Comment l'angle d'inclinaison du rotor affecte l'efficacité, le couple de rotation et les bruits nocturnes dans les piles de laminage

L'inclinaison du rotor n'est pas gratuite. C'est un métier taillé dans l'acier.

En piles de laminage du rotor, L'angle d'inclinaison est en fait un filtre harmonique intégré. Un faible angle d'inclinaison peut réduire les ondes de force entraînées par les fentes, adoucir l'engrenage et calmer le boîtier. Si l'on pousse l'angle trop loin, le même mouvement commence à consommer de l'énergie électromagnétique utile, à déplacer la force axiale et à rendre l'empilement plus difficile à construire de manière répétée. C'est là le véritable problème de conception. Il ne s'agit pas de savoir s'il faut faire un angle. Il s'agit plutôt de savoir quelle harmonique nous payons pour l'éliminer et ce que nous sommes prêts à donner en retour.“

L'angle d'inclinaison change trois choses à la fois

Le premier changement est évident : le couple de cogging diminue parce que le rotor ne présente plus le même alignement entre les dents et les fentes sur toute la longueur axiale au même moment. Le deuxième changement est moins sympathique : le fondamental utile est également atténué à mesure que l'obliquité augmente, de sorte que le couple moyen et la marge de la FEM peuvent diminuer. Le troisième changement est celui qui surprend le plus les équipes. Le NVH ne suit pas le cogging à l'identique. Une forme d'onde à vide plus propre peut encore vous laisser avec de mauvaises harmoniques de force sous charge, ou avec une force axiale que vous n'avez pas prévue dans votre budget.

C'est pourquoi nous ne considérons pas l'obliquité du rotor comme une case à cocher dans la conception des empilages de tôles. Nous la considérons comme un paramètre d'équilibre entre la propreté électromagnétique, le comportement acoustique et la fabricabilité de l'empilement. Certaines machines tolèrent bien une inclinaison modérée. D'autres non. Certaines présentent même un léger avantage en termes de rendement pour une combinaison de fentes, puis deviennent négatives à mesure que l'angle augmente. Même famille de moteurs. Différentes combinaisons d'encoches. Cette partie est ennuyeuse, mais normale.

Efficacité : généralement stable au début, elle commence ensuite à s'échapper.

En ce qui concerne l'efficacité, la réponse paresseuse est la suivante : “l'inclinaison réduit les pertes en lissant le couple”. Ce n'est pas suffisant.

Ce qui se produit habituellement est plus irrégulier. Une inclinaison modérée peut réduire le contenu harmonique parasite et atténuer les pertes liées à l'ondulation, de sorte que le changement net de rendement peut être faible, parfois neutre, parfois légèrement positif dans une fenêtre de conception étroite. Mais dès que l'angle d'obliquité augmente, la baisse de la force électromotrice utile ou de la constante de couple commence à être plus importante que le nettoyage des harmoniques. Dans les études publiées sur les machines, certaines variantes à angle oblique ont maintenu un rendement à peu près stable, d'autres se sont légèrement améliorées pour certaines combinaisons de fentes, et beaucoup n'ont montré aucun gain ou un déclin progressif à mesure que l'angle augmentait.

Nous ne vendons donc pas le skew en interne comme une caractéristique d'efficacité. Nous le vendons comme un outil de gestion harmonique qui doit survivre à un audit d'efficacité. Si l'analyse de rentabilité met l'accent sur l'énergie, le skew doit le prouver aux points de fonctionnement réels, et non sur un tracé calme à vide. La charge, la saturation et la combinaison des fentes peuvent déplacer l'optimum suffisamment pour qu'une solution gagnante à vide devienne un compromis à charge nominale.

Couple d'engrenage : c'est ici que l'asymétrie gagne encore du terrain.

Le cogging est l'endroit où l'inclinaison du rotor continue à payer un loyer.

La raison en est suffisamment simple pour ne pas nécessiter de cours : le décalage axial empêche l'ensemble de la pile de renforcer le même événement de réluctance à la même position du rotor. Dans les travaux d'analyse et d'essai, l'asymétrie modérée ou l'asymétrie à plusieurs niveaux réduit régulièrement les ordres de cogging dominants ; dans certains cas, de plus de la moitié, dans d'autres, de beaucoup plus. Les méthodes d'asymétrie discrète ont fait état d'une réduction du couple-ripple allant jusqu'à 70%, et les études sur l'asymétrie par encoche ou l'asymétrie PM ont montré des réductions de cogging très importantes lorsque l'ordre harmonique ciblé est bien adapté.

Il y a un hic. L'annulation totale sur le papier est plus facile que l'annulation totale dans l'acier. Les fuites d'extrémité, les effets de bord des segments, la saturation et la distorsion du champ axial continuent de se manifester et de gâcher le résultat parfait. C'est pourquoi l'histoire de “l'angle d'inclinaison idéal” est généralement trop soignée pour les piles de laminage de production. L'harmonique cible peut s'effondrer. Il est rare que la machine devienne magiquement exempte d'ondulations.

NVH : une réduction du cogging n'est pas automatiquement synonyme de moteurs plus silencieux

C'est la partie qui passe inaperçue dans trop de discussions sur les moteurs.

