Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Si dejamos de lado los trucos de control y el marketing, la mayoría de los problemas acústicos de un SRM se reducen a un simple hecho: el pila de laminación Se comporta como una fina carcasa resonante, y la forma del diente determina qué armónicos de fuerza golpean con más fuerza esa carcasa. Si se tratan estas dos piezas como un único problema de diseño acoplado, normalmente se puede conseguir una reducción del ruido de varios decibelios sin perder mucho par ni eficiencia.
Antiguos estudios sobre vibraciones en SRM de cuatro fases ya demostraron que el ruido aéreo dominante es provocado por la deformación de la pila de laminaciones del estator, y no por el rotor o la carcasa por sí mismos. Las superficies de los dientes soportan fuertes fuerzas electromagnéticas radiales; esas fuerzas excitan los modos anulares y locales de los dientes de las laminaciones apiladas, y el acero se convierte en un radiador acústico muy eficiente.
Trabajos multifísicos más recientes relacionan esto con el espectro espacio-temporal de las fuerzas radiales. Las fuerzas dentales pueden descomponerse en órdenes espaciales alrededor del espacio de aire y órdenes temporales vinculados a la frecuencia de conmutación y la velocidad mecánica. Cuando un orden temporal de la fuerza radial coincide con un modo estructural que tiene el mismo patrón espacial en el estator, se producen picos de vibración. En los SRM, esto suele ocurrir con los armónicos de fuerza de orden (3N_0 \pm 1) alrededor de la circunferencia, que se manifiestan como picos de ruido claros que apenas se mueven con la velocidad.
Así que, aunque todo el mundo habla del «ruido SRM» en general, el trabajo a nivel de laminación y dentado es más preciso. Se trata de remodelar la distribución de la fuerza radial para que los armónicos más fuertes se alejen de los modos estructurales sensibles o se difuminen lo suficiente como para que ya no impulsen ningún modo de manera eficiente.
Los diseñadores suelen fijar desde el principio el grosor del yugo, la longitud de la pila y el ajuste del marco, por motivos de saturación y térmicos, y luego se conforman con el comportamiento acústico que resulte. Es cómodo, pero oculta muchas posibilidades.
Los estudios sobre la vibración del estator han demostrado que el grosor del yugo y la longitud de la pila desplazan los modos circunferenciales principales en cientos de hercios. Los yugos más gruesos elevan las frecuencias naturales y pueden empujar los peores modos por encima de la banda de excitación electromagnética principal, especialmente en máquinas de alta velocidad. Al mismo tiempo, la forma en que las laminaciones se sujetan o se unen al bastidor controla la amortiguación y las condiciones límite. Una carcasa rígida ajustada por contracción con placas finales proporciona formas modales muy diferentes a las de una pila sujeta sin apretar por tirantes.
Para el trabajo con formas dentadas, esto es importante porque no se está diseñando en función de frecuencias abstractas. Se está diseñando en función del mapa modal real de ese conjunto apilado específico. Si se cambia el método de construcción de la pila, las puntas de los dientes, que han sido ajustadas con precisión, pueden empujar repentinamente la energía hacia un conjunto modal diferente. Por eso, cualquier «optimización de la geometría de los dientes» que ignore el modelo modal del estator ensamblado tiende a decepcionar una vez que se construye el hardware.
Una vez comprendida la estructura de la pila, la forma del diente se convierte en una forma de reequilibrar el espectro de fuerzas radiales, en lugar de ser simplemente un regulador de la densidad de flujo.
Los estudios analíticos y numéricos sobre los SRM muestran que la densidad de la fuerza radial en cada diente es aproximadamente proporcional al cuadrado de la densidad del flujo del entrehierro local. La densidad del flujo en sí misma es extremadamente sensible a la forma de la punta del diente y a la saturación local. Eso significa que pequeños cambios geométricos en la punta y en la raíz del diente pueden producir cambios sorprendentemente grandes en la distribución espacial de la fuerza radial, sin un impacto dramático en el par medio.
Algunos patrones aparecen de forma sistemática en la literatura y en la puesta a punto práctica:
Las puntas de los dientes lisas y redondeadas, con arcos polares cuidadosamente seleccionados, tienden a suavizar el gradiente de inductancia cerca de la posición alineada. Esto reduce los picos pronunciados en la fuerza radial cuando la corriente sigue siendo alta. Se ha demostrado experimentalmente que los polos curvos del rotor, combinados con puntas de dientes del estator a juego, reducen las fuerzas radiales y el ruido acústico, al tiempo que pierden menos de medio punto porcentual de eficiencia en algunas máquinas 8/6.
