Núcleo del motor 10: Ranuras y polos: cómo determinan las opciones de diseño del estator y el rotor

Cuando los ingenieros discuten sobre motores, suelen hablar de imanes, relleno de cobre o trucos del inversor. Pero en silencio, debajo de todo eso, una muy Una simple decisión lo dirige casi todo:

¿Cuántas ranuras del estator y cuántos polos del rotor utiliza?

Esa combinación de ranura y polo decide si tu motor zumba suavemente o chilla, si tus imanes funcionan fríos o se cuecen, y si tu máquina es fácil de fabricar o una pesadilla. Las investigaciones recientes siguen llegando a la misma conclusión: La elección de la ranura y el polo es la primera decisión de diseño que debe tomarse.especialmente con las modernas máquinas de bobinado concentrado de ranura fraccionada (FSCW).

• Al final de este artículo, serás capaz de:
  • Lea una notación de ranura/polo como "12s/10p" e imagine inmediatamente lo que eso significa para el bobinado, el engrane y el par.
  • Comprender cómo las ranuras y los postes conjuntamente limitan la geometría de los dientes del estator, la disposición de los imanes del rotor y las pérdidas.
  • Compara 10 combinaciones de ranuras y polos del mundo real y comprueba qué familias son adecuadas para VE, drones, bombas o tracción directa.
  • Haga preguntas mucho más agudas cuando un proveedor le proponga una laminación o un número de polos del rotor "estándar".

1. Ranuras, postes y qel modelo mental de 30 segundos

Fijemos la terminología para una máquina trifásica (la mayor parte de lo que sigue se generaliza fácilmente):

• Ranuras (Q) - dientes y ranuras en el núcleo del estator donde vive tu cobre.
• Postes (2p) - polos magnéticos norte/sur alrededor del rotor (o estator, en algunas topologías).
• Ranuras por polo y por fase (q) - el ratio clave:

[ q = \frac{Q}{m \cdot 2p} \(con m = 3 para una máquina trifásica). ]

Este único número, q, le indica si su bobinado es de "ranura integral" (entero q) o "ranura fraccionaria" (no entera) q). Las máquinas de bobinado concentrado de ranura fraccionaria (FSCW) -ahora comunes en los vehículos eléctricos, la industria aeroespacial y los generadores- eligen deliberadamente q < 1 para una alta densidad de par y giros finales cortos.

• Lo que realmente controla la elección de ranura o polo (en lenguaje llano):
  • Densidad de par - más polos suelen significar más par por volumen a baja velocidad, pero también menor velocidad de base.
  • Ondulación de par y de arrastre - Algunas combinaciones provocan fuertes pulsaciones de par, mientras que otras casi las "compensan".
  • Factor de bobinado - la eficacia de la suma fundamental de su MMF; las malas combinaciones desperdician cobre y volumen de imán.
  • Ruido y vibraciones - algunos patrones de ranura/polo generan fuertes fuerzas radiales en el estator, lo que provoca ruido acústico.
  • Fabricabilidad - complejidad de la inserción de la bobina, necesidad de inclinación, variedad de laminación y segmentación del imán.

2. Integral frente a fraccional: la bifurcación del camino

Históricamente, los grandes motores industriales empezaron con devanados distribuidos de ranura integral:

• Ejemplo: 36 ranuras / 4 polos, trifásico
  • q = 36 / (3-4) = 3
  • Muchas bobinas pequeñas y superpuestas → MMF muy sinusoidal, bajo contenido armónico, baja ondulación de par.

Luego llegaron las máquinas PM de gran número de polos y las aplicaciones de transmisión directa. Para mantener el cobre corto y simplificar el bobinado, los diseñadores pasaron a devanados concentrados de ranura fraccional (FSCW) donde cada diente lleva una bobina concentrada y q es fraccionario.

Esto no fue sólo un cambio de moda sinuoso - cambió radicalmente la forma de elegir los pares de ranuras y polos.. En lugar de "cualquier cosa que dé un bonito bobinado distribuido", ahora apuntas:

• Un alto factor fundamental de bobinado (≈ 0,9 o mejor para muchos diseños).
• Un alto par de arrastre frecuencia (por lo que los impulsos de arrastre individuales son pequeños).

