Berechnung von Hybridschrittmotoren

Abstract:
Hybridschrittmotoren vereinen Eigenschaften von permanenterregten sowie Reluktanzschrittmotoren: Ein axial magnetisierter Permanentmagnet bewirkt ein Selbsthaltemoment des Motors, während die Feinverzahnung in Rotor und Stator sehr kleine Schritte ermöglicht. Hybridschrittmotoren werden bisher meist auf Basis von empirischen Versuchsreihen und Erfahrungswerten ausgelegt, und nicht aufgrund der Ergebnisse aus konventionellen analytischen oder numerischen Berechnungsverfahren. Das Fehlen von analytischen Verfahren liegt darin begründet, dass Hybridschrittmotoren über eine komplizierte Geometrie verfügen, die sich analytisch nicht ohne weiteres berechnen lässt. Eine Berechnung basierend auf der weitverbreiteten zweidimensionalen Finite-Elementen-Methode (FEM) kann keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern, da sich im Motor ein dreidimensionaler Feldverlauf ausbildet: Die bestromte Statorwicklung verursacht ein in radialtangentialer Richtung verlaufendes Feld, welches sich dem durch den Permanentmagneten hervorgerufenen radial-axial ausgerichteten Feld überlagert. Eine dreidimensionale FEM-Berechnung ist grundsätzlich möglich, erfordert aber lange Rechenzeiten und kann daher nicht effizient als Werkzeug im Auslegungsprozess verwendet werden. Es wird daher ein Verfahren erarbeitet, welches es ermöglicht, aus der analytischen Berechnung des magnetischen Kreises des Motors Aussagen über das Betriebsverhalten sowie Ersatzschaltbilddaten herzuleiten. Die verwendeten Widerstände des magnetischen Ersatzschaltbildes werden aus Geometriedaten des Motors sowie - für den geometrisch komplizierten Luftspaltbereich - aus einer zweidimensionalen FEM-Berechnung gewonnen. Die Wicklungen sowie der Permanentmagnet werden als magnetische Spannungsquellen realisiert. Aus dem Modell können Flussverteilungen im Motor, Materialsättigung, sättigungsabhängige Induktivitäten, das Drehmomentverhalten sowie induzierte Spannungen berechnet werden. Zur Verifizierung des Verfahrens dienen sowohl Messungen an verschiedenen Motoren als auch ein aufwändiges dreidimensionales FEM-Modell des Motors. Die bereits vorliegenden Ergebnisse der analytischen Berechnung mit unbestromten Statorwicklungen zeigen im Rahmen von Fertigungstoleranzen gute Übereinstimmungen mit entsprechenden Messungen.