Los chaflanes en las puntas de los dientes o las pequeñas muescas cerca de los bordes alteran la permeabilidad local en el solapamiento parcial. Cuando se realizan con un objetivo armónico claro en mente, estas características pueden reducir órdenes espaciales específicos en la fuerza radial, a costa de un cierto exceso de flujo en otras zonas. Los artículos que combinan este tipo de perfilado de los dientes con ángulos de conmutación ajustados informan de reducciones notables del ruido sin penalizaciones extremas en la ondulación del par.
Variar la anchura de los dientes o introducir patrones multidentados alrededor del estator rompe la periodicidad perfecta del campo de fuerza. Un estudio reciente sobre modificaciones multidentadas del estator-rotor destaca combinaciones de dientes trapezoidales, puentes polares y formas de punta que reducen el ruido y mantienen un rendimiento electromagnético aceptable para los accionamientos a escala automovilística. Se puede pensar en estos patrones como «defectos» controlados que distribuyen intencionadamente la fuerza radial en varios órdenes espaciales en lugar de en uno dominante.
Ninguno de estos trucos funciona de forma aislada. Si se cambia la punta del diente, la forma de onda actual que antes era óptima ya no es la adecuada, porque el perfil de inductancia en función del ángulo ha cambiado. Por eso, las geometrías «definitivas» de los dientes casi siempre son el resultado de un proceso que incluye tanto cálculos de campo como métricas NVH simples, en lugar de una única optimización estática.
La geometría del rotor suele optimizarse primero para la densidad de par y la resistencia al aire. El ruido viene por añadidura. En los SRM con rangos de velocidad muy altos, especialmente en las máquinas de tracción que funcionan a más de 10 000 rpm, la pérdida por resistencia aerodinámica en las ranuras anchas del rotor no es insignificante. Un estudio de 2025 sobre SRM de tracción para vehículos de tres ruedas demostró que reducir el área de las ranuras con formas modificadas podía reducir la pérdida por resistencia aerodinámica y mejorar el comportamiento acústico, una vez que los cambios resultantes en la fuerza radial se capturaron en una simulación completa del ruido y se validaron experimentalmente.
Otros trabajos sobre SRM 8/6 han probado la curvatura de la punta del polo del rotor y los perfiles de polo multisegmento. Al suavizar el arco efectivo del polo y evitar la saturación brusca en los lados de los dientes, esos diseños redujeron los picos de fuerza radial y la potencia sonora asociada, con un impacto insignificante en la eficiencia y la capacidad de par.
Desde el punto de vista de la pila de laminación, el rotor es realmente una fuente programable de excitación espacial. Si se ajusta la forma de los dientes del rotor sin comprobar qué órdenes espaciales se están reforzando, es posible que se elimine un chirrido y se cree otro, solo que a una frecuencia diferente. La mejor manera es extraer el espectro de fuerza radial en los dientes del estator para cada forma de rotor candidata, alinearlo con el mapa de modos del estator y rechazar cualquier forma que aumente el contenido de fuerza cerca de los modos sensibles, incluso si su ondulación de par parece ligeramente mejor.
El sesgo se suele introducir como una solución genérica para la ondulación del par y el ruido acústico, pero los detalles de cómo se sesgan las pilas de laminación son muy importantes.
En la práctica, el sesgo en los SRM se suele crear girando sucesivas laminaciones en un pequeño ángulo, de modo que la pila forme una hélice axial. Esto se puede hacer en el estator, en el rotor o en ambos. Los experimentos con SRM monofásicos y trifásicos muestran que la combinación del sesgo del estator y del rotor puede reducir significativamente la vibración y el ruido acústico, a costa de una cierta disminución del par medio y un aumento de la fuga de flujo axial. Las revisiones de las laminaciones sesgadas informan de reducciones de ruido del orden de unos pocos decibelios para configuraciones sesgadas de varias capas, lo que ya es perceptible en el interior de la cabina de un vehículo.
Para el diseño de la pila de laminación, esto significa que el sesgo no es solo un interruptor, sino un desfase entre los campos de fuerza radial a lo largo de la dirección axial. La excitación efectiva que alcanza un modo de estator determinado es la suma axial de estas contribuciones en fase. Si su modo dominante tiene una forma axial bastante uniforme, entonces un paso de sesgo cercano al paso de un polo del estator causará una interferencia destructiva en el armónico espacial clave y ayudará. Si tiene modos con una fuerte variación axial, un sesgo uniforme simple puede no ser muy eficaz, y es mejor optar por un sesgo escalonado o patrones mixtos en los que las secciones de la pila estén sesgadas de forma diferente.