• Clasificación mental rápida mediante q:
  • q ≥ 2 → bobinado distribuido "clásico" (por ejemplo, 36/4): par suave, pero más longitud de cobre y bobinado más complejo.
  • 1 ≤ q < 2 → compacto distribuido o semiconcentrado; se utiliza a menudo en los PMSM industriales.
  • 0.25 ≤ q < 1 → ranura fraccionaria concentrada; domina las modernas máquinas PM de polos altos y los motores de cubo de rueda.
  • q < 0.25 → fraccional extremo; normalmente demasiados polos para el número de ranuras, lo que conlleva fuertes parásitos a menos que se diseñe con mucho cuidado.

3. Cómo las combinaciones de ranuras y polos modifican el diseño del estator

Una vez que elija Q y 2p, su la geometría del estator colapsa el espacio a un conjunto más reducido de opciones viables:

• Anchura y saturación de los dientes.
  • Menos ranuras (Q pequeño) → dientes anchos que pueden saturarse si se fuerza la densidad de flujo, limitando el par.
  • Más ranuras → dientes más estrechos; fácil de saturar, pero se obtiene un mejor control de la forma MMF y más opciones para ajustar las aberturas de las ranuras.
• Apertura de ranuras y armónicos.
  • La relación entre la anchura de la punta del diente y la apertura de la ranura controla la variación de la permeancia del entrehierro y, por tanto, el par de arrastre.
  • Las aberturas de ranura estrechas y las combinaciones Q/2p particulares pueden reducir drásticamente el cogging, pero pueden complicar la fabricación y la inserción.
• Trayectoria térmica y factor de llenado.
  • Un elevado número de ranuras proporciona más perímetro para que escape el calor, pero también más interfaces de aislamiento.
  • Los bobinados con ranuras fraccionarias pueden simplificar la forma de las bobinas y mejorar el empaquetado del cobre en cada ranura, equilibrando la menor superficie de las ranuras.

• Lista de comprobación del lado del estator cuando estás mirando un par de ranura/polo propuesto:
  • "¿Es q dentro de un rango cómodo (≈0,25-3) para mi tipo de fabricación y bobinado?".
  • "¿Puedo alcanzar la densidad de flujo dentario objetivo sin llegar a la saturación profunda?".
  • "¿Tengo suficiente área de ranura para el cobre y aislamiento a la densidad de corriente que necesito".
  • "¿Necesito trucos como la inclinación de la ranura, ranuras ficticias o muescas en los dientes para gestionar el cogging de esta combinación?".
  • "¿Esta Q me permite reutilizar el utillaje de laminación existente o implica un nuevo juego de punzones?".

4. Consecuencias del rotor que no puedes ignorar

Cambie la combinación de ranura y polo y cambiará el todo el trabajo del rotorcómo transporta el flujo, cómo se dimensionan y colocan los imanes y qué armónicos golpean los imanes y el eje.

Para Máquinas PMSM y SPM montadas en superficieEstudios comparativos recientes demuestran que la elección del poste o la ranura influye mucho:

• Forma de onda de la corriente de retorno.
• Amplitud y frecuencia del par de arrastre.
• Pérdidas en los imanes y el núcleo del rotor.

Para interior PM (IPM) o reticencia máquinas, el mismo par ranura/polo dicta dónde se pueden colocar las barreras de flujo y lo bien que se separan las inductancias de los ejes d y q, algo crucial para el debilitamiento del campo.

• Preguntas del lado del rotor para cualquier propuesta de ranura/polo:
  • "¿Qué arco de polos (envergadura del imán) necesitaré para obtener un buen par sin sobresaturar los dientes del estator?".
  • "¿La frecuencia del par de arrastre es lo suficientemente alta como para que su amplitud se mantenga pequeña?". (Mayor LCM de ranuras y polos → mayor frecuencia, menor amplitud).
  • "¿Los subarmónicos de este par ranura/polo impulsarán modos de vibración problemáticos en mi carcasa o eje?".
  • "¿Puedo segmentar los imanes o inclinar el rotor sin que el montaje o el coste sean imposibles?".
  • "¿Se ajusta esta combinación a mi velocidad mecánica máxima (esfuerzo centrífugo frente a densidad del imán)?".

