Memodelkan Lasan dan Interlock dalam Simulasi Elektromagnetik Stator dan Rotor

Jika Anda pernah memiliki model motor yang tampak sempurna dalam FEA tetapi melewatkan efisiensi, kebisingan, atau suhu meja uji dengan selisih yang mengganggu, ada kemungkinan besar pengelasan dan interlock diam-diam menyabotase Anda. Detail "manufaktur" yang kecil itu - lapisan las laser, pena yang saling mengunci, fitur menyusut - membentuk kembali sirkuit magnetik dan gambar rugi-rugi jauh lebih banyak daripada yang ditunjukkan oleh geometrinya. Penelitian telah menunjukkan bahwa proses pengelasan dan penyambungan saja dapat meningkatkan kerugian inti stator sebesar ~10-20% pada mesin industri, dan dampak gabungan dari pemotongan, penyambungan, dan penyusutan dapat meningkatkan kerugian sebesar 20-50% dalam beberapa kasus.

• Dalam artikel ini kita akan membahasnya:
  • Menerjemahkan pengelasan / interlocking realitas manufaktur ke dalam input model EM yang dapat Anda gunakan.
  • Bandingkan beberapa tingkat ketelitian untuk menyertakan las/interlock dalam simulasi stator dan rotor.
  • Tunjukkan bagaimana detail ini memengaruhi kerugian, riak torsi, dan NVH - dan kapan hal tersebut benar-benar penting.
  • Memberi Anda alur kerja yang praktis dan tool-agnostik yang dapat Anda sesuaikan dengan Ansys Maxwell, JMAG, COMSOL, MagNet, dll.

1. Apa yang sebenarnya dilakukan oleh las dan interlock pada sirkuit magnetik Anda

Di bawah tenda, sebuah inti laminasi ingin berperilaku seperti jalur magnet yang seragam dan indah dengan insulasi laminasi yang bersih dan kurva B-H yang halus dan bagus. Las dan interlock dengan sengaja merusak idealisme tersebut: keduanya memperpendek laminasi secara lokal, menimbulkan deformasi plastis dan tegangan sisa, serta mengubah bagaimana fluks dan arus eddy bergerak melalui baja.

• Pada tingkat fisik, pengelasan dan interlock:
  • Menghubungkan laminasi secara elektrikmenciptakan loop konduktif tertutup yang memungkinkan "sirkuit cincin" arus eddy lokal.
  • Memperkenalkan tegangan sisa dan regangan plastismenurunkan permeabilitas dan meningkatkan kerugian histeresis.
  • Mengganggu jalur fluksterutama di dekat kuk dan akar gigi, menggeser kejenuhan dan kebocoran lokal.
  • Mengubah kekakuan dan redamanyang mengubah cara gaya elektromagnetik diterjemahkan menjadi getaran dan kebisingan.

2. Tur singkat tentang metode penggabungan yang umum dan implikasi EM-nya

Pada motor sungguhan, Anda biasanya akan melihat beberapa kombinasi pengelasan, saling mengunci, pengikatan, atau kompresi mekanis:

• Tumpukan pengelasan laser / TIG (kuk stator & rotor).
• Pasak yang saling mengunci secara mekanis ditekan menjadi laminasi.
• Tumpukan laminasi berperekat (backlack/ikatan sendiri).
• Paku keling, baut, cincin susut, atau pengecoran (terutama pada rotor besar). 
• Secara elektromagnetik:
  • Pengelasan dan penguncian cenderung meningkatkan kerugian inti dengan menambahkan arus eddy lokal dan histeresis yang diinduksi oleh stres.
  • Tumpukan berikat, dengan menjaga isolasi dan meminimalkan distorsi, sering kali kerugian dan kebisingan yang lebih rendah dibandingkan dengan inti yang dilas atau saling mengunci.
  • Memotong dan menyambung dapat menyebabkan degradasi lokal berkali-kali lipat lebih tinggi daripada bahan perawan, terutama di dekat tepi potong dan daerah pasak.

3. Mengapa model EM konvensional kesulitan dengan pengelasan & interlock

Sebagian besar model FE motor mengasumsikan:

• Kurva B-H tunggal yang seragam.
• Model kehilangan inti yang isotropis dan homogen.
• Sempurna isolasi laminasi (tidak ada konduktivitas tembus).
• Tidak ada riwayat stres yang tersisa.

