Magnetische Brückenkonstruktion in Rotorkernen: Stärke vs. Verluste

Bei einer Magnetbrücke entscheiden Sie, ob Sie bereit sind, sich zu irren: Spannungsspielraum oder elektromagnetische Sauberkeit. Wenn man Stahl hinzufügt, überlebt der Rotor länger; wenn man ihn dünn hält, verhält sich die Maschine besser, bis sie es nicht mehr tut.

Die Brücke ist kein "Trägermetall", sondern ein magnetisches Bauteil, das zufällig eine Last trägt.

Die Leute reden über Brücken, als ob sie nur dazu da wären, die Magnete daran zu hindern, den Rotor zu verlassen. Das sind sie auch. Sie sind auch ein absichtlich gesättigter, geometrisch definierter Nebenschluss, der die Leckagepfade neu verkabelt und die Flussdichte verschiebt, wo sie sich anhäuft. COMSOLs eigenes IPM-Beispiel für Stress und Elektromagnetismus sagt es deutlich: Die Sättigung im Brückenbereich wirkt sich auf die elektromagnetischen Eigenschaften aus, so dass die Brückendicke minimal gehalten werden sollte, um die Verluste zu reduzieren, aber dieselben schmalen Brücken erfahren bei Geschwindigkeit eine hohe Zentrifugalbelastung.

Hinter diesem einen Satz verbirgt sich das eigentliche Ärgernis: "minimal" ist keine Zahl. Es ist die Zahl, mit der Sie Ihre mechanischen Beschränkungen überwinden können, wenn Sie die tatsächlich gefertigten Ecken einbeziehen, nicht die, die Sie skizziert haben.

Die Dicke ist ein brutaler Hebel, dann wird sie weich

Wenn man die Spannung gegen die Brückendicke aufträgt, erhält man in der Regel die Form, die man von einer Struktur erwarten würde, die sich von "stegartig" zu "balkenartig" entwickelt. Die erste Dicke bringt eine Menge. Danach nimmt der Nutzen ab.

Eine Hochgeschwindigkeits-Vergleichsstudie zeigt, dass die Spannung des Rotors stark abnimmt, wenn die Brückendicke von 1 mm auf 2 mm erhöht wird (3961 MPa auf 2385 MPa, etwa 39,8%), und dann viel weniger abnimmt, wenn von 2,5 mm auf 3,5 mm erhöht wird (1904 MPa auf 1690 MPa, etwa 11,2%). Das gleiche Muster "der erste Millimeter zählt" zeigt sich in einem anderen Papier zur Optimierung von Hochgeschwindigkeits-IPM: Die Erhöhung der Brückendicke von 1 mm auf 3 mm reduzierte die maximale Rotorbelastung und senkte gleichzeitig die Leerlauf-Rückstrom-EMK (382,6 V auf 348 V).

Ja, die Brückendicke ist ein mechanischer Kontrollknopf. Sie ist auch eine EMF-Steuer.

Leckage ist nicht nur "weniger Fluss", sondern ein Oberwellen- und Verlustproblem, das sich ausbreitet

Je dicker die Brücken werden, desto einfacher werden die Leckagepfade. Dies ist in den Simulationsergebnissen nicht zu übersehen; der Streuflussfaktor bei Nulllast steigt in demselben Hochgeschwindigkeitsvergleich von 1,12 auf 1,56, wenn die Brückendicke von 1 mm auf 3,5 mm steigt. Das ist eine klare quantitative Aussage: Sie haben für den Stahl bezahlt und dann noch einmal für die Leckage.

Dann fügt man Versteifungen oder Segmentmagnete hinzu, um die Spannung zu verringern. Die Spannung nimmt zu, die Leckage wird oft schlimmer. In demselben Papier wird festgestellt, dass das Aufteilen von Magneten und das Hinzufügen einer Versteifung die Leckagepfade erhöht, wobei der Leckagefaktor etwa linear mit der Dicke der Versteifung ansteigt, und es wird sogar von einem Fall berichtet, in dem der Leckagefaktor 1,72 erreicht.

Und sobald Leckage und Sättigung die Wellenform des Luftspaltflusses formen, hört man auf, über die Größe der Gegen-EMK zu streiten, und beginnt, über ihr Spektrum zu streiten. Diese Studie zeigt eine höhere harmonische Verzerrung der Gegen-EMK für den IPM-Fall als für den SPM-Fall (THD 3,20% gegenüber 0,64%), mit bemerkenswerten 11. und 13. Oberschwingungen sind der Ort, an dem sich die Verluste im Rotorkern gerne verstecken.

Verluste: die offensichtlichen und die, die Sie versehentlich verursachen

Überbrückungsentscheidungen berühren mindestens drei "Verlustbereiche", auch wenn Sie nur zwei in Ihrem Dashboard erfassen.

Der offensichtliche Grund dafür ist der Verlust des Rotorkerns. Im Hochgeschwindigkeitsvergleich bringen die Autoren den größeren Oberwellengehalt des IPM-Rotors (zum Teil aufgrund des kleinen Luftspalts und des starken Einflusses des Statorstroms) direkt mit dem größeren Kernverlust des Rotors in Verbindung und zeigen, dass dies zu einem thermischen Grenzproblem des Rotors führt (sie berichten von einer maximalen Rotortemperatur von 194 °C in ihrem IPM-Fall).