5. Diez combinaciones de ranuras y polos del mundo real - y lo que do

A continuación resumen práctico de 10 combinaciones comunes o ilustrativas de ranura/polo para motores trifásicos. No se trata de etiquetas "buenas o malas", sino de puntos de partida para reflexionar sobre la relación entre las opciones de estator y rotor.

q se calcula para 3 fases (m = 3): q = Q / (3-2p)

El panorama general: a medida que se desciende de (36/4) hacia (48/40), se cambia velocidad por par, y "bonitas ondas sinusoidales" por máquinas compactas de gran número de polos que exigen un cuidadoso control armónico y mecánico.

• Cuando alguien te proponga una combinación de ranura y poste, pregúntate:
  • "¿A qué fila de esa tabla se 'siente' más cercano?".
  • "¿Estoy más cerca del "mundo industrial 36/4" o del "mundo de tracción directa 48/40"?".
  • "¿Mi tecnología de laminación e imanes está lo suficientemente madura para el lado de alto polo de ese espectro?".

6. Lo que dice la investigación sobre las "buenas" combinaciones de ranura y polo

Numerosos trabajos académicos han intentado responder a la pregunta "¿cuál es la mejor pareja ranura/polos?" para distintos tipos de máquinas. El resumen honesto es: depende de sus prioridades - pero hay son patrones.

Principales conclusiones de la bibliografía reciente sobre máquinas PM con devanados concentrados:

• Factor de bobinado alto + frecuencia de engrane alta = candidatos fuertes.
  • Los estudios sobre máquinas FSCW demuestran que las combinaciones en las que el número de ranuras se aproxima al número de polos pueden alcanzar factores de bobinado superiores a 0,95, si la disposición es simétrica.
  • Al mismo tiempo, un mínimo común múltiplo (MCC) elevado de ranuras y polos aumenta la frecuencia del par de arrastre y suele reducir su amplitud.
• Pero algunos trazados con "factor de viento elevado" son problemáticos.
  • El trabajo clásico de Libert & Soulard demuestra que combinaciones como Qs = 9 + 6k con p = Qs ± 1 (que incluye 9/8) pueden tener una ondulación de par muy alta y fuerzas magnéticas desequilibradas a menos que se mitiguen cuidadosamente.
• Reglas generales de diseño para máquinas BLDC / PM:
  • Una directriz muy citada para los BLDC es garantizar:
    • Número entero de ranuras por devanado unitario por fase.
    • Se cumple la simetría trifásica.
    • q > 0.25.
    • Factor de paso > 0,5 y factor de bobinado global > 0,85.
• La optimización específica de cada aplicación es importante.
  • 2023-2025 los estudios muestran que las combinaciones "óptimas" difieren entre:
    • Generadores de drones (obsesionados con el peso y la eficiencia).
    • PMSM de perforación (baja velocidad, par enorme, fuerte debilitamiento del campo).
    • Motores del ventilador del radiador (deben ser compactos, silenciosos y duraderos).
  • En cada caso, la ranura/polo se elige junto con la topología del rotor, el concepto de refrigeración y las restricciones de control -. nunca de forma aislada.

• Cómo traducir toda esa investigación en una regla mental:
  • Empieza con combinaciones que:
    • Dar un fraccionario q entre ~0,3 y 0,7 si desea diseños FSCW compactos.
    • Evite patrones notoriamente "desequilibrados" (por ejemplo, algunos diseños de tipo 9/8) a menos que conozca cómo manejarás la ondulación del par y el ruido.
    • Tener un grande LCM(Q, 2p) para aumentar la frecuencia de engranaje y reducir la amplitud.

