Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
Les concepteurs adorent ajouter des pôles, modifier les aimants ou changer les stratégies de contrôle. Mais deux des les boutons les plus silencieux et les plus efficaces dans une machine électrique à fente sont purement géométriques :
Elles sont de l'ordre du millimètre et pourtant elles façonnent la forme d'onde du flux de l'entrefer, la distribution des pertes, l'ondulation du couple et même le bruit. Les articles sur la mise en forme du noyau du stator et la conception des fentes montrent qu'un réglage minutieux de ces minuscules caractéristiques peut modifier les pertes en fer de plusieurs dizaines de pour cent et changer le bruit magnétique de façon spectaculaire.
La plupart des articles de blog les traitent comme une ligne dans une capture d'écran de CAO. Ne faisons pas cela.
Imaginez une dent de stator : une haute poutre d'acier laminé, se rétrécissant en un étroit sommet de la dent qui fait face au rotor. Les rayon de l'extrémité de la dent est l'arrondi des coins intérieurs, là où la dent rencontre l'entrefer. Les ouverture de la fente est l'écart entre les pointes des dents voisines.
Ces deux dimensions se situent à l'endroit même où tout se passe :
Les entreprises de fabrication spécialisées dans tôles d'acier électriques appeler explicitement à l'aide l'ouverture de la fente, le rayon de la pointe de la dent et la largeur du pont sont les principales dimensions à contrôler car elles influencent directement le flux de l'entrefer, le contenu harmonique, les pertes et le bruit.
Avant de modifier la géométrie, il convient de revoir ce que nous essayons réellement de déplacer : les composantes de la perte. Dans toute machine à induction ou PM à fentes, l'efficacité est principalement déterminée par le nombre de fentes :
Le rayon de la dent et l'ouverture de la fente sont principalement boutons de perte de fer et de perte de courant alternatifet non des boutons de réglage de l'I²R du cuivre. Les modèles modernes de perte de fer décomposent généralement la perte du noyau en trois parties : l'hystérésis, le courant de Foucault classique et un "excès" ou une composante anormale qui capture les effets locaux à haute fréquence à micro-échelle.
Des études cartographiques détaillées sur les machines PM à grande vitesse montrent que la culasse et les dents du stator dominent la perte totale du noyau, avec le le sommet de la dent est particulièrement sensible aux changements de charge et de flux. Dans certaines conditions, la croissance de la perte au sommet de la dent en fonction de la charge est supérieure de plusieurs centaines de pour cent à celle de l'arcade.
C'est exactement la région où le rayon de la dent et l'ouverture de la fente sont remodelés.
Commencez par le rayon de la pointe de la dent ( R_t ). Imaginez que vous le réduisiez à zéro : vous obtiendrez une valeur très élevée. coin de la dent pointue. Les lignes de flux dans la dent veulent se répandre dans l'espace d'air ; un angle aigu les oblige à passer par un "goulot d'étranglement" serré, créant ainsi des lignes de flux. l'encombrement des flux et la saturation locale au sommet de la dent.
Les études sur la formation des noyaux de stator montrent que l'introduction de rayons appropriés aux coins des dents (souvent discutés à la racine, mais la même intuition s'applique au sommet) peut réduire sensiblement les pertes locales de noyaux en atténuant ces densités de flux maximales.
En revanche, si vous surround l'extrémité de la dent, vous élargissez effectivement l'espace aérien localement :
Les analyses de sensibilité sur les PMSM à bobine dentée, où les dimensions de l'extrémité de la dent sont balayées, montrent exactement ce compromis : la densité du couple est fortement influencée par la largeur/le rayon de l'extrémité de la dent, mais il existe une zone de rendement décroissant où un arrondi supplémentaire gâche le couple pour des gains modestes en termes de perte.
Le "sweet spot" est généralement un rayon modéréLe nombre d'heures de travail par jour est de : assez grand pour éviter la saturation des coins et pour adoucir les gradients de flux, assez petit pour conserver une perméance et une focalisation du flux convenables.
Le ouverture de la fente ( b_{so} ) est la distance libre entre les pointes des dents au niveau de l'entrefer. Elle a une relation complexe avec les pertes parce qu'elle remodèle l'espace entre les dents. forme d'onde de perméance autour de l'entrefer.
Historiquement, les fentes ouvertes étaient connues pour introduire des pertes supplémentaires, même dans les noyaux de test simples ; des travaux classiques réalisés dans les années 1930 soulignaient déjà que les pertes dues aux fentes ouvertes doivent être séparées des "vraies" pertes de fer lors de la caractérisation des matériaux.
Des recherches plus récentes sont plus claires :
Et puis il y a le bobinage : à mesure que les conducteurs se rapprochent de l'ouverture de la fente - où les champs de fuite et de frange sont plus importants -, les conducteurs s'éloignent de l'ouverture de la fente et de la fente.Les pertes en courant alternatif augmentent considérablement.
L'ouverture d'une fente tire donc sur au moins quatre cordes : perte de fer, couple, perte de courant alternatif et bruit.
Vous pouvez considérer le rayon de la pointe de la dent et l'ouverture de la fente comme deux paramètres de conception supplémentaires dans une optimisation paramétrique, mais ils se comportent différemment des quantités globales telles que la longueur de l'empilement ou l'épaisseur de l'aimant. Ils affectent principalement qualité du champ et distribution des pertes localeset pas seulement la performance globale.
