Motorkern 10: Nuten/Pole - Wie sie die Wahl der Stator- und Rotorkonstruktion beeinflussen

Wenn Ingenieure über Motoren streiten, sprechen sie gewöhnlich über Magnete, Kupferfüllung oder Umrichtertricks. Aber im Stillen, unter all dem, steckt eine sehr Die einfache Entscheidung steuert fast alles:

Wie viele Statornuten und wie viele Rotorpole verwenden Sie?

Die Kombination aus Nut und Pol entscheidet darüber, ob Ihr Motor ruhig brummt oder schreit, ob Ihre Magnete kühl laufen oder kochen und ob Ihre Maschine einfach herzustellen ist oder ein Alptraum. Neuere Forschungen kommen immer wieder zu demselben Ergebnis: Die Wahl des Steckplatzes und der Pole ist die erste Entscheidung, die Sie richtig treffen sollten.insbesondere bei modernen FSCW-Maschinen (fractional-slot concentrated winding).

• Am Ende dieses Artikels werden Sie dazu in der Lage sein:
  • Wenn Sie eine Nut/Pol-Notation wie "12s/10p" lesen, können Sie sich sofort vorstellen, was das für die Wicklung, das Rastmoment und das Drehmoment bedeutet.
  • Verstehen, wie Schlitze und Pole gemeinsam die Statorzahngeometrie, die Rotormagnetanordnung und die Verluste einschränken.
  • Vergleichen Sie 10 reale Steckplatz/Pol-Kombinationen und finden Sie heraus, welche Familien für E-Fahrzeuge, Drohnen, Pumpen oder Direktantriebe geeignet sind.
  • Stellen Sie viel schärfere Fragen, wenn ein Lieferant eine "Standard"-Laminierung oder Rotorpolzahl vorschlägt.

1. Schlitze, Stangen und qDas 30-Sekunden-Mentalmodell

Legen wir die Terminologie für eine 3-Phasen-Maschine fest (das meiste, was folgt, lässt sich leicht verallgemeinern):

• Steckplätze (Q) - Zähne und Schlitze in der Statorkern wo Ihr Kupfer lebt.
• Pole (2p) - Nord-/Süd-Magnetpole um die Erde Rotor (oder Stator, in einigen Topologien).
• Steckplätze pro Pol und Phase (q) - das Schlüsselverhältnis:

[ q = \frac{Q}{m \cdot 2p} \quad \text{(mit } m = 3 \text{ für eine 3-Phasen-Maschine)} ]

Diese eine Nummer, qsagt Ihnen, ob Ihre Wicklung "integral-slot" (ganzzahlig) ist. q) oder "fractional-slot" (nicht-ganzzahlig) q). Fractional-Slot-Concentrated-Winding-Maschinen (FSCW), die heute in Elektrofahrzeugen, in der Luft- und Raumfahrt und in Generatoren eingesetzt werden, wählen absichtlich q < 1 für hohe Drehmomentdichte und kurze Endwindungen.

• Was die Wahl des Steckplatzes/Pols wirklich steuert (im Klartext):
  • Dichte des Drehmoments - Mehr Pole bedeuten in der Regel mehr Drehmoment pro Volumen bei niedriger Drehzahl, aber auch eine niedrigere Grunddrehzahl.
  • Ruckeln und Drehmomentwelligkeit - Bestimmte Kombinationen führen zu unangenehmen Drehmomentschwankungen, während andere sie fast ausgleichen".
  • Windungszahl - wie effektiv sich Ihre MMF-Grundlage summiert; schlechte Kombinationen verschwenden Kupfer und Magnetvolumen.
  • Lärm und Vibration - Einige Nuten-/Polmuster treiben starke Radialkräfte in den Stator, was zu akustischen Geräuschen führt.
  • Herstellbarkeit - Komplexität des Spuleneinbaus, Notwendigkeit von Schräglage, Laminierungsvielfalt und Magnetsegmentierung.

