Optimal Design and Finite Element Analysis of an Efficiency BPMDC Motor for EV Propulsion with Reduced Material Cost and Power Losses Using ANSYS Electronics

Elektrofahrzeuge werden auf den Straßen weltweit zu einem vertrauten Anblick, doch das Herz eines jeden Elektroautos bleibt eine komplexe Maschine: der Elektromotor. Um ein Fahrzeug zu bewegen, müssen diese Motoren Elektrizität mit so wenig Verlust wie möglich in Bewegung umwandeln. Wenn Energie verschwendet wird, verwandelt sie sich meist in Wärme oder geht durch Reibung verloren, was die Reichweite verkürzt und die Kosten des Fahrzeugs erhöht. Ein spezieller Motortyp, bekannt als bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor, hat sich als starker Kandidat für diese Aufgabe herauskristallisiert, da er kompakt, leistungsstark und effizient ist. Der Bau eines solchen Motors besteht jedoch nicht nur daraus, ihn zum Drehen zu bringen; es erfordert eine feine Abstimmung der Materialien. Die Magnete im Inneren des Rotors, der Stahl im Kern und das Kupfer in den Wicklungen haben alle unterschiedliche Kosten und Leistungseigenschaften. Wenn die Materialien zu teuer sind, wird das Auto unerschwinglich; wenn sie zu schwach sind, verschwendet der Motor Energie. Die Herausforderung für Ingenieure besteht darin, die perfekte Kombination zu finden, die eine hohe Leistung liefert, ohne das Budget zu sprengen.

In einer kürzlich durchgeführten Studie setzte sich ein Forscherteam zum Ziel, diesen Balanceakt für einen Motor zu lösen, der speziell für den Antrieb von Elektrofahrzeugen entwickelt wurde. Sie konzentrierten sich auf einen 2,08-Kilowatt-Motor, eine Größe, die für kleinere Fahrzeuge oder spezifische Antriebsanwendungen geeignet ist, und nutzten fortschrittliche Computersimulationen, um ihre Ideen zu testen. Anstatt physische Prototypen zu bauen, was langsam und kostspielig sein kann, verwendeten sie eine leistungsstarke Software-Suite namens ANSYS Electronics. Dieses Werkzeug ermöglichte es ihnen, ein detailliertes digitales Modell des Motors zu erstellen und zu beobachten, wie Elektrizität und Magnetfelder im Inneren interagieren. Die Forscher entwarfen den Motor für den Betrieb mit 220 Volt bei einer Geschwindigkeit von 1500 Umdrehungen pro Minute. Sie wählten sorgfältig den Stahl für die Stator- und Rotorkerne aus und ordneten die Kupferwicklungen in einem spezifischen Muster an, um sicherzustellen, dass die Magnetkräfte gleichmäßig verteilt sind. Das Ziel war es, zu sehen, wie unterschiedliche Entscheidungen bei den Permanentmagneten – jenen Teilen, die das konstante Magnetfeld im Inneren des Motors bereitstellen – die Effizienz des Motors und die Menge der verschwendeten Energie verändern würden.

Um die beste Lösung zu finden, testete das Team nicht nur eine Art von Magnet. Sie erstellten sechs verschiedene Versionen des Motors, von denen jede ein anderes Grad an Permanentmagnetmaterial verwendete. Anschließend führten sie dieselbe Simulation für alle sechs Versionen durch, um zu sehen, welche am besten unter denselben Bedingungen abschnitt. Der Computer berechnete jedes Detail, von der Menge der Wärme, die die Kupferdrähte erzeugten, bis hin zu der Energie, die durch das Reiben der Motorteile an der Luft verloren ging. Die Ergebnisse waren eindeutig: Nicht alle Magnete sind gleich geschaffen. Ein spezifischer Magnet, der in der Studie als XG196/96 identifiziert wurde, übertraf die anderen. Diese spezielle Konfiguration ermöglichte es dem Motor, eine Effizienz von 87,56 Prozent zu erreichen, was der höchste Wert in der Gruppe war. Im Gegensatz dazu erreichte die am wenigsten effiziente Magnetkonfiguration lediglich etwa 85,2 Prozent Effizienz. Der Unterschied mag gering erscheinen, aber in der Welt der Elektrofahrzeuge bedeutet selbst ein Bruchteil eines Prozents an Effizienz mehr gefahrene Meilen mit derselben Batterieladung.