Kenyataannya lebih berantakan. Makalah tentang inti yang dilas dan saling bertautan menunjukkan hal itu:

• Pengelasan dapat meningkatkan kerugian inti stator sekitar 10% pada motor induksi 37 kW ketika dimodelkan dengan data inti cincin las yang terukur.
• Proses interlocking dapat meningkatkan kehilangan besi secara signifikan; pada beberapa geometri pengujian, kerusakan akibat interlocking sebanding atau lebih besar daripada pelubangan itu sendiri.
• Untuk core yang dipotong dan disambung, mengabaikan degradasi produksi dapat mengurangi kerugian sebesar >50% dalam kasus terburuk.
• Hal itu mengarah pada titik-titik kesulitan pemodelan yang khas:
  • Meremehkan kerugian (efisiensi terlihat lebih baik di FEA daripada di dinamometer).
  • Lokasi hot-spot yang salah (desain termal yang buruk karena puncak kehilangan lokal terlewatkan).
  • Riak torsi & ketidaksesuaian NVH (puncak kebisingan yang diukur tanpa ada padanan yang jelas dalam simulasi).
  • Pertukaran yang membingungkan (misalnya, pengikatan vs pengelasan) karena model Anda memperlakukan semua metode penyambungan sebagai identik secara elektromagnetik.

4. Masukan yang harus dimiliki: bicarakan dengan bagian produksi lebih awal

Anda hanya dapat membuat model dari apa yang benar-benar Anda ketahui. Sebelum Anda menyempurnakan model EM, luangkan sedikit waktu untuk mendapatkan data konkret dari manufaktur atau pemasok.

Percakapan "pra-simulasi" yang baik, setidaknya harus memperjelas:

• Teknik penggabungan untuk stator dan rotor:
  • Jenis las (laser, TIG, spot) dan pola (jumlah, panjang, lokasi).
  • Gaya interlock (geometri batang kayu, posisi, kerapatan).
  • Apakah ikatan/perekat yang digunakan (dan pada suhu pengawetan).
• Data material & proses:
  • Kelas baja dan jenis pelapis (NOES vs GOES, kelas insulasi).
  • Data ring-core / Epstein yang tersedia untuk diproses bahan (dipotong + dilas/ saling bertautan).
  • Apakah anil pelepas tegangan diterapkan setelah pengelasan/interlocking.
• Toleransi & variabilitas pola:
  • Toleransi posisi yang umum pada sambungan las atau interlock.
  • Varian "masalah" yang diketahui (misalnya, pola interlock tertentu yang meningkatkan kebisingan).
• Sederhananya, tanyakan saja:
  • "Di mana tepatnya letak lasan/interlock pada tumpukan?"
  • "Apa yang dilakukan proses ini terhadap sifat magnetik lokal - apakah Anda memiliki data pengujian?"
  • "Apakah ada opsi penyambungan yang berbeda untuk stator/rotor yang sama yang dapat kami bandingkan?"

5. Opsi pemodelan: dari "cukup bagus" hingga ketepatan yang tinggi

Dalam literatur, orang umumnya terbagi dalam beberapa "level" pemodelan ketika mereka berurusan dengan las dan interlock. Kuncinya adalah memilih level yang sesuai dengan tahap desain dan risiko Anda.

Berikut ini adalah perbandingan ringkas yang bisa Anda gunakan sebagai lembar contekan desain:

• Ketika Anda mencoba untuk "mengalahkan kompetisi," Anda biasanya ingin mendapatkan setidaknya L1 andal dan memiliki L2 atau L3 untuk motor andalan Anda.

6. Level 1 dalam praktik: zona material yang efektif untuk las & interlock

Ide inti di L1 sederhana: alih-alih menggambar ulang setiap pengelasan atau interlock kecil, Anda melukis "material yang terdegradasi" pada area yang terpengaruh dan membiarkan FE menangani sisanya. Pendekatan ini umum digunakan dalam penelitian modern tentang efek pemotongan dan penyambungan, di mana orang mendapatkan model degradasi yang bergantung pada jarak dan menerapkannya secara langsung pada tingkat elemen.

• Alur kerja L1 yang praktis biasanya terlihat seperti ini:
  • Langkah 1 - Dapatkan data material yang diproses
    • Mengukur inti cincin yang terbuat dari laminasi stator yang sebenarnya: tidak dilas vs dilas; dengan vs tanpa saling mengunci.
    • Ekstrak kurva B-H dan koefisien kehilangan inti untuk setiap kasus.
  • Langkah 2 - Membangun model "zona efektif"
    • Identifikasi di mana letak sambungan las/interlock (misalnya, sambungan kuk luar, pena tengah kuk, sambungan tiang rotor).
    • Tentukan zona (misalnya, ± 3-5 mm di sekitar setiap garis las atau batang kayu) di mana sifat material dimodifikasi.
  • Langkah 3 - Properti skala
    • Sesuaikan koefisien permeabilitas dan core-loss di zona-zona ini berdasarkan pengukuran Anda (misal, +10-30% kehilangan lokal, µ yang sedikit berkurang).
  • Langkah 4 - Jalankan kembali SIM EM
    • Mengevaluasi rugi-rugi total, kerapatan rugi-rugi lokal, riak torsi, dan distribusi fluks.
    • Bandingkan dengan pengukuran jika tersedia (stator tiruan dengan rotor tersumbat, misalnya).