2. Integral vs. Fractional-Slot: die Gabelung des Weges

Historisch gesehen begannen die großen Industriemotoren mit Integral-Nut verteilte Wicklungen:

• Beispiel: 36 Steckplätze / 4 Pole, 3-phasig
  • q = 36 / (3-4) = 3
  • Viele kleine, sich überlappende Spulen → sehr sinusförmiges MMF, geringer Oberwellengehalt, geringe Drehmomentwelligkeit.

Dann kamen PM-Maschinen mit hoher Polzahl und Direktantriebsanwendungen auf. Um Kupfer kurz zu halten und die Wicklung zu vereinfachen, gingen die Entwickler zu fractional-slot concentrated windings (FSCW) wobei jeder Zahn eine konzentrierte Spule trägt und q ist gebrochen.

Das war nicht nur eine gewundene Modeänderung - Sie hat die Auswahl von Schlitz-/Polpaaren grundlegend verändert.. Anstelle von "was auch immer eine schöne verteilte Wicklung ergibt", zielen Sie jetzt:

• Eine hohe Hauptwindungszahl (≈ 0,9 oder besser für viele Designs).
• Eine hohe Rastmomentfrequenz (so dass die einzelnen Rüttelimpulse klein sind).

• Schnelle mentale Klassifizierung mit q:
  • q ≥ 2 → "klassische" verteilte Wicklung (z. B. 36/4): gleichmäßiges Drehmoment, aber mehr Kupferlänge und komplexere Wicklung.
  • 1 ≤ q < 2 → kompakt verteilt oder halbkonzentriert; wird häufig in industriellen PMSMs verwendet.
  • 0.25 ≤ q < 1 → gebrochener Schlitz konzentriert; dominiert bei modernen hochpoligen PM-Maschinen und Radnabenmotoren.
  • q < 0.25 → extrem gebrochen; in der Regel zu viele Pole für die Anzahl der Steckplätze, was zu starken Störungen führt, es sei denn, sie sind sehr sorgfältig ausgelegt.

3. Wie Nut/Pol-Kombinationen das Stator-Design neu gestalten

Sobald Sie Q und 2p gewählt haben, ist Ihr Statorgeometrie Raum kollabiert auf eine geringere Anzahl realisierbarer Optionen zu reduzieren:

• Zahnbreite und Sättigung.
  • Weniger Schlitze (kleiner Q) → breite Zähne, die bei hoher Flussdichte in die Sättigung gehen können und das Drehmoment begrenzen.
  • Mehr Schlitze → engere Zähne; leicht zu sättigen, aber bessere Kontrolle über die MMF-Form und mehr Möglichkeiten, die Schlitzöffnungen zu optimieren.
• Schlitzöffnung und Oberschwingungen.
  • Das Verhältnis von Zahnkopfbreite zu Schlitzöffnung steuert die Veränderung der Luftspaltpermeanz und damit das Rastmoment.
  • Enge Schlitzöffnungen und bestimmte Q/2p-Kombinationen können das Cogging drastisch reduzieren, können aber die Herstellung und den Einbau erschweren.
• Thermischer Pfad und Füllfaktor.
  • Eine hohe Anzahl von Schlitzen bietet mehr Raum für das Entweichen von Wärme, aber auch mehr Isolationsschnittstellen.
  • Fractional-Slot-Wicklungen können die Spulenform vereinfachen und die Kupferpackung in jeder Nut verbessern, was die kleinere Nutfläche ausgleicht.

• Checkliste für die Statorseite, wenn Sie auf ein vorgeschlagenes Nut-/Polpaar starren:
  • "Ist q innerhalb eines komfortablen Bereichs (≈0,25-3) für meinen Herstellungs- und Wicklungstyp?"
  • "Kann ich die angestrebte Zahnflussdichte erreichen, ohne in eine tiefe Sättigung zu stoßen?"
  • "Habe ich genug Platz für Kupfer? und Isolierung bei der von mir benötigten Stromdichte?"
  • "Brauche ich Tricks wie Schlitzverschiebung, Blindschlitze oder Zahnkerben, um die Verzahnung bei dieser Kombination in den Griff zu bekommen?"
  • "Kann ich mit diesem Q die vorhandenen Laminierwerkzeuge wiederverwenden oder ist ein neuer Stempelsatz erforderlich?"

