Der Einfluss des Rotorschiefwinkels auf den Wirkungsgrad, das Rastmoment und NVH in Lamellenstapeln

Schiefe Rotoren gibt es nicht umsonst. Es ist ein Handel in Stahl geschnitten.

Unter Rotorlamellenpakete, Der Schräglaufwinkel ist im Grunde ein eingebauter Oberwellenfilter. Ein kleiner Schräglauf kann schlitzgetriebene Kraftwellen unterdrücken, das Rastmoment glätten und das Gehäuse beruhigen. Wird der Winkel zu groß, frisst die gleiche Bewegung die nützliche elektromagnetische Leistung auf, verschiebt die Axialkraft und erschwert die Wiederholbarkeit des Stacks. Das ist das eigentliche Designproblem. Es geht nicht darum, ob wir schräg stellen sollen. Vielmehr geht es um die Frage, welche Oberschwingungen wir ausschalten wollen und was wir dafür in Kauf nehmen.“

Ein schräger Winkel verändert drei Dinge auf einmal

Die erste Änderung ist offensichtlich: Das Rastmoment sinkt, weil der Rotor nicht mehr über die gesamte axiale Länge zum gleichen Zeitpunkt die gleiche Ausrichtung von Zahn zu Nut aufweist. Die zweite Änderung ist weniger einleuchtend: Die nützliche Grundschwingung wird mit zunehmender Schräglage ebenfalls abgeschwächt, so dass das durchschnittliche Drehmoment und die Gegen-EMK-Marge sinken können. Die dritte Änderung ist der Punkt, an dem viele Teams überrascht werden. NVH folgt nicht eins-zu-eins dem Cogging. Eine sauberere Wellenform im Leerlauf kann immer noch zu schlechten Oberschwingungen unter Last oder zu Axialkräften führen, die Sie nicht eingeplant haben.

Aus diesem Grund betrachten wir die Rotorverschiebung nicht als ein Kästchen, das bei der Entwicklung von Blechpaketen angekreuzt werden kann. Wir betrachten sie als einen Ausgleichsparameter zwischen elektromagnetischer Sauberkeit, akustischem Verhalten und Herstellbarkeit des Stapels. Manche Maschinen vertragen eine moderate Schräglage gut. Einige nicht. Einige zeigen sogar einen kleinen Effizienzvorteil bei einer Schlitzkombination, der sich dann mit zunehmendem Winkel ins Negative wendet. Gleiche Motorfamilie. Unterschiedliche Nutenkombinationen. Dieser Teil ist ärgerlich, aber normal.

Effizienz: normalerweise zunächst stabil, dann beginnt sie zu schwinden

Die faule Antwort auf die Frage nach der Effizienz lautet: “Die Schräglage verringert die Verluste durch Glättung des Drehmoments.” Das reicht nicht.

In der Regel sind die Ergebnisse eher uneinheitlich. Eine moderate Schräglage kann den Gehalt an parasitären Oberschwingungen reduzieren und die mit der Welligkeit zusammenhängenden Verluste abmildern, so dass die Nettowirkungsgradänderung in einem schmalen Designfenster manchmal neutral, manchmal leicht positiv ist. Sobald jedoch der Schräglaufwinkel weiter ansteigt, wird der Rückgang der Nutz-EMK oder der Drehmomentkonstante wichtiger als die Beseitigung der Oberwellen. In den veröffentlichten Studien zu Maschinen mit Schräglage blieb der Wirkungsgrad bei einigen Varianten in etwa gleich, bei einigen verbesserte er sich bei bestimmten Schlitzkombinationen geringfügig, und bei vielen zeigte sich kein Gewinn oder ein allmählicher Rückgang mit zunehmendem Winkel.

Deshalb verkaufen wir Skew intern nicht als Effizienzmerkmal. Wir verkaufen es als Oberschwingungsmanagement-Tool, das eine Effizienzprüfung überstehen muss. Wenn es in erster Linie um Energie geht, muss sich Skew an den realen Betriebspunkten bewähren, nicht auf einem ruhigen Leerlaufdiagramm. Last, Sättigung und Schlitzkombinationen können das Optimum so weit verschieben, dass aus einem Gewinner im Leerlauf ein Kompromiss bei Nennlast wird.

