Desain jembatan magnetik pada inti rotor: kekuatan vs kerugian

Jembatan magnetik adalah tempat Anda memutuskan apa yang Anda bersedia untuk menjadi salah: margin tegangan, atau kebersihan elektromagnetik. Tambahkan baja dan rotor bertahan lebih lama; jaga agar tetap tipis dan mesin berperilaku lebih baik, sampai tidak.

Jembatan bukanlah "logam penyangga", melainkan komponen magnetik yang kebetulan membawa beban

Orang-orang berbicara tentang jembatan seolah-olah mereka hanya ada untuk menghentikan magnet meninggalkan rotor. Mereka memang seperti itu. Mereka juga merupakan shunt yang sengaja dibuat jenuh, yang ditentukan secara geometri yang menghubungkan kembali jalur kebocoran Anda dan menggeser di mana kerapatan fluks menumpuk. Contoh tegangan/elektromagnetik IPM COMSOL sendiri mengatakannya dengan jelas: kejenuhan di wilayah jembatan memengaruhi karakteristik elektromagnetik, sehingga ketebalan jembatan harus dijaga agar tetap minimal untuk mengurangi kerugian, tetapi jembatan sempit yang sama mengalami tegangan sentrifugal tinggi pada kecepatan.

Satu kalimat itu menyembunyikan kejengkelan yang sesungguhnya: "minimal" bukanlah sebuah angka. Ini adalah apa pun yang masih bisa mengatasi kendala mekanis Anda setelah Anda menyertakan sudut yang benar-benar Anda buat, bukan yang Anda buat dalam sketsa.

Ketebalan adalah tuas yang brutal, kemudian berubah menjadi lembut

Jika Anda memplot tegangan versus ketebalan jembatan, Anda biasanya mendapatkan bentuk yang Anda harapkan dari struktur yang bergerak dari "seperti jaring" menjadi "seperti balok". Ketebalan awal membeli banyak. Setelah itu, hasilnya semakin berkurang.

Satu studi perbandingan kecepatan tinggi menunjukkan tegangan rotor turun drastis ketika ketebalan jembatan berubah dari 1 mm ke 2 mm (3961 MPa ke 2385 MPa, sekitar 39.8%), kemudian turun jauh lebih sedikit ketika berubah dari 2,5 mm ke 3,5 mm (1904 MPa ke 1690 MPa, sekitar 11.2%). Pola "milimeter pertama sangat penting" yang sama muncul di makalah pengoptimalan IPM berkecepatan tinggi lainnya: meningkatkan ketebalan jembatan dari 1 mm menjadi 3 mm mengurangi tegangan rotor maksimum sambil juga menarik garis tanpa beban ke bawah (382,6 V menjadi 348 V).

Jadi ya, ketebalan jembatan adalah kenop kontrol mekanis. Ini juga merupakan pajak EMF.

Kebocoran bukan hanya "fluks yang lebih sedikit", tetapi juga merupakan masalah harmonik dan kerugian yang menyebar

Ketika jembatan semakin tebal, jalur kebocoran menjadi lebih mudah. Hal ini tidak terlihat jelas pada output simulasi; faktor fluks kebocoran tanpa beban pada perbandingan kecepatan tinggi yang sama meningkat dari 1,12 menjadi 1,56 seiring dengan meningkatnya ketebalan jembatan dari 1 mm menjadi 3,5 mm. Itu adalah cara kuantitatif yang rapi untuk mengatakan: Anda membayar untuk baja, kemudian Anda membayar lagi dalam bentuk kebocoran.

Kemudian Anda menambahkan pengaku atau magnet segmen untuk menenangkan stres. Stres membaik, kebocoran sering kali menjadi lebih buruk. Makalah yang sama mencatat bahwa memisahkan magnet dan menambahkan pengaku meningkatkan jalur kebocoran, dengan faktor kebocoran meningkat secara linier dengan ketebalan pengaku, dan bahkan melaporkan kasus di mana faktor kebocoran mencapai 1,72.

Dan setelah kebocoran dan kejenuhan membentuk bentuk gelombang fluks celah udara, Anda berhenti berdebat tentang besaran EMF balik dan mulai berdebat tentang spektrumnya. Studi tersebut menunjukkan distorsi harmonik EMF balik yang lebih tinggi untuk kasus IPM daripada kasus SPM (THD 3.20% vs 0.64%), dengan komponen ke-11 dan ke-13 yang penting. Harmonik adalah tempat di mana rugi-rugi inti rotor suka bersembunyi.

Kerugian: kerugian yang sudah jelas, dan kerugian yang tidak sengaja Anda ciptakan

Keputusan jembatan menyentuh setidaknya tiga "ember kerugian," bahkan jika Anda hanya melacak dua di dasbor Anda.

Ember yang jelas adalah kehilangan inti rotor. Dalam perbandingan kecepatan tinggi, penulis secara langsung mengaitkan konten harmonik rotor IPM yang lebih besar (sebagian karena celah udara yang kecil dan pengaruh arus stator yang kuat) dengan kehilangan inti rotor yang lebih besar, dan mereka menunjukkan bahwa hal tersebut berubah menjadi masalah batas termal rotor (mereka melaporkan suhu rotor maksimum 194 ° C dalam kasus IPM mereka).