4. Nicht zu übersehende Folgen für den Rotor

Ändern Sie die Schlitz/Pol-Kombination und Sie ändern die die gesamte Arbeit des RotorsWie er den Fluss überträgt, wie die Magnete dimensioniert und angeordnet sind und welche Oberwellen auf die Magnete und die Welle treffen.

Für oberflächenmontierte PMSMs und SPM-MaschinenJüngste vergleichende Studien zeigen, dass die Wahl der Pole/Schlitze einen starken Einfluss hat:

• Form der Gegen-EMF-Wellenform.
• Amplitude und Frequenz des Rastmoments.
• Verluste in Magneten und Rotorkern.

Für Innenraum-PM (IPM) oder Abneigung Maschinen bestimmt dasselbe Schlitz-/Polpaar, wo Sie Flussbarrieren anbringen können und wie gut Ihre d- und q-Achsen-Induktivitäten getrennt sind - entscheidend für die Feldschwächung.

• Fragen zur Rotorseite, die bei jedem Slot/Pol-Vorschlag zu stellen sind:
  • "Welchen Polbogen (Magnetspannweite) brauche ich, um ein gutes Drehmoment zu erreichen, ohne die Statorzähne zu übersättigen?"
  • "Ist die Frequenz des Rastmoments hoch genug, dass seine Amplitude klein bleibt?" (Höhere LCM der Schlitze und Pole → höhere Frequenz, kleinere Amplitude).
  • "Werden Sub-Harmonische von diesem Nut/Pol-Paar störende Schwingungsmoden in meinem Gehäuse oder meiner Welle verursachen?"
  • "Kann ich Magnete segmentieren oder den Rotor verdrehen, ohne dass die Montage oder die Kosten unmöglich werden?"
  • "Passt diese Kombination zu meiner maximalen mechanischen Geschwindigkeit (Zentrifugalspannung vs. Magnetdichte)?"

5. Zehn reale Schlitz/Pol-Kombinationen - und was sie tun

Nachfolgend finden Sie eine praktischer Schnappschuss 10 gängige oder anschauliche Nut/Pol-Kombinationen für Drehstrommotoren. Dies sind keine "Gut-gegen-Schlecht"-Etiketten - sie sind Ausgangspunkte, um darüber nachzudenken, wie Stator- und Rotorauswahl miteinander verbunden sind.

q wird für 3-Phasen berechnet (m = 3): q = Q / (3-2p)

Das große Ganze: Wenn Sie von (36/4) zu (48/40) rutschen, tauschen Sie Geschwindigkeit gegen Drehmoment und "schöne Sinuswellen" gegen kompakte Maschinen mit hoher Polzahl, die eine sorgfältige harmonische und mechanische Kontrolle erfordern.

• Wenn jemand eine Kombination aus Schlitz und Pol vorschlägt, fragen Sie sich selbst:
  • "Welcher Zeile in der Tabelle 'fühlt' es sich am nächsten an?"
  • "Bin ich eher in der 'industriellen 36/4-Welt' oder in der '48/40-Direktantriebswelt'?"
  • "Ist meine Laminier- und Magnettechnologie ausgereift genug für die hochpolige Seite dieses Spektrums?"

6. Was die Forschung über "gute" Schlitz/Pol-Kombinationen sagt

In zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten wurde versucht, die Frage "Welches ist das beste Schlitz-/Polpaar?" für verschiedene Maschinentypen zu beantworten. Die ehrliche Zusammenfassung lautet: das hängt von Ihren Prioritäten ab - aber dort sind Muster.