7. Level 2: memodelkan pengelasan & pena yang saling mengunci secara eksplisit

Pada L2, Anda berhenti berpura-pura bahwa las/interlock adalah "hanya bahan lain" dan benar-benar menggambarnya. Di sinilah Anda mereproduksi pekerjaan seperti model FE 3D dari pena yang saling mengunci (dan model 2D yang setara dengan model tersebut) yang secara eksplisit menunjukkan loop arus eddy di dalam pena dan di sepanjang permukaan tumpukan.

• Pemodelan utama bergerak pada level ini:
  • 3D hanya di tempat yang penting
    • Gunakan model sektor 3D dengan beberapa slot/kutub dan detail pena/jahitan las; jangan langsung melompat ke 360° penuh.
    • Pertahankan arah ketebalan laminasi jika Anda menginginkan jalur arus eddy yang realistis.
  • Bahan terpisah untuk baja, logam las, dan pena
    • Tetapkan logam las dengan konduktivitas tinggi dan µ yang sesuai (sering kali lebih dekat dengan baja jenuh atau baja tuang).
    • Perlakukan pena sebagai wilayah terpisah yang menjembatani laminasi.
  • Menyelesaikan ketergantungan waktu dengan benar
    • Kerugian inti dari fitur-fitur ini sensitif terhadap frekuensi; gunakan solusi time-stepping atau multi-harmonik.
    • Untuk siklus drive, pra-komputasi kontribusi kerugian efektif yang bergantung pada frekuensi dan menggunakannya kembali dalam model tingkat sistem.
  • Hasil port balik menjadi 2D
    • Dari studi 3D Anda yang mahal, buatlah "peta kehilangan dan permeabilitas yang setara" yang kemudian dapat Anda terapkan sebagai tambalan material tipe L1 dalam simulasi 2D yang lebih cepat.

8. Masalah khusus rotor: las, selongsong, dan sangkar

Rotor cenderung dimodelkan lebih kasar daripada stator, tetapi pengelasan dan sambungan bisa sama pentingnya di sana - terkadang lebih, karena kecepatan periferal yang lebih tinggi dan kombinasi slot / kutub memperkuat efek lokal.

Fitur penggabungan khusus rotor yang umum meliputi:

• Batang sangkar tupai yang dilas atau dicor dan cincin ujungnya.
• Sepatu tiang yang dilas atau sambungan tiang-ke-tiang (untuk mesin dengan tiang yang menonjol).
• Selongsong penahan magnet atau garis las aksial pada rotor magnet permanen.
• Sambungan paku keling / baut pada rakitan tiang laminasi.
• Saat memodelkan pengelasan dan sambungan rotor, perhatikan hal-hal berikut ini:
  • Jembatan arus eddy antara batangan dan laminasi melalui pengelasan, yang berdampak pada perpecahan tembaga/besi rotor dan pemanasan sangkar.
  • Interaksi kemiringan + laspengelasan di dekat slot yang miring dapat mendistorsi jalur fluks lokal dan mempengaruhi riak torsi.
  • Lengan dan tekanan yang menyusutyang dapat menurunkan sifat magnet dan laminasi serta menggeser resonansi ketika digabungkan secara penuh.

9. Dari teori ke klik: alur kerja alat bantu yang agnostik

Apapun EM solver yang Anda gunakan, alur pemodelan las/interlock yang baik cenderung mengikuti tulang punggung yang sama.

Anggap saja sebagai "mengukur → mengurangi → memodelkan → memvalidasi":

• Mengukur / Mengumpulkan
  • Mengumpulkan data ring-core / Epstein untuk:
    • Bahan dasar.
    • Sampel yang hanya dipotong.
    • Potong + dilas.
    • Potong + saling bertautan (dengan pola yang berbeda, jika tersedia).
  • Jika bisa, ukurlah rugi-rugi inti pada inti stator/rotor yang dirakit sebagian sebelum penggulungan (pengaturan uji waktu singkat, eksitasi toroidal, dll.).
• Kurangi menjadi model
  • Cocok jarak-dari-fitur hukum degradasi: misalnya, fungsi µ(r), k_hyst(r), k_eddy(r) vs jarak dari garis las atau pusat batang kayu.
  • Untuk interlock, pisahkan kontribusi dari:
    • Meninju ketegangan.
    • Formasi pasak.
    • Sambungan / interlinking pasak (jalur hubung singkat).
• Model dalam EM FE
  • Menerapkan patch L1 (dan secara opsional geometri L2) dalam model EM 2D/3D stator dan rotor.
  • Menjalankan titik-titik operasi yang meliputi:
    • Nilai fluks dan frekuensi.
    • Harmonisa PWM yang berlebihan dan frekuensi tinggi jika relevan.
• Memvalidasi dan mengulang
  • Bandingkan simulasi komponen tanpa beban, rotor yang diblokir, dan komponen yang kehilangan inti terhadap pengujian (atau pengukuran inti sebelum perakitan).
  • Setel faktor degradasi (dalam batas yang wajar secara fisik) hingga Anda secara konsisten mencocokkan pengukuran kehilangan inti dan suhu.