Der zweite Bereich ist das, was Ihre Brücke für die lokale Sättigung und die Flussverdichtung tut. In einem Artikel in Scientific Reports wird dies als "hohe magnetische Sättigung an der Flussisolationsbrücke" beschrieben, die Oberschwingungen der Luftspaltflussdichte anreichert, was wiederum die Drehmomentwelligkeit bei niedrigen Drehzahlen erhöht; als Abhilfemaßnahme dienen magnetische Isolationslöcher, die die Flussdichte der Brücke durch Hinzufügen von Reluktanz reduzieren, um eine Übersättigung zu vermeiden und Hysterese und Wirbelstromverluste zu verringern.

Der dritte Eimer ist der Verlust, den Sie indirekt verursachen: Sie verdicken die Brücken, Sie verlieren die EMK (oder den Leistungsfaktor), Sie brauchen mehr Strom, um das Drehmoment zu erreichen, der Kupferverlust steigt, und jetzt "reparieren" Sie ein Spannungsproblem des Rotors durch Erwärmung des Stators. Das ist keine moralische Aussage. Es ist eine buchhalterische Aussage.

Ein weiteres nicht-intuitives Detail aus dem Papier zur Hochgeschwindigkeitsoptimierung: Der Kernverlust des Rotors kann verringern wenn die Brückendicke zunimmt, selbst wenn die EMK sinkt, weil sich die Art und Weise, wie und wo der Fluss im Rotorstahl schwankt, geändert hat; sie berichten, dass der Wirkungsgrad oft erst steigt und dann wieder sinkt, wenn die Brückendicke bzw. die Versteifung zunimmt. Eine dickere Brücke kann also in einer Verlustmetrik "besser" aussehen, während sie die elektromagnetische Haltung der Maschine leise verschlechtert.

Die Form ist wichtig, weil es eine echte Spannungskonzentration gibt, und eine "Brücke" ist selten eine Brücke.

Sobald man aufhört, so zu tun, als sei eine Brücke ein Rechteck, öffnet sich der Designraum. V-förmige Rotoren mit mehreren Brücken teilen die Magnete und fügen mittlere Brücken ein, um die Zentrifugalkräfte zu verteilen und die zulässige Geschwindigkeit zu erhöhen, aber in demselben Papier wird der Widerspruch direkt erklärt: mehr Brücken und mehr Breite verbessern die mechanische Festigkeit, während sie den Streufluss erhöhen und die elektromagnetische Leistung verringern. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Dicke der Mittelbrücke ein effizienter mechanischer Hebel ist, während einige Optimierungen der Parameter der Luftspaltbrücke nicht viel Stärke bringen, was bedeutet, dass man die Abmessungen der Luftspaltbrücke aus Streuflussgründen aggressiver wählen kann, wenn der Hauptbelastungspfad anderweitig gehandhabt wird.

Bei der Optimierung von Details wie Verrundungen und dreieckigen Brückenformen geht es in der Regel um die Spannungskonzentration und nicht um die durchschnittliche Spannung. In einem Papier zur Hochgeschwindigkeits-IPM-Optimierung werden Verrundungen und dreieckige Magnetbrücken ausdrücklich als Teil des Konflikts zwischen Rotorsicherheit und Elektromagnetismus genannt.

"Entfernen Sie die Brücke" ist eine echte Idee, aber sie wird mit Ersatzteilen geliefert

In einem Open-Access-Paper aus dem Jahr 2024 wird ein Rotor vorgeschlagen, bei dem die zweiseitigen Brücken eliminiert werden und nur eine zentrale Brücke beibehalten wird, um die Festigkeit aufrechtzuerhalten, wobei explizit auf Leckage und Eisenverlust des Rotors abgezielt wird. Es wird eine Kombination aus Stahl mit hohem Siliziumgehalt auf der Rotoroberfläche (geringerer Eisenverlust) und Stahl mit niedrigem Siliziumgehalt im Inneren (Festigkeit) vorgeschlagen, und es wird von einer geringeren Leckage, einem Drehmoment von +7,5%, einem Wirkungsgrad von +0,18% und einem Eisenverlust des Rotors von -36,2% im Vergleich zum Originalmotor berichtet.

So lässt sich der Handel am besten erklären: Wenn man die Brückenbreite verkleinert, kann man die Leckage und den Verlust verringern, aber man muss die mechanische Integrität durch die Topologie (zentrale Lastpfade, Segmentierungsstrategie) und die Materialwahl "zurückkaufen".

Eine Tabelle, die das Argument ehrlich macht

Ein Designansatz, der funktioniert, wenn die Zielfunktion unübersichtlich ist

Wenn Sie die Brückendimensionierung nach dem Motto "Erst die Dicke bestimmen, dann die Verluste prüfen" behandeln, werden Sie sich ewig wiederholen. Die seriösen Arbeiten behandeln das Thema eher gekoppelt: Spannung, Streufaktor, Gegen-EMK-Spektrum, Rotorkernverluste, Temperatur. In einer Hochgeschwindigkeitsstudie wird die Belastung sogar bei 120%-Nenndrehzahl und erhöhter Temperatur durchgeführt, um die Marge ehrlich zu halten, und dann werden die Optimierungsziele mit dem Wirkungsgrad und den Rotorkernverlusten verknüpft, da die Rotorerwärmung oft der Begrenzer ist.

Ein praktischer Standpunkt ist: Entscheiden Sie, welches Versagen Sie ablehnen (Nachgeben bei Überdrehzahl, Höchsttemperatur des Rotors, Demag-Marge), dann lassen Sie die Brücke das kleinste Stück Stahl sein, das diese Versagen noch langweilig macht. Nicht optimal. Langweilig. Der Rest ist das Management der magnetischen Nebeneffekte durch Form, Segmentierung und den Ort, an dem man die Sättigung zulässt, denn die Sättigung wird ohnehin eintreten.