Rastmoment: Hier macht sich die Schräglage noch bemerkbar

Cogging bedeutet, dass die Schräglage des Rotors sich auszahlt.

Der Grund dafür ist so einfach, dass er kaum eines Vortrags bedarf: Der axiale Versatz verhindert, dass der gesamte Stapel das gleiche Reluktanzereignis an der gleichen Rotorposition verstärkt. In Analysen und Tests hat sich gezeigt, dass ein moderater Schräglauf oder ein mehrstufiger Schräglauf die vorherrschenden Rastmomente regelmäßig stark reduziert, in einigen Fällen um mehr als die Hälfte, in anderen weit mehr. Diskrete Skew-Methoden haben eine Verringerung des Drehmoments um bis zu 70% ergeben, und Skewed-Notch- oder PM-Skew-Studien haben eine sehr große Reduzierung des Rastmomentes gezeigt, wenn die angestrebte harmonische Ordnung gut angepasst ist.

Es gibt nur einen Haken. Vollständige Auslöschung auf dem Papier ist einfacher als vollständige Auslöschung in Stahl. Endleckagen, Segmentkanteneffekte, Sättigung und axiale Feldverzerrungen treten immer wieder auf und verderben das perfekte Ergebnis. Deshalb ist die Geschichte mit dem “idealen Schräglaufwinkel” für die Produktion von Laminatstapeln in der Regel zu sauber. Die Zielharmonische kann zusammenbrechen. Die Maschine wird selten auf magische Weise welligkeitsfrei.

NVH: Geringeres Rauschen bedeutet nicht automatisch leisere Motoren

Dies ist der Teil, der in zu vielen Diskussionen über Motoren zu kurz kommt.

Schräglauf kann NVH verbessern, weil er die elektromagnetischen Quellen schwächt, die Körperschall erzeugen: Rastmoment-Komponenten, Drehmoment-Ripple-Komponenten, Gegen-EMK-Harmonische und Radialkraftwellen. Das Ergebnis der NVH-Belastung hängt jedoch davon ab, welche Kraftordnungen verbleiben, wie sich die Gehäuse- und Statormoden ausrichten und ob das Schräglaufmuster eine Axialkraft oder eine Richtungsunwucht einführt. Aus diesem Grund werden bei seriösen Schräglagenuntersuchungen die Axialkraft, das abgestrahlte Geräusch und das Vorwärts-/Rückwärtsverhalten zusammen betrachtet, nicht nur die Drehmoment-FFTs.

Mit anderen Worten: Eine niedrigere Rastkurve ist nicht das Ziel. Wir haben schon Schräglaufwinkel gesehen, die die Kurvenform im Leerlauf sauberer aussehen lassen, dann das durchschnittliche Drehmoment kosten und dann den Kraftgehalt in einen Bereich verschieben, den die Struktur gerne singt. Ein anderes Problem, dieselbe Kundenbeschwerde. Bei Traktionsmaschinen haben segmentierter Schräglauf und asymmetrischer zweistufiger Schräglauf zu erheblichen Vibrationsreduzierungen geführt, allerdings erst, nachdem der Winkel und das Stapelmuster auf die elektromagnetische und strukturelle Reaktion abgestimmt wurden.

Wie die Entscheidung über die Schräglage bei der Arbeit an einem Laminatstapel aussieht

Die nachstehende Tabelle ist die Art und Weise, wie wir die Rotorverschiebung in Diskussionen über Produktionsstapel einrahmen. Nicht als Theoriediagramm. Sondern als Entscheidungstabelle.

Dieses Muster steht im Einklang mit aktuellen FEA- und experimentellen Arbeiten: Eine moderate Schräglage führt in der Regel zum besten Gesamtergebnis, während eine aggressive Schräglage zu geringeren zusätzlichen Gewinnen führt und die Kosten für Drehmoment, Axialkraft oder Baukomplexität in die Höhe treibt. Außerdem ist das Hinzufügen von Segmenten keine dauerhafte Maßnahme; einige Studien zeigen Verbesserungen bis zu einem gewissen Punkt, dann ein Plateau oder sogar eine leichte Umkehrung, je nach Schräglage.