También está el aspecto mecánico. La inclinación de las laminaciones cambia la forma en que los dientes reparten la carga a lo largo de la pila y puede modificar ligeramente las propias formas modales, especialmente en máquinas de longitud axial corta. También complica la fabricación, el apilamiento y la alineación de las ranuras para los devanados o los canales de refrigeración. Por lo tanto, las ventajas deben medirse en función de estos problemas prácticos, y no solo en función de un modelo FEA limpio.
La tabla siguiente resume varias tácticas ampliamente utilizadas en laminación y geometría dental, así como su influencia habitual en las fuerzas, el ruido y el par, basándose en las tendencias observadas en investigaciones recientes de SRM y en la práctica industrial.
| Táctica de diseño | Efecto principal sobre el espectro de fuerzas radiales en los dientes | Cambio típico en el ruido ponderado A (orden de magnitud) | Impacto típico en la ondulación del par | Notas para el diseño de la pila de laminación |
|---|---|---|---|---|
| Puntas de dientes redondeadas y arco polar optimizado (estator y/o rotor) | Reduce los picos pronunciados cerca de la posición alineada, desplaza la energía hacia órdenes inferiores y suaviza la fuerza en función del ángulo. | Reducción de unos pocos decibelios en las frecuencias dominantes del zumbido cuando se combina con un modelado de corriente adecuado. | Pequeña reducción de la ondulación del par si se reajusta el perfil de corriente; a veces se produce una ligera caída del par máximo. | Funciona mejor cuando el análisis modal muestra modos dominantes cerca de armónicos de alto orden que pueden suavizarse mediante una distribución más uniforme del flujo. |
| Chaflanes en las puntas de los dientes o muescas en los bordes | Atenúa los armónicos espaciales específicos relacionados con la saturación de los bordes y redistribuye la fuerza hacia el centro del diente. | A menudo, el ruido es entre 1 y 3 dB más bajo alrededor de los armónicos objetivo, pero puede introducir nuevos picos menores en otros lugares. | Puede aumentar ligeramente la ondulación del par si no se ajusta la conmutación; el par medio suele permanecer prácticamente sin cambios. | Requiere una estrecha relación entre el análisis armónico y la geometría; un entallado excesivamente agresivo puede aumentar las pérdidas locales y la tensión. |
| Patrones de estator/rotor multidentados o trapezoidales | Rompe la periodicidad; distribuye la fuerza sobre múltiples órdenes espaciales con amplitudes individuales más bajas. | Puede reducir significativamente el ruido tonal de banda estrecha, a veces a costa de un ruido de banda más ancha que resulta menos molesto. | La ondulación del par suele mejorar si se eligen cuidadosamente los patrones; las combinaciones incorrectas pueden empeorarla. | Las tolerancias de montaje se vuelven más críticas; el punzonado y apilado de la laminación deben mantener la posición de los dientes constante. |
| Reducción del área de las ranuras del rotor con ranuras remodeladas | Reduce las fluctuaciones de presión inducidas por el viento y altera ligeramente la distribución de la fuerza radial. | La reducción del ruido se debe tanto a la disminución del ruido aerodinámico como a una excitación electromagnética más suave; es realista esperar una reducción de unos pocos decibelios a alta velocidad. | El par se mantiene si se conserva la permeabilidad media del entrehierro; una contracción extrema de la ranura puede perjudicar el par. | Influye en la tensión mecánica en las laminaciones del rotor; el análisis modal debe incluir el rotor si las velocidades son muy altas. |
| Desviación del estator y/o rotor sobre un paso polar (uniforme) | Difumina los armónicos espaciales a lo largo del eje; reduce la excitación coherente de modos con forma axial uniforme. | Varios decibelios de reducción para componentes tonales fuertes cuando la distorsión se ajusta al armónico dominante. | El par medio disminuye y las pérdidas por cobre pueden aumentar; la ondulación del par suele disminuir. | Requiere plantillas de apilamiento de laminación cuidadosas; afecta a la geometría del bobinado final y a las vías de refrigeración. |
| Yugo más grueso y mayor rigidez de la pila | Aumenta la frecuencia de los modos circunferenciales; puede separarlos de los armónicos de fuerza principales. | Cuando tiene éxito, desplaza las resonancias principales fuera de la banda operativa, por lo que el ruido tonal disminuye considerablemente. | Cambio directo mínimo en la ondulación del par; puede afectar ligeramente a la corriente magnetizante. | Aumento de la masa y el coste del acero; debe comprobarse en función de las limitaciones de saturación y tamaño. |
Las cifras son intencionadamente vagas, ya que las ganancias exactas dependen en gran medida del tamaño de la máquina, la combinación de polos/ranuras y la intensidad con la que se cruzan los espectros de fuerza y estructurales. Lo útil es la dirección: qué controles de diseño tienden a empujar qué partes del sistema acoplado.