10. Bagaimana pemodelan las/interlock mengubah keputusan desain

Setelah las dan interlock ada dalam model EM Anda, mereka tidak lagi menjadi "kejahatan yang diperlukan" dan menjadi pengungkit desain.

Alih-alih memperlakukan "dilas vs terikat vs saling mengunci" sebagai keputusan mekanis atau biaya semata, Anda dapat melihatnya sebagai variabel desain elektromagnetik:

• Dengan pemodelan yang mendetail, Anda bisa:
  • Bandingkan teknologi penggabungan secara kuantitatif
    • Contoh: penelitian telah menunjukkan bahwa inti stator berikat dapat mengurangi kehilangan inti sebesar ~20-40% dan secara signifikan mengurangi kebisingan akustik dibandingkan dengan inti yang dilas atau saling bertautan dalam desain yang identik.
  • Mengoptimalkan pola pengelasan/interlock
    • Minimalkan jumlah pasak yang saling mengunci, atau tempatkan di area dengan kerapatan fluks yang lebih rendah untuk mengurangi kehilangan ekstra sekaligus mempertahankan kekuatan mekanis.
  • Setel ketebalan kuk dan lokasi pengelasan secara bersamaan
    • Beberapa desain stator tersegmentasi menggunakan kuk tipis yang lebih sensitif terhadap ketidaksejajaran dan penempatan sambungan; model FE menunjukkan bahwa hal ini dapat meningkatkan torsi cogging dan mengubah frekuensi resonansi.
  • Menilai trade-off sisi rotor
    • Misalnya, memutuskan antara sangkar yang dilas dan cor, atau mengevaluasi apakah menambahkan selongsong penahan + las lokal sebanding dengan kemungkinan peningkatan kehilangan rotor.
• Dalam praktiknya, hal tersebut dapat membawa Anda pada keputusan seperti:
  • Beralih dari interlocking ke bonding untuk mesin traksi EV yang berefisiensi tinggi dan rendah kebisingan.
  • Mempertahankan interlock tetapi menggunakan lebih sedikit pasak yang ditempatkan secara optimal sambil memperkuat penyangga rumah.
  • Menggunakan pengelasan hanya jika benar-benar diperlukan secara mekanis, dan mendorong anil pelepas tegangan ketika penalti EM tinggi.

11. Menutup putaran: validasi, NVH, dan arahan di masa depan

Pada akhirnya, pemodelan las dan interlock tidak hanya tentang menggambar CAD yang lebih indah dan lebih banyak tentang membuat prototipe virtual Anda berperilaku seperti mesin yang sebenarnya - termasuk ketidaksempurnaannya.

Alur kerja kelas atas yang tangguh cenderung terlihat seperti ini:

• Pemeriksaan realitas tingkat paragraf dengan perangkat keras
  • Pengukuran rugi-rugi inti pra-perakitan (inti cincin, pengujian khusus stator).
  • Pengujian motor penuh: tanpa beban, rotor tersumbat, titik beban; kenaikan suhu dan pengukuran kebisingan.
• Kopling EM + struktural / NVH
  • Gunakan model EM yang sadar las/interlock untuk menghasilkan harmonisa gaya.
  • Masukkan mereka ke dalam model struktural yang juga termasuk sambungan yang dilas/terkait dan kekakuan/peredamannya.
  • Bandingkan spektrum getaran yang disimulasikan dan diukur; menyempurnakan kekakuan las/interlock dan pemodelan gaya EM.
• Pintasan berbasis data
  • Seiring dengan bertambahnya proyek, Anda dapat melatih model pengganti internal:
    • "Penalti kerugian vs pola pengelasan" untuk keluarga motor tertentu.
    • "Penalti kebisingan vs kerapatan interlock."
  • Gunakan itu untuk menyaring opsi-opsi bergabung dengan cepat sebelum Anda berkomitmen pada FE yang mendetail.
• Ke depan, penelitian sudah bergerak maju:
  • Model material yang digabungkan dengan tegangan di mana B-H dan kerugian bergantung langsung pada medan mekanik lokal, yang diintegrasikan ke dalam pemecah EM.
  • Penetapan mesh/properti otomatis dari simulasi proses (misalnya, "mengimpor tegangan sisa dari pengelasan FE ke dalam EM FE").
  • Pustaka degradasi standar untuk mutu baja dan proses penyambungan tertentu, sehingga Anda tidak perlu mengulang proses penyambungan pada setiap program.