Magnetdicke-Luftspalt-Rückschluss

© Dr. Ralph Okon 20022007

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Bei der Motorauslegung wird der Einfluss von Luftspaltbreite, Magnetdicke/Stärke, Rückschlussdicke und Rückschlussmaterial häufig sehr unterschätzt.
Hält man diese Parameter nicht konstant, sind Versuche wie eine Vorausberechnung der Änderung von Motoreigenschaften durch andere Bewicklungen z.B. mit "drivecalc" für den praktischen Gebrauch nahezu wertlos.

Zunächst 2 Beispiele zur Veranschaulichung des Problems.

Hier wurde der selbe Stator mit der selben Bewicklung bei der selben Spannung mit
2 verschiedenen Glocken aus dem selben Material und der selben Dicke und gleicher Polzahl aber mit anderen Magneten und anderer Abdeckung kombiniert und vermessen.

Sowohl die Drehzahl- als auch die Wirkungsgradkurve unterscheiden sich deutlich sichtbar.

Noch drastischer ist dieses Beispiel:
Hier war alles inclusive Magneten und Luftspaltbreite identisch.
Lediglich das Rückschlussmaterial beim blau dargestellten Motor war ein anderes und ganz offenbar weniger geeignetes.

Drastischer könnte man wohl die Auswirkungen der Auswahl des Rückschlussmaterials nicht untermalen!
Die spezifischen Drehzahlen unterscheiden sich um ca. 10% und auch der Wirkungsgrad und die Drehzahlsteifigkeit sind beim ungeeigneten Material deutlich niedriger!

Hier eine FEMM- Simulation des magnetischen Flusses in einem Motor als "Standard" zur Prüfung der Auswirkungen verschiedener Veränderungen.
Am rechten Rand die Skalierung der relativen Stärke des Magnetischen Flusses: rot= sehr stark, über gelb und grün nach türkis schwächer werdend.
Auch an der Dichte der gezeichneten Feldlinien kann man die Stärke des Magnetischen Flusses erkennen.

(Diese und die folgenden Simulationsgraphiken wurden dankenswerterweise von Martin Götzenberger zur Verfügung gestellt.)

In dieser Simulation wurde der Rückschluss komplett weggelassen.

Der gleiche Efffekt entsteht, wenn man die Magnete in einem Ring aus nichtmagnetischem Material einbaut.
Dabei macht es kaum einen Unterschied, ob ich einen Kunststoff (Plastik, GFK/CFK) oder ein nichtmagnetisches Metall einsetze ( Alu, Titan oder amagnetische Edelstähle).

Der magnetische Fluss ist schwach und die Magnetfeldlinien irren ausserhalb des Motors in der Gegend umher.

Hier wurde bei gleichen Magneten die Luftspaltbreite verdoppelt.

Der Fluss ist zwar stärker als ohne Rückschluss, jedoch gegenüber dem Ausgangsmotor deutlich abgeschwächt.

Hier wurde bei gleichen Magneten die Luftspaltbreite auf ein Mindestmaß reduziert.

Es komt zu einer deutlichen Verstärkung des magnetischen Flusses, der vor allem im gleich dick gebliebenen Rückschluss zu Übersättigung führt.
Diese Simulation liefert die Erklärung dafür, warum im hochdrehenden Segmentmagnetcroco (extreme Magnetstärke(1,8mm N52 Segment) gepaart mit minimalem Luftspalt) im Leerlauf eine massive Aufheizung des Rückschlusses statfindet!
Der 1,2mm dicke Rückschluss ist bei hohen Leerlaufdrehzahlen durch den hohen Fluss und die hohe Zahl der Feldwechsel schlichtweg völlig überfordert.

Hier mit dünnen Magneten und "normalem" Luftspalt.

nicht besonders starker, aber sehr ausgewogener Magnetischer Fluss ist das Resultat.

Jetzt wurde bei den halbbierter Magnetdicke zusätzlich die Luftspaltbreite minimiert.

Hier wird der Fluss wieder deutlich verstärkt, jedoch in einem durchaus vorteilhaften Umfang.
Insgesamt scheint eine solche Anordung (relativ dünne Magnete, kleiner Luftspalt, ausreichend dimensionierter Rückschluss) auch gewichtsmäßig die optimale Variante darzustellen.

Ein Versuch, die Parameter Induktion, Magnetdicke(=Stärke) und Luftspaltbreite in einen Zusammenhang zu bringen führt zu diesem Diagramm (Dank an Wolfgang!)

"Induktion" kann man grob vereinfacht mit dem erzeugten Drehmoment gleichsetzen. Zur Auswirkung verschiedener Magnetanordnungen kann man hier nachlesen.

Eine größere Dicke des Rückschlusses als 1,5mm ist nach diesen Berechnungen bei unseren kleineren Motoren (dieses Bild bezieht sich auf einen langen 178'er 9N12P) auch bei großen Magnetdicken nicht von Nöten.

Die Zahlen 3,4 und sind die breite der Magnete - stellen also im Prinzip das MAß der Abdeckung dar.
Mit anderen Worten: eine hohe Abdeckung braucht einen dicken Rückschluss - wie gerade am 100% Croco mit Segmentmagneten auch in der Praxis u sehen ist!

Insgesamt wird die Auswahl der geeigneten Rückschlussdicke stets ein Kompromiss zwischen Gewicht und Wirkung sein.

Fazit:

Für drehmomentstarke Motorauslegungen scheint zu gelten:

 

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