Muchos modelos publicados tratan la pila de laminaciones del estator como si estuviera perfectamente pegada o fijada al bastidor. En realidad, puede haber contacto parcial, pequeños huecos o zonas en las que el barniz y las lengüetas de enclavamiento dominan la rigidez. Los estudios mecánicos experimentales sobre estatores SRM muestran que las condiciones límite reales pueden desplazar las frecuencias naturales en decenas de por ciento en comparación con los soportes ideales.
Para la mitigación del ruido, esto implica algunas medidas prácticas. La uniformidad del apilamiento de laminaciones afecta a las formas modales axiales. Si cada paquete de laminaciones está ligeramente desalineado, se introducen involuntariamente variaciones locales de inclinación y rigidez que pueden ser beneficiosas o perjudiciales. La inclinación aleatoria tiende a añadir amortiguación, pero también puede excitar modos asimétricos que no estaban presentes en el modelo.
La fuerza de sujeción también es importante. Una sujeción elevada comprime la pila, aumenta la fricción entre las laminaciones y puede añadir amortiguación, pero también puede desplazar los modos hacia arriba. El encapsulado o la resina entre la pila y el marco pueden proporcionar una fuerte amortiguación en algunas frecuencias, al tiempo que crean nuevos modos acoplados con la carcasa en otras. Rara vez es todo bueno o todo malo, y solo se ve la compensación una vez que se monta y se prueba.
Por lo tanto, cuando se ajustan las formas de los dientes en el análisis por elementos finitos (FEA), vale la pena dar un paso atrás y comprobar si las condiciones límite asumidas coinciden con el proceso de montaje que utiliza realmente la fábrica. A veces, un pequeño cambio en la forma en que se presiona la pila en el bastidor proporciona una mayor reducción del ruido que otra ronda de refinamiento de la punta de los dientes.
La mayoría de los equipos ya disponen de un modelo electromagnético en 2D o 3D del SRM y probablemente también de un modelo estructural independiente del estator y la carcasa. La pieza que suele faltar es el acoplamiento estrecho entre ambos en la superficie del diente. Un bucle práctico podría tener un aspecto similar al siguiente, sin pretender ser matemáticamente perfecto.
En primer lugar, fije un diseño inicial de la pila de laminación: grosor del yugo, longitud de la pila, ajuste del bastidor, concepto de sujeción. Realice un análisis modal estructural del modelo ensamblado de estator, carcasa y bobinado, y anote los modos principales con un movimiento radial significativo de los dientes en la banda de frecuencias clave para su aplicación. El objetivo es identificar un pequeño conjunto de modos «sensibles» en lugar de fijarse en docenas de valores propios.
A continuación, utilice su modelo electromagnético para calcular las distribuciones de fuerza radial en cada diente durante uno o dos ciclos eléctricos en varios puntos de funcionamiento. Proyecte esas fuerzas sobre las formas modales espaciales que le interesan. Esto le indicará qué partes del espectro de fuerza radial realmente bombean energía a los modos reales, y no solo qué armónicos existen en teoría.
Con ese mapeo en mano, comience a ajustar las geometrías de los dientes y los rotores. Las puntas redondeadas, los chaflanes, los arcos polares modificados y los patrones multidentados se convierten en formas de reducir la proyección de las fuerzas radiales sobre las formas modales sensibles, incluso si la magnitud total de la fuerza apenas cambia. Los cambios de inclinación y yugo se encuentran en el mismo bucle: alteran el lado estructural en lugar del lado electromagnético.
Lo que ayuda en la práctica no es la optimización obsesiva de una variable de diseño, sino observar cómo cada cambio mueve tres números juntos: armónicos de fuerza dominante, modos estructurales dominantes y métricas acústicas simples como la potencia sonora o el nivel ponderado A general en una banda estrecha alrededor del molesto zumbido. Los prototipos consecutivos, incluso a escala reducida, proporcionan una visión mucho mejor que intentar impulsar cada decisión a través de un único optimizador multiobjetivo.
Si está trabajando en un SRM y los valores de ruido de la hoja de datos no son satisfactorios, es tentador prestar más atención a las formas de onda actuales y a las estrategias de conversión. Esas herramientas siguen siendo útiles. Pero el trabajo realizado durante las últimas décadas deja claro algo más: una vez que se ve la pila de laminación como una carcasa elástica impulsada por fuerzas radiales a nivel de los dientes, la geometría de los dientes y el diseño de la pila dejan de ser «dibujos detallados» y se convierten en una superficie de control NVH primaria. Si se consiguen acertar en esos aspectos, se reduce la lista de problemas acústicos que hay que solucionar en el software y se facilita mucho el trabajo del equipo de control.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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