Warum sich Lieferanten von Laminierstapeln mehr Sorgen machen sollten als Automobilvermarkter

Denn der Schrägstellungswinkel auf der Zeichnung ist nicht der Schrägstellungswinkel, der auf dem Prüfstand erreicht wird.

Rotorblechpakete mit Stufenschräglage leben oder sterben durch Stapelausrichtung, Segmentindexierung, Schweiß- oder Bindungsverzerrung, Gratkontrolle und Konsistenz der axialen Position. Auf dem Papier kann das schiefe Muster die angestrebten Oberschwingungen gut ausgleichen. In der Werkstatt können kleine Abweichungen zwischen den Segmenten diesen Vorteil schnell zunichte machen. Je stärker der Stapel segmentiert ist, desto mehr spielt dies eine Rolle. Wenn wir also schräge Stapel anbieten, geben wir nicht nur den Winkel an. Wir geben auch an, wie gut dieser Winkel die Montage übersteht.

Dies ist auch der Grund, warum eine kontinuierliche Schräglage nicht immer die kommerzielle Lösung ist, auch wenn sie in der Simulation elegant aussieht. Stufenweise versetzte Lamellenstapel sind eine praktische Annäherung, da sie sich besser für Werkzeuge, Stapelung und Prüfung eignen. Und wenn man den Oberschwingungssatz gut genug versteht, kann man mit zwei- oder mehrstufigem Versatz sehr nahe an das gewünschte elektromagnetische Ergebnis herankommen, ohne dass der Rotor zu einem Fertigungsproblem wird.

Wie wir den Winkel auswählen, bevor der Stahl geschnitten wird

Wir gehen von der schlechten Harmonischen aus, nicht von einer runden Gradzahl.

Eine nützliche gedankliche Abkürzung ist folgende: Der Skew-Faktor sollte groß genug sein, um die Kraftordnung zu brechen, die Sie eigentlich nicht mögen, und gleichzeitig klein genug sein, um die nützliche Welle zu erhalten, für deren Erhalt Sie bezahlt werden. Analytische Arbeiten zum Schräglauffaktor bei Induktionsmaschinen zeigen, warum ein mäßiger Schräglauf oft die Überprüfung überlebt. Bei einem Skew-Abstand von ein bis zwei Zähnen kann die Grundschwingung sehr hoch bleiben, während bestimmte höhere Schlitzharmonische stark zusammenbrechen. Das ist die Art von Handel, die Sie wollen. Nicht ein dramatischer Winkel um seiner selbst willen.

Danach überprüfen wir fünf Dinge. Drehmomentwelligkeit bei Nennlast. Verzahnung bei Nulllast. Radialkraft-Spektrum. Axialkraft. Stapelbautoleranz. Das ist nicht elegant. Aber es funktioniert. Und es verhindert den klassischen Fehler, die Schräglage auf einer Leerlaufkurve zu optimieren und dann bei Nennstrom festzustellen, dass das tatsächliche Betriebsoptimum woanders liegt.

Das praktische Fazit

Der Rotorschiefwinkel sollte nicht als Styling-Parameter für Lamellenstapel gewählt werden. Er sollte als kontrollierter Kompromiss gewählt werden.

Wenn die Maschine aufgrund von Rastmomenten und tonalem NVH versagt, ist die Schräglage oft eine der saubersten geometrischen Korrekturen. Wenn die Maschine in Bezug auf die Gegen-EMK-Marge, die Drehmomentdichte oder die zulässige Axialkraft bereits knapp bemessen ist, erfordert die Schräglage mehr Disziplin. Und wenn jemand behauptet, es gäbe eine feste Schräglagenregel für jede Nut/Pol-Kombination, jeden Lastpunkt und jede Blechpaket-Architektur, lässt er den schwierigen Teil aus.

Für die meisten B2B-Laminatstapelprogramme ist nicht der maximale Schrägstellungswinkel die beste Lösung. Es ist die kleinste Schräglage, die die teure Harmonische abtötet. In der Regel ist das ausreichend. Normalerweise.

FAQ