was sich die Fachleute aus den anderen Disziplinen beschäftigen.
Oft wirken technische Probleme auf mich einfacher, je weniger Ahnung ich 
davon habe und bin dann überrascht, wenn ich erfahre, was da alles für 
Know-How dahinter steckt und wieviel Optimierungsaufwand in scheinbar 
unbedeutende Details investiert wird.

von Udo S. (urschmitt)


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R+W Charging schrieb:
> Einfach durch Ausprobieren?

Vieles war ausprobieren und dann clevere Ideen haben um die Designs zu 
verbessern. Maxwell war bekannt, aber es gab noch keine Computer und 
Simulationen und geschlossen berechnen kann man den magn. Fluss in einer 
komplizierteren Geometrie eher nicht.

Geh mal in ein technisches Museum oder in das Deutsche Museum in München 
und schaue dir die alten Motoren und Generatoren an.

von Naja (Gast)


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Das noch vorhandene Potential :
Naja, wenn die Geometrie vorgegeben ist, also Innenlaeufer, 
Aussenlaeufer, Scheibenlaeufer, bleibt nicht mehr viel.
Etwas am Material in Sachen Festigkeit. Allenfalls noch etwas an 
Permeabilitaet.
Der letzte Sprung waren die BLDC. Aus einem Synchronmotor macht man mit 
Permanentmagneten einen BLDC. Damit bekommt man mit marginalem Volumen 
schon ein starkes Feld. Aber ..
- die Umdrehungen/Volt sind fest
- einen Reihenschlussmotor, oder Nebenschlussmotor gibt es so nicht
- Die immer extremeren Permanentmagnetmaterialien haben einen immer 
tieferen Curiepunkt.

Die Flugzeugmotore mit 5kW bringen diese 5kW nicht als Dauerleistung.

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