L'obliquité peut améliorer les NVH parce qu'elle affaiblit les sources électromagnétiques qui alimentent les bruits de structure : les composantes de cogging, les composantes d'ondulation du couple, les harmoniques de la FEM et les ondes de force radiales. Mais les résultats NVH dépendent des ordres de force qui subsistent, de la façon dont les modes du carter et du stator s'alignent, et de l'introduction d'une force axiale ou d'un déséquilibre directionnel dans le schéma d'obliquité. C'est pourquoi les études sérieuses sur l'asymétrie examinent désormais la force axiale, le bruit rayonné et le comportement avant/arrière ensemble, et pas seulement les FFT de couple.

En d'autres termes, une trace de cogging plus faible n'est pas la ligne d'arrivée. Nous avons vu des angles d'inclinaison qui rendent la forme d'onde à vide plus nette, puis qui coûtent le couple moyen, puis qui déplacent le contenu de la force dans une zone où la structure aime chanter. Problème différent, même plainte du client. Pour les machines de type traction, l'obliquité segmentée et l'obliquité asymétrique en deux étapes ont permis de réduire considérablement les vibrations, mais seulement après que l'angle et le modèle d'empilage ont été réglés en fonction de la réponse électromagnétique et structurelle.

A quoi ressemble la décision concernant l'obliquité dans un travail réel sur une pile de laminage ?

Le tableau ci-dessous est la façon dont nous présentons l'obliquité du rotor dans les discussions sur les piles de production. Il ne s'agit pas d'un tableau théorique. Il s'agit d'un tableau de décision.

Ce schéma est cohérent avec les analyses d'éléments finis et les travaux expérimentaux actuels : une inclinaison modérée tend à donner le meilleur résultat global, tandis qu'une inclinaison agressive donne des résultats plus modestes et commence à se traduire par une augmentation du couple, de la force axiale ou de la complexité de la construction. En outre, l'ajout de segments n'est pas un choix définitif ; certaines études montrent une amélioration jusqu'à un certain point, suivie d'un plateau ou même d'un léger renversement en fonction du schéma d'inclinaison.

Pourquoi les fournisseurs de piles de pelliculage devraient-ils se préoccuper davantage que les spécialistes du marketing automobile ?

Parce que l'angle d'inclinaison sur le dessin n'est pas l'angle d'inclinaison qui atteint le banc d'essai.

Les empilages de tôles de rotor en biais vivent ou meurent en fonction du repérage des empilages, de l'indexation des segments, de la distorsion des soudures ou des liaisons, du contrôle des bavures et de la cohérence de la position axiale. Sur le papier, le modèle d'obliquité peut annuler l'harmonique ciblée de manière satisfaisante. Dans l'atelier, un petit décalage des segments peut rapidement annuler cet avantage. Plus la pile est segmentée, plus cela est important. Par conséquent, lorsque nous citons des piles de laminage obliques, nous ne citons pas seulement l'angle. Nous indiquons le degré d'étanchéité de cet angle lors de l'assemblage.

C'est également la raison pour laquelle l'inclinaison continue n'est pas toujours la solution commerciale, même si elle semble élégante en simulation. Les piles de laminage en escalier constituent une approximation pratique car elles s'adaptent mieux à l'outillage, à l'empilage et à l'inspection. Et si l'ensemble harmonique est suffisamment bien compris, l'inclinaison à deux ou plusieurs niveaux peut s'approcher du résultat électromagnétique escompté sans que le rotor ne devienne un argument de fabrication.

Comment choisir l'angle avant de couper l'acier

Nous partons de la mauvaise harmonique, et non d'un nombre rond de degrés.

Un raccourci mental utile est le suivant : l'asymétrie doit être suffisamment importante pour briser l'ordre de force que vous n'aimez pas, tout en restant suffisamment petite pour préserver l'onde utile que vous êtes payé pour conserver. Le travail analytique sur le facteur d'obliquité des machines à induction montre pourquoi une obliquité modérée survit souvent à l'examen. Autour d'une distance d'obliquité d'une à deux dents, la fondamentale peut rester très élevée tandis que certaines harmoniques de créneaux plus élevés s'effondrent brusquement. C'est le type d'échange que vous recherchez. Il ne s'agit pas d'un angle dramatique pour le plaisir.

Ensuite, nous vérifions cinq choses. L'ondulation du couple à charge nominale. L'effet de cogging à vide. Spectre de la force radiale. La force axiale. Tolérance de construction de la pile. Ce n'est pas élégant. C'est efficace. Et cela permet d'éviter l'erreur classique qui consiste à optimiser l'inclinaison sur un tracé à vide, puis à découvrir, au courant nominal, que le véritable optimum de fonctionnement s'est déplacé ailleurs.

Le bilan pratique

L'angle d'inclinaison du rotor ne doit pas être choisi comme un paramètre de style pour les piles de laminage. Il doit être choisi comme un compromis contrôlé.

Si la machine est défaillante en termes de cogging et de NVH, l'asymétrie est souvent l'une des solutions les plus propres du point de vue de la géométrie. Si la machine est déjà limitée en termes de marge de FEM, de densité de couple ou de tolérance à la force axiale, l'obliquité nécessite une plus grande discipline. Et si quelqu'un prétend qu'il existe une règle d'obliquité fixe pour chaque combinaison fente/pôle, chaque point de charge, chaque architecture d'empilage de lames, il passe à côté de la partie la plus difficile.

Pour la plupart des programmes d'empilage de laminage B2B, la réponse gagnante n'est pas l'angle d'inclinaison maximal. C'est le plus petit angle d'inclinaison qui élimine l'harmonique coûteuse. En général, cela suffit. En général.

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