Die wichtigsten Erkenntnisse aus der jüngsten Literatur über PM-Maschinen mit konzentrierten Wicklungen:

• Hoher Wicklungsfaktor + hohe Rastfrequenz = starke Kandidaten.
  • Untersuchungen an FSCW-Maschinen zeigen, dass Kombinationen, bei denen die Anzahl der Schlitze nahe an der Anzahl der Pole liegt, Wicklungsfaktoren von über 0,95 erreichen können, wenn das Layout ist symmetrisch.
  • Gleichzeitig erhöht ein hohes kleinstes gemeinsames Vielfaches (Least Common Multiple, LCM) von Nuten und Polen die Frequenz des Rastmoments und senkt in der Regel dessen Amplitude.
• Aber einige Anlagen mit "hohem Windfaktor" sind Störenfriede.
  • Die klassische Arbeit von Libert & Soulard zeigt, dass Kombinationen wie Qs = 9 + 6k mit p = Qs ± 1 (einschließlich 9/8) können eine sehr hohe Drehmomentwelligkeit und unausgewogene Magnetkräfte aufweisen, wenn sie nicht sorgfältig abgeschwächt werden.
• Faustregeln für die Konstruktion von BLDC/PM-Maschinen:
  • Eine weithin zitierte Richtlinie für BLDCs ist die Gewährleistung:
    • Ganzzahlige Anzahl von Schlitzen pro Einheitswicklung pro Phase.
    • 3-Phasen-Symmetrie erfüllt.
    • q > 0.25.
    • Steigungsfaktor > 0,5 und Gesamtwicklungsfaktor > 0,85.
• Anwendungsspezifische Optimierung ist wichtig.
  • 2023-2025 Studien zeigen, dass sich die "optimalen" Kombinationen voneinander unterscheiden:
    • Drohnengeneratoren (besessen von Gewicht und Effizienz).
    • Bohrende PMSMs (niedrige Drehzahl, großes Drehmoment, starke Feldschwächung).
    • Kühlerlüftermotoren (müssen kompakt, leise und langlebig sein).
  • In jedem Fall wird der Schlitz/Pol zusammen mit der Rotortopologie, dem Kühlkonzept und den Regelungsbedingungen ausgewählt. nie isoliert.

• Wie kann man all diese Forschung in eine mentale Regel umsetzen?
  • Beginnen Sie mit Kombinationen, die:
    • Geben Sie eine fraktioniert q zwischen ~0,3 und 0,7 wenn Sie kompakte FSCW-Designs wünschen.
    • Vermeiden Sie notorisch "unausgewogene" Muster (z. B. einige 9/8-Layouts), es sei denn, Sie wissen wie Sie mit der Drehmomentwelligkeit und dem Rauschen umgehen werden.
    • Haben Sie eine große LCM(Q, 2p) um die Rastfrequenz hoch und die Amplitude niedrig zu halten.

7. Ein praktischer Auswahl-Workflow (Stator + Rotor zusammen)

Hier ist ein Menschenfreundlich wie man eine Nut/Pol-Kombination für einen neuen Motor auswählt, die das widerspiegelt, was High-End-Forschung und echte Designbüros tatsächlich tun.

