Design and comparison of two brushless DC drives for an electric propulsion system of solar-power unmanned aerial vehicles

Das elektrische Antriebssystem als Kernkomponente von unbemannten Solarflugzeugen (UAVs, Unmanned Aerial Vehicles) für Langzeitflüge erfordert eine hohe Leistungsdichte und robuste Antriebstechnik. Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDCM) mit hoher Leistungs- und Drehmomentdichte sowie dafür angepasste Regelalgorithmen werden daher bevorzugt in UAVs eingesetzt.Diese Dissertation zielt darauf ab, einen verbesserten BLDCM mit nur 4 eingebetteten Magnetblöcken zu entwerfen, um 8 Pole zu realisieren im Vergleich zu der herkömmlichen Struktur mit 8 Magnetblöcken. Das Verhalten beider BLDCM-Designs wurde analytisch ermittelt und die Motormodelle mit Hilfe von Finite-Elemente-Software in ANSYS verifiziert. Design und Konstruktion der Prototypen mit der vorgeschlagenen und der herkömmlichen Magnetstruktur wurden durchgeführt und es wurde ein Prüfstand für einen umfassenden Leistungsvergleich aufgebaut.Da die vorgeschlagene Magnetstruktur zu einem Magnetkreis führt, bei dem die entgegengesetzten Pole keine Spiegelsymmetrie aufweisen, wurden die Längs- und Querinduktivität durch Finite-Elemente-Modellanalyse und Experimente absolut und differentiell untersucht. Weiterhin wurden Wirkungsgradkennfelder erstellt und das thermische Verhalten untersucht, um ein umfassendes Verständnis der beiden Motoren zu erhalten.Um das sensorbedingte Ausfallrisiko zu eliminieren, wurde eine schnelle analoge Isolationsschaltung mit hoher Linearität und Stabilität zur Messung der gepulsten Spannungen bei 270V Gleichspannung entwickelt, um eine sensorlose Steuerungsstrategie zu realisieren. Die Schaltung verwendet einen linearen Optokoppler mit integrierter Rückkopplungsfotodiode, sowie einen PI-Regler mit schnellen Operationsverstärkern im Rückkopplungspfad.Ein 3D-Statormodell wurde erstellt, um die mechanischen Resonanzfrequenzen und die mögliche Anregung durch die elektromagnetische Radialkraft zu analysieren, die zu Vibrationen und Geräuschen bei der vorgeschlagenen und herkömmlichen Rotorstruktur führt. Es wurde auch eine analytische Modalanalyse durchgeführt, um die Genauigkeit von FEM-Simulationen und experimentellen Ergebnissen mit dem Impulshammer zu vergleichen und zu validieren.