Ember kedua adalah apa yang dilakukan jembatan Anda terhadap saturasi lokal dan kepadatan fluks. Sebuah makalah Laporan Ilmiah membingkainya sebagai "saturasi magnetik tinggi pada jembatan isolasi fluks" yang memperkaya harmonisa kerapatan fluks celah udara, yang kemudian meningkatkan riak torsi pada kecepatan rendah; jalur mitigasinya adalah lubang isolasi magnetik yang mengurangi kerapatan fluks jembatan dengan menambahkan keengganan, yang bertujuan untuk menghindari kejenuhan berlebih dan mengurangi histeresis dan kehilangan arus pusar.

Ember ketiga adalah kerugian yang Anda ciptakan secara tidak langsung: Anda menebalkan jembatan, Anda kehilangan EMF (atau faktor daya), Anda mendorong lebih banyak arus untuk mencapai torsi, kehilangan tembaga meningkat, dan sekarang Anda "memperbaiki" masalah tegangan rotor dengan memanaskan stator. Ini bukan pernyataan moral. Ini adalah pernyataan pembukuan.

Satu lagi detail non-intuitif dari makalah pengoptimalan kecepatan tinggi: kehilangan inti rotor dapat penurunan ketika ketebalan jembatan meningkat, bahkan ketika EMF turun, karena Anda mengubah bagaimana dan di mana fluks berayun di baja rotor; mereka melaporkan efisiensi yang sering kali meningkat kemudian turun di seluruh sapuan ketebalan jembatan/pengaku. Jadi, jembatan yang lebih tebal dapat terlihat "lebih baik" dalam satu metrik kehilangan sementara secara diam-diam menurunkan postur elektromagnetik alat berat.

Bentuk itu penting karena konsentrasi tegangan itu nyata, dan "jembatan" jarang sekali hanya satu jembatan

Setelah Anda berhenti berpura-pura bahwa jembatan adalah sebuah persegi panjang, ruang desain akan terbuka. Rotor berbentuk V multi-jembatan membelah magnet dan menyisipkan jembatan tengah untuk mendistribusikan gaya sentrifugal, meningkatkan kecepatan yang diijinkan, tetapi makalah yang sama menyatakan kontradiksi secara langsung: lebih banyak jembatan dan lebih lebar meningkatkan kekuatan mekanis sekaligus meningkatkan kebocoran fluks dan mengurangi kinerja elektromagnetik. Hasil penelitian mereka juga menyoroti bahwa ketebalan jembatan tengah merupakan tuas mekanis yang efisien, sementara beberapa penyesuaian parameter jembatan celah udara tidak memberikan banyak kekuatan, menyiratkan bahwa Anda dapat memilih dimensi jembatan celah udara secara lebih agresif untuk alasan kebocoran setelah jalur tegangan utama ditangani di tempat lain.

Jika Anda mengoptimalkan detail seperti fillet dan bentuk jembatan segitiga, Anda biasanya mengejar konsentrasi tegangan, bukan tegangan rata-rata. Makalah pengoptimalan IPM berkecepatan tinggi secara eksplisit menyebut skema jembatan magnetik fillet dan segitiga sebagai bagian dari cerita konflik keselamatan rotor/elektromagnetik.

"Lepaskan jembatan" adalah ide yang nyata, tetapi dilengkapi dengan suku cadang pengganti

Makalah akses terbuka tahun 2024 mengusulkan rotor yang menghilangkan jembatan bilateral dan hanya mempertahankan jembatan pusat untuk mempertahankan kekuatan, yang secara eksplisit menargetkan kebocoran dan kehilangan besi rotor; mereka menggabungkan baja silikon tinggi pada permukaan rotor (kehilangan besi yang lebih rendah) dengan baja silikon rendah secara internal (kekuatan), dan melaporkan berkurangnya kebocoran, torsi +7,5%, efisiensi +0,18%, dan -36,2% kehilangan besi rotor dibandingkan motor asli.

Ini adalah cara yang paling bersih untuk menyatakan perdagangan: jika Anda mengecilkan lebar jembatan, Anda dapat memenangkan kebocoran dan kerugian, tetapi Anda harus "membeli kembali" integritas mekanis dengan topologi (jalur beban pusat, strategi segmentasi) dan pilihan material.

Tabel yang membuat argumen tetap jujur

Sikap desain yang berfungsi ketika fungsi objektifnya berantakan

Jika Anda memperlakukan ukuran jembatan sebagai "pilih ketebalan, lalu periksa kerugian," Anda akan mengulanginya selamanya. Makalah yang terlihat serius cenderung memperlakukannya sebagai gabungan: tegangan, faktor kebocoran, spektrum back-EMF, kehilangan inti rotor, suhu. Satu studi kecepatan tinggi bahkan menjalankan tegangan pada kecepatan pengenal 120% dan suhu tinggi untuk menjaga margin tetap jujur, kemudian mengaitkan tujuan pengoptimalan dengan efisiensi dan kehilangan inti rotor karena pemanasan rotor sering kali menjadi pembatas.

Sikap praktisnya adalah: tentukan kegagalan apa yang Anda tolak (hasil pada kecepatan berlebih, plafon suhu rotor, margin demag), lalu biarkan jembatan menjadi bagian terkecil dari baja yang masih membuat kegagalan itu membosankan. Tidak optimal. Membosankan. Sisanya adalah mengelola efek samping magnetik dengan bentuk, segmentasi, dan di mana Anda membiarkan kejenuhan terjadi, karena kejenuhan akan tetap terjadi.