1. Reparieren Sie zuerst die einfachen Dinge
   • Ziel Drehzahl-Drehmoment-Punkt bei Nennbetrieb und Höchstgeschwindigkeit.
   • Entscheiden Sie sich für Maschinentyp: SPM, IPM, Synchron-Reluktanz, usw.
   • Entscheiden Sie grob, ob Sie in der "verteilt" (q ≥ 1) oder "konzentriert" (q < 1) Lager.
2. Wählen Sie eine kurze Liste von Q / 2p-Paaren aus
   • Verwenden Sie Ihre Bewerbungsfamilie:
     • Pumpe / Lüfter / Allzweck → Start bei 12/4, 24/4, 36/4.
     • Kompakt-Servo / Aktuator → Versuch 12/8, 12/10, 18/16.
     • Hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen → siehe 24/22, 27/22, 36/30, 48/40.
   • Berechnen Sie für jeden Kandidaten q und lehnen Sie schnell alles ab, was außerhalb Ihrer Komfortzone liegt.
3. Bewertung der statorseitigen Leistung
   • Berechnen Sie Wickelfaktor und MMF-Oberschwingungen (auch schnelle Analysetools oder Tabellenkalkulationen helfen).
   • Siehe Schlitzfüllung, Zahnflussdichte und ungefährer Kupferverlust.
   • Ermitteln Sie, welche Stator-Tricks Sie benötigen: Schräglage, Kerben, Hilfsschlitze, Zahnspitzenformung.
4. Bewertung der rotorseitigen Leistung
   • Skizzieren Sie für jeden Kandidaten Magnetanordnung, Polbogen und Segmentierung.
   • Schätzung Rastmoment Pegel und Häufigkeit (LCM-basiert) und Überprüfung der Empfindlichkeit der Anwendung.
   • Betrachten Sie die mechanische Belastung bei Höchstgeschwindigkeit und die Auswirkungen auf die Kühlung von Magneten und Rotoreisen.
5. Führen Sie eine schnelle FEA nur für 2-3 Finalisten durch.
   • In neueren Arbeiten wird betont, dass man bei der FEA Sättigung und Leckage richtig erkennen kann, aber man muss nicht alle möglichen Kombinationen simulieren, sondern nur die vielversprechenden.
   • Vergleichen Sie:
     • Durchschnittliches Drehmoment und Drehmomentwelligkeit.
     • Rück-EMF-Form und THD.
     • Verluste und thermische Hotspots.
6. Wählen Sie den "am wenigsten schmerzhaften" Kompromiss
   • Selten gibt es einen perfekten Gewinner; die beste Wahl ist die, die:
     • Erfüllt die Leistungsziele mit Marge.
     • Kann mit Ihrer Laminier-, Wickel- und Magnetlieferkette hergestellt werden.
     • Lässt Sie Optionen (z. B. können Sie später Zähne einkerben, den Polbogen anpassen oder leicht schräg stellen, ohne alles neu zu konstruieren).

• Wenn Sie sich sonst an nichts aus diesem Artikel erinnern, dann merken Sie sich dies:
  • Schlitz-Pol-Kombinationen sind nicht nur eine Kuriosität am Wickeltisch - sie sind die erster Gestaltungshebel die festlegt, was Ihr Stator und Ihr Rotor überhaupt tun dürfen.
  • Sobald man sich auf Q und 2p festgelegt hat, ist jede spätere Optimierung nur noch Schadensbegrenzung oder Verfeinerung.

8. Rückführung auf "Motor Core 10"

Wenn wir "Motor Core 10" als die zehnte wesentliche Designentscheidung betrachten, gehören die Nut/Pol-Kombinationen wahrscheinlich zu den drei wichtigsten. Alles andere - die Qualität der Magnete, die Raffinesse der Umrichter, die Kühlung - baut auf dieser Grundlage auf.

Wenn also das nächste Mal in einem Datenblatt beiläufig steht "12 Schlitze, 10-polig"nicken Sie nicht einfach und gehen Sie weiter. Halten Sie inne und fragen Sie:

• "Was sagt mir das über die Zahngeometrie und den Wärmeweg des Stators?"
• "Wozu zwingt sie den Rotor - in Bezug auf Polbogen, Segmentierung und mechanische Integrität?"
• "Entspricht diese Kombination meinen Prioritäten: Geräuscharmut, Drehmoment, Kosten oder Effizienz?"

Sobald Sie anfangen, Schlitz/Pol-Kombinationen als Gestaltungshebel statt nur Zahlenwird es Ihnen viel leichter fallen, Ihre Konkurrenten auszustechen - und bessere, fundiertere Gespräche mit Ihren Kunden zu führen. Laminierungsanbieter und Motorenhersteller.