Bonne nouvelle : cela fait d'eux des cibles parfaites pour un analyse de sensibilité ciblée.
Dans la pratique, vous combinerez 2D/3D FEA avec un modèle de perte de fer (type Bertotti ou variantes améliorées) et éventuellement un modèle de perte de bobinage en courant alternatif.
Pour rendre les compromis plus concrets, le tableau ci-dessous résume les éléments suivants effets qualitatifs de l'évolution du rayon de la dent et de l'ouverture de la fente, combinant les tendances observées sur plusieurs types de machines.
⚠️ Le tableau est volontairement qualitatif. Les sensibilités exactes dépendent de la machine - les combinaisons fente/pôle, le type d'aimant, la vitesse et le matériau ont tous leur importance.
| Modification de la conception | Effet primaire sur le flux et les harmoniques | Impact typique sur les pertes (qualitatif) | Autres effets secondaires / remarques |
|---|---|---|---|
| Léger augmentation du rayon de l'extrémité de la dent | Lissage du flux aux angles des dents, réluctance locale de l'entrefer légèrement plus élevée | ↓ Points chauds de perte de fer au sommet de la dent ; ≈ Perte de la culasse ; effet faible ou neutre sur la perte de fer totale du stator. | Souvent "libre" du point de vue du couple si le rayon est modeste |
| Grandes dimensions augmentation du rayon de l'extrémité de la dent | Focalisation du flux nettement plus faible au sommet de la dent | ↓ Perte de fer au sommet de la dent ; peut ↓ perte de fer globale du stator, mais pas proportionnellement à la réduction du couple. | Baisse sensible du couple et de la force électromotrice ; peut réduire légèrement l'effet de cogging |
| Diminution du rayon de l'extrémité de la dent (angle plus aigu) | Encombrement de flux plus important au niveau des coins intérieurs des dents | ↑ Forte perte de fer au sommet des dents ; potentiel ↑ de perte excessive en raison de gradients locaux abrupts | Peut augmenter légèrement le couple ; moins bon pour les NVH et les températures élevées. |
| Élargir l'ouverture de la fente (zone de fente ≈ constante) | Forme d'onde de perméance plus plate, réluctance plus élevée dans les pointes, harmoniques de fente plus fortes | Souvent ↓ perte dans le noyau de la dent du stator ; éventuellement ↑ perte dans le rotor ou perte de masse ; ↑ perte de cuivre AC près du sommet de la fente si les conducteurs sont proches. | Peut augmenter l'ondulation du couple et le bruit magnétique |
| Ouverture étroite de la fente (zone de fente ≈ constante) | Focalisation plus forte du flux, réduction des harmoniques de fente | ↑ Perte de fer au sommet de la dent (B local plus élevé) ; la perte au niveau de la culasse peut changer peu ; ↓ perte de fer due à l'harmonique de la fente dans certaines machines. | Bon pour la densité du couple, mais l'insertion de l'enroulement est plus difficile |
| Déplacer les conducteurs plus près de l'ouverture de la fente à ouverture fixe | Champ de fuite plus élevé à travers les conducteurs | ↑ Perte de cuivre en courant alternatif et échauffement des brins, en particulier à haute fréquence ou en cas d'alimentation PWM | Parfois pour des raisons thermiques/mécaniques - à vérifier |
Vous trouverez des échos de ces tendances dans des études détaillées sur les thèmes suivants distribution des pertes du noyau du statoroù les pertes au sommet de la dent sont les plus sensibles aux variations de la configuration du champ et de la charge.
Toute cette belle analyse de sensibilité suppose que la machine que vous construisez corresponde réellement à la géométrie que vous avez simulée.
En réalité, les tolérances d'outillage et d'emboutissage le rayon de la pointe de la dent et l'ouverture de la fente. Les fournisseurs de pelliculage soulignent que les tolérances serrées des matrices sont essentielles pour maintenir la qualité des produits. l'ouverture de la fente, le rayon de l'extrémité de la dent et la largeur du pont dans les limites des objectifs de conception ; dans le cas contraire, les pertes et le bruit s'éloignent des valeurs prévues.
Des études de sensibilité sur les géométries de stator montrent également que largeurs de dents inégales ou de petites déviations dans la géométrie des dents peuvent modifier la liaison de flux et le facteur d'enroulement suffisamment pour changer à la fois le couple et la distribution des pertes.
Si vous cherchez à atteindre une efficacité de 95-98%, un contrôle négligent d'une tolérance d'ouverture de fente de 0,1 à 0,2 mm peut effacer des semaines d'optimisation par FEA.
Si vous suivez mentalement le flux, le rayon de la pointe de la dent et l'ouverture de la fente cessent d'être de simples dimensions et commencent à ressembler à les boutons de réglage de la dureté de l'acier.
La littérature concernant les machines à induction, à flux radial et à flux axial montre que.. :
En tant que concepteur, votre tâche consiste à décider où dépenser et où économiser:
Une analyse de sensibilité structurée, axée uniquement sur le rayon de l'extrémité de la dent et l'ouverture de la fente, vous permet d'obtenir cette carte de compromis au lieu de vous fier à vos intuitions. Une fois cette carte établie, toutes les machines que vous concevrez à l'avenir en bénéficieront, car ces deux minuscules dimensions touchent discrètement à presque tous les mécanismes de perte qui comptent.
Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
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