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

Elektrische voertuigen worden een bekend gezicht op de wegen over de hele wereld, maar het hart van elke elektrische auto blijft een complexe machine: de elektromotor. Om een voertuig in beweging te zetten, moeten deze motoren elektriciteit omzetten in beweging met zo min mogelijk verspilling. Wanneer energie wordt verspild, verandert dit meestal in warmte of gaat het verloren door wrijving, wat het rijbereik verkort en de kosten van het voertuig verhoogt. Een specifiek type motor, bekend als een borstelloze permanentmagneet gelijkstroommotor (brushless permanent magnet DC motor), heeft zich gepositioneerd als een sterke kandidaat voor deze taak omdat hij compact, krachtig en efficiënt is. Het bouwen ervan gaat echter niet alleen over het laten draaien; het vereist een delicaat evenwicht van materialen. De magneten in de rotor, het staal in de kern en het koper in de wikkelingen hebben allemaal verschillende kosten en prestatiekenmerken. Als de materialen te duur zijn, wordt de auto onbetaalbaar; als ze te zwak zijn, verspilt de motor energie. De uitdaging voor ingenieurs is om de perfecte combinatie te vinden die hoge prestaties levert zonder de bank te breken.

In een recente studie hebben een team onderzoekers geprobeerd dit evenwicht op te lossen voor een motor die specifiek is ontworig voor de aandrijving van elektrische voertuigen. Ze richtten zich op een 2,08-kilowatt motor, een grootte die geschikt is voor kleinere voertuigen of specifieke aandrijftoepassingen, en gebruikten geavanceerde computersimulaties om hun ideeën te testen. In plaats van fysieke prototypes te bouwen, wat traag en kostbaar kan zijn, gebruikten ze een krachtige software suite genaamd ANSYS Electronics. Dit hulpmiddel stelde hen in staat om een gedetailleerd digitaal model van de motor te maken en te observeren hoe elektriciteit en magnetische velden erin met elkaar interageerden. De onderzoekers ontwierpen de motor om te draaien op 220 volt bij een snelheid van 1500 omwentelingen per minuut. Ze selecteerden zorgvuldig het staal voor de stator- en rotorcores en plaatsten de koperwikkelingen in een specifiek patroon om ervoor te zorgen dat de magnetische krachten gelijkmatig werden verdeeld. Het doel was om te zien hoe verschillende keuzes in de permanente magneten — de stukken die het constante magnetische veld binnen de motor verzorgen — de efficiëntie van de motor en de hoeveelheid verspilde energie zouden veranderen.

Om de beste oplossing te vinden, testte het team niet slechts één type magneet. Ze creëerden zes verschillende versies van de motor, elk met een ander type permanent magneetmateriaal. Vervolgens draaiden ze dezelfde simulatie op alle zes de versies om te zien welke het best presteerde onder dezelfde omstandigheden. De computer berekende elk detail, van de hoeveelheid warmte die de koperdraden genereerden tot de hoeveelheid energie die verloren ging doordat de motoronderdelen door de lucht bewogen. De resultaten waren duidelijk: niet alle magneten zijn gelijk. Eén specifieke magneet, geïdentificeerd in de studie als XG196/96, presteerde beter dan de anderen. Deze specifieke configuratie stelde de motor in staat om een efficiëntie van 87,56 procent te bereiken, wat het hoogste was in de groep. In contrast hiermee behaalde de minst efficiënte magneetconfiguratie slechts ongeveer 85,2 procent efficiëntie. Het verschil lijkt misschien klein, maar in de wereld van elektrische voertuigen vertaalt zelfs een fractie van een procent efficiëntie zich in meer gereden kilometers op dezelfde batterijoplading.

De studie legde ook precies uit waar de energie naartoe ging en waar deze verloren ging. Met de best presterende magneet vertoonde de motor verminderde verliezen over de hele linie. De koperwikkelingen, die de elektrische stroom vervoeren, verloren ongeveer 203,7 watt aan vermogen als warmte. De ijzeren kern, die het magnetische veld geleidt, verloor 14,77 watt. Zelfs de elektronische componenten die de stroom aan en uit schakelen, zoals transistoren en diodes, droegen bij aan het totale verlies, maar het team was in staat deze hoeveelheden nauwkeurig te kwantificeren. De wrijvings- en windageverliezen, wat de energiekosten zijn van de motor die door de lucht draait en de mechanische weerstand van de bewegende onderdelen, werden zeer laag gehouden op slechts 12 watt. Door deze cijfers te vergelijken over de zes verschillende ontwerpen, konden de onderzoekers zien dat de keuze van de magneet direct invloed had op de stroom die door de motor liep, wat op zijn beurt bepaalde hoeveel energie er werd verspild. De XG196/96-magneet vereiste minder stroom om hetzelfde werk te verrichten, wat verklaart waarom deze minder warmte genereerde en minder energie verspilde.

Naast efficiëntie keken de onderzoekers ook naar hoe soepel de motor zou draaien. Een veelvoorkomend probleem bij elektromotoren is "cogging", een schokkerig gevoel dat optreedt wanneer de magnetische tanden van de rotor en de stator tegen elkaar aan haken. Dit kan trillingen en geluid veroorzaken, wat onprettig is voor een bestuurder. De simulaties toonden aan dat het gekozen ontwerp een zeer soepel koppel produceerde, wat betekent dat de draaikracht constant en stabiel was. Het magnetische veld binnen de motor was gelijkmatig verdeeld, en de elektrische signalen die de motor aansturen waren schoon en symmetrisch. Het team controleerde ook het vermogen van de motor om vanuit stilstand in beweging te komen, een cruciaal moment voor elk voertuig. De simulatie gaf aan dat de motor bijna vier keer zoveel koppel bij de start kon produceren als zijn normale operationele koppel, wat suggereert dat hij krachtig zal accelereren wanneer dat nodig is.

Het werk dat in dit artikel wordt gepresenteerd is een simulatiestudie, wat betekent dat de resultaten voortkomen uit een geavanceerd computermodel in plaats van een fysieke machine op een testbank. Echter, het niveau van detail in de modellering is hoog, waarbij rekening wordt gehouden met de specifieke eigenschappen van het staal, de exacte vorm van de magneten en het gedrag van de elektrische stromen. De onderzoekers claimen niet dat ze een nieuwe auto of een nieuwe motor hebben gebouwd die klaar is voor de showroom. In plaats daarvan hebben ze een rigoureus blauwdruk en een bewezen methode voor het selecteren van materialen geleverd. Ze hebben aangetoond dat het door het zorgvuldig kiezen van de juiste magneet mogelijk is om een motor te ontwerpen die zowel kosteneffectief als zeer efficiënt is. Voor de toekomst van elektrisch transport, waar elke watt energie telt, is dit soort nauwkeurige engineering essentieel. De studie concludeert dat de XG196/96-magneet de beste afweging biedt tussen prestaties en kosten, en daarmee een solide fundament legt voor de volgende generatie elektrische voertuigaandrijvingen.