BDLC dla roweru elektrycznego

Silnik magnetoelektryczny (BLDC) dedykowany do roweru elektrycznego 

W dobie intensywnego rozwoju Urządzeń Transportu Osobistego, posiadanie roweru elektrycznego stało się standardem. Najczęstszym wyborem użytkowników jest rower elektryczny posiadający silnik elektryczny typu BLDC motor (z ang. BrushLess Direct Current motor)., zapewniając niezrównane wsparcie dla rowerzysty, sprawiając, że jazda staje się łatwiejsza i przyjemniejsza niż kiedykolwiek wcześniej. Najczęściej stosowanymi konstrukcjami silników BLDC w napędach rowerów są silniki o zewnętrznym wirniku. W konstrukcji tej na wirniku rozmieszone są magnesy, najczęściej magnesy neodymowe o dużej energii. Stojan silnika znajduje się wewnątrz i jest względem niego oraz ramy roweru nie ruchomy. Korpus stojana stanowi tu natomiast ferromagnetyczny rdzeń wykonany w postaci blachowanego jarzma z zębami, tj. zębami, pomiędzy którymi znajdują się żłobki z umieszczonymi w ich wewnętrzu uzwojeniem. Uzwojenie współczesnego silnika do roweru najczęściej wykonane jest jako 3-pasmowe uzwojenie koncentryczne (Fig. 2).   

W artykule rozpatrzono konstrukcję silnika BLDC o stosunku liczby slotów do liczby żłobków Q/p = 27/30, średnicy zewnętrznej 120 mm, który generuje moc w stanie znamionowym 500 W i zasilany byłby przez przekształtnik energoelektroniczny ze źródła DC o napięciu 36V. 

Do projektowania silników BLDC przewidzianych do współczesnych rowerów elektrycznych doskonale nadaje się program CST Studio Suite. Program ten zawiera w sobie dedykowany solver „Low Frequancy” nie tylko do modelowania i analizy przetworników elektro-mechanicznych, ale także moduły: „Parametric Optimizer” pozwalający na pełną optymalizację konstrukcji pod względem m.in. sprawności, wydajności czy parametrów elektromechanicznych; oraz „Parametr Sweep”, pozwalający na optymalizację konstrukcji metodą przeglądu systematycznego. Poza możliwością optymalizacji, samej konstrukcji w pakiecie programu CST Studio Suite znajdziemy również moduł doboru rozkładu uzwojeń zarówno koncentrycznych jak i rozłożonych (Fig.2). Moduł ten poza możliwością doboru rozkładu uzwojeń pozwala także na wizualizację rozkładu sił magnetomotorycznych (SEM) silnika jak i gwiazdy napięć pasmowych, ale również określa zawartość wyższych harmonicznych w SEM (Fig. 3):  

Ponadto, dla projektantów zajmujących się silnikami synchronicznymi i/lub indukcyjnymi w solverze „Low Frequancy” zawarto moduł „Drive Scenario” (Fig. 4) umożliwiający projektantowi  analizę statycznych stanów pracy silników (np. stanu biegu jałowego czy obciążenia) w zależności m.in. od sposobu sterowania, dopuszczalnej wartości prądu, zakresu zmian prędkości, itd. 

Korzystając z solvery „Low Frequancy, w tym również z moduł „Drive Scenario” przeprowadzono m.in. analizę rozkładu pola magnetycznego w analizowanej konstrukcji silnika BLDC na biegu jałowym (Fig. 5) oraz przebiegi indukowanych sił elektromotorycznych w pasmach uzwojeń silnika (Fig. 6). Projektując silnik przyjęto, że maksymalna wartość SEM dla prędkości silnika 450 rpm będzie wynosiło 80% wartości napięcia zasilania UDC. Dobór takiej wartości pozwala na zapewnienie możliwości utrzymania stałej prędkości obrotowej w szerokim zakresie.  

Z kolei na Fig. 7 i 8, przedstawiono odpowiednio wybrane charakterystyki momentu elektromagnetycznego w funkcji kąta obciążenia wewnętrznego maszyny oraz przebiegi momentu dla różnych wartości momentu obciążenia. W obu przypadkach obliczenia wykonano dla serii wartości prądów [5;7.5;10;12.5;15 Amperów]. Dla opracowanej konstrukcji silnika maksymalny kąt obciążenia wewnętrznego, przy którym silnik pracuje stabilnie i wynosi ca. 85° elektrycznych. Z kolei obserwując przebiegi momentu na rysunku 8, widzimy, że dla zastosowanego sposobu sterowania silnika uzyskano przebiegi o współczynniku pulsacji momentu epsilon poniżej 1.5%, co pozwala na uzyskanie „prawie” gładkiego przebiegu momentu elektromagnetycznego.  

Zastosowany solver „Low Frequancy” programu CST Studio Suite jest dedykowanym narzędziem do analizy, projektowania i modelowanie różnych rodzajów silników elektrycznych w szerokim spektrum stanów pracy. Ponadto, moduł „Low Frequancy” pozwala także na szerokie modelowanie oraz projektowanie innych przetworników elektromagnetycznych, tj. aktuatory, dławiki energetyczne czy transformatory, itp.