Die Studie analysierte auch genau, wohin die Energie floss und wo sie verloren ging. Mit dem leistungsstärksten Magneten wies der Motor über alle Bereiche hinweg reduzierte Verluste auf. Die Kupferwicklungen, die den elektrischen Strom führen, verloren etwa 203,7 Watt an Leistung als Wärme. Der Eisenkern, der das Magnetfeld leitet, verlor 14,77 Watt. Sogar die elektronischen Komponenten, die den Strom an- und ausschalten, wie Transistoren und Dioden, trugen zum Gesamtverlust bei, aber das Team war in der Lage, diese Mengen präzise zu quantifizieren. Die Reibungs- und Windungsverluste, also die Energiekosten des Motors, der sich durch die Luft dreht, sowie der mechanische Widerstand der beweglichen Teile, wurden mit nur 12 Watt sehr niedrig gehalten. Durch den Vergleich dieser Zahlen über die sechs verschiedenen Designs hinweg konnten die Forscher sehen, dass die Wahl des Magneten den Stromfluss durch den Motor direkt beeinflusste, was wiederum bestimmte, wie viel Energie verschwendet wurde. Der XG196/96-Magnet benötigte weniger Strom, um die gleiche Arbeit zu verrichten, wesrhalb er weniger Wärme erzeugte und weniger Energie verschwendete.

Über die Effizienz hinaus untersuchten die Forscher auch, wie reibungslos der Motor laufen würde. Ein häufiges Problem bei Elektromotoren ist das „Cogging“ (Rastmoment), ein ruckartiges Gefühl, das entsteht, wenn die magnetischen Zähne des Rotors und des Stators ineinandergreifen. Dies kann Vibrationen und Geräusche verursachen, was für den Fahrer unangenehm ist. Die Simulationen zeigten, dass das gewählte Design ein sehr glattes Drehmoment erzeugte, was bedeutet, dass die Drehkraft stetig und konsistent war. Das Magnetfeld im Inneren des Motors war gleichmäßig verteilt, und die elektrischen Signale, die den Motor antreiben, waren sauber und symmetrisch. Das Team überprüfte auch die Fähigkeit des Motors, aus dem Stillstand anzufahren, ein kritischer Moment für jedes Fahrzeug. Die Simulation ergab, dass der Motor ein Anlaufdrehmoment erzeugen kann, das fast viermal so hoch ist wie sein normales Betriebsdrehmoment, was darauf hindeutet, dass er bei Bedarf stark beschleunigen wird.

Die in dieser Arbeit vorgestellte Arbeit ist eine Simulationsstudie, was bedeutet, dass die Ergebnisse aus einem hochentwickelten Computermodell stammen und nicht von einer physischen Maschine auf einem Prüfstand. Die Detailtiefe der Modellierung ist jedoch hoch und berücksichtigt die spezifischen Eigenschaften des Stahls, die exakte Form der Magnete und das Verhalten der elektrischen Ströme. Die Forscher behaupten nicht, ein neues Auto oder einen neuen Motor gebaut zu haben, der bereit für den Verkaufsraum ist. Stattdessen lieferten sie einen fundierten Bauplan und eine bewährte Methode zur Materialauswahl. Sie demonstrierten, dass es durch die sorgfältige Wahl des richtigen Magneten möglich ist, einen Motor zu entwickeln, der sowohl kosteneffizient als auch hocheffizient ist. Für die Zukunft des elektrischen Transports, in dem jedes Watt Energie zählt, ist diese Art der präzisen Technik unerlässlich. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der XG196/96-Magnet das beste Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten bietet und somit eine solide Grundlage für die nächste Generation von Elektrofahrzeugantrieben schafft.