7. Un flujo de trabajo práctico de selección (estator + rotor juntos)

He aquí una human-friendly manera de elegir una combinación de ranuras y polos para un motor nuevo, que refleje lo que hacen realmente las oficinas de investigación y diseño de gama alta.

1. Arregle primero lo fácil
   • Objetivo punto velocidad-par en funcionamiento nominal y velocidad máxima.
   • Decide tipo de máquina: SPM, IPM, reluctancia síncrona, etc.
   • Decida aproximadamente si está en el "distribuido" (q ≥ 1) o "concentrado" (q < 1) campamento.
2. Elija una lista corta de pares candidatos Q / 2p
   • Utiliza tu familia de aplicaciones:
     • Bomba / ventilador / uso general → arranque cerca de 12/4, 24/4, 36/4.
     • Servoactuador compacto → probar 12/8, 12/10, 18/16.
     • Par elevado a baja velocidad → mira 24/22, 27/22, 36/30, 48/40.
   • Para cada candidato, calcule q y rechazar rápidamente cualquier cosa que se salga de su zona de confort de fabricación.
3. Evaluar el rendimiento del estátor
   • Compute factor de bobinado y armónicos MMF (incluso las herramientas analíticas rápidas o las hojas de cálculo ayudan).
   • Consulte llenado de ranurasdensidad de flujo del diente y pérdida aproximada de cobre.
   • Identifique qué trucos de estator necesitaría: sesgo, muescas, ranuras auxiliares, perfilado de la punta del diente.
4. Evaluar el rendimiento del rotor
   • Para cada candidato, esboce la disposición del imán, el arco polar y la segmentación.
   • Estimación par de arrastre nivel y frecuencia (basado en LCM) y cotejar con la sensibilidad de la aplicación.
   • Examine la tensión mecánica a velocidad máxima y las implicaciones de la refrigeración para los imanes y el hierro del rotor.
5. Ejecutar un AEF rápido sólo en 2-3 finalistas
   • En artículos recientes se subraya que el análisis por elementos finitos permite ver correctamente la saturación y las fugas, pero no es necesario simular todas las combinaciones posibles, sino sólo las más prometedoras.
   • Compara:
     • Par medio y ondulación del par.
     • Forma de la EMF de retorno y THD.
     • Pérdidas y puntos calientes térmicos.
6. Elija el compromiso "menos doloroso
   • Rara vez hay un ganador perfecto; la mejor elección es la que:
     • Cumple los objetivos de rendimiento con margen.
     • Se puede fabricar con su cadena de suministro de laminación, bobinado e imanes.
     • Te deja opciones (por ejemplo, más adelante se pueden hacer muescas en los dientes, ajustar el arco del poste o sesgar ligeramente sin necesidad de rediseñarlo todo).

• Si no recuerdas nada más de este artículo, recuerda esto:
  • Las combinaciones de ranura y polo no son sólo una curiosidad de la mesa de bobinado: son la primera palanca de diseño que bloquea lo que tu estator y rotor pueden hacer.
  • Una vez que te comprometes con Q y 2p, cualquier optimización posterior no es más que control de daños o refinamiento.

8. Llevarlo de vuelta a "Motor Core 10"

Si consideramos el "núcleo del motor 10" como la décima decisión de diseño esencial, las combinaciones de ranuras y polos probablemente estén entre las tres primeras. Todo lo demás (grado del imán, sofisticación del inversor, refrigeración) se construye sobre esta base.

Así que la próxima vez que una hoja de datos diga casualmente "12 ranuras, 10 polos"no te limites a asentir y seguir adelante. Haz una pausa y pregunta:

• "¿Qué me dice esto sobre la geometría de los dientes del estator y el recorrido térmico?".
• "¿Qué obliga a hacer al rotor: en arco polar, segmentación e integridad mecánica?".
• "¿Esta combinación se ajusta a mis prioridades: silencio, par, coste o eficiencia?".

Una vez que empiezas a ver combinaciones de ranura/polo como diseñar palancas en lugar de sólo númerosle resultará mucho más fácil superar a sus competidores y mantener conversaciones mejores y más fundamentadas con sus clientes. proveedores de laminación y fabricantes de motores.