Inti motor 101: stator vs rotor, slot, gigi, dan besi belakang

Jika Anda pernah melihat potongan motor dan berpikir "keren... tapi apa sebenarnya yang saya lihat?" - panduan ini untuk Anda.

Kebanyakan orang berbicara tentang motor dalam hal magnet, tembaga, dan pengontrol. Namun diam-diam, bentuk inti motor - stator, rotor, slot, gigi, dan besi belakang - menentukan hal-hal seperti:

• Seberapa besar torsi yang sebenarnya Anda dapatkan
• Seberapa berisik atau halus rasanya
• Seberapa panas ia bekerja dan berapa lama ia bertahan

Di bawah cat dan plastik, hanya ada baja, tembaga, dan udara - yang disusun dengan sangat sengaja.

• Apa yang akan Anda dapatkan dari panduan ini
  • Jelas, visual model mental tentang apa arti sebenarnya dari "stator", "rotor", "slot", "gigi", dan "besi belakang"
  • Pemahaman tentang bagaimana bentuk-bentuk ini mengarahkan torsi, kebisingan, efisiensi, dan biaya
  • Kosakata yang cukup untuk melakukan percakapan cerdas dengan vendor motor atau insinyur desain
  • "Kenop" sederhana yang dapat Anda pikirkan saat memilih atau menentukan inti motor

1. Stator vs rotor: gambaran dasar

Paling sederhana, motor listrik adalah dua cincin baja dengan celah kecil di antara keduanya:

• The stator (cincin luar yang tidak bergerak) menahan belitan tembaga dan menciptakan medan magnet yang berputar ketika diberi energi.
• The rotor (cincin bagian dalam yang berputar) berada di dalam stator dan diseret oleh medan tersebut, mengubah daya listrik menjadi torsi mekanis pada poros.

Inti stator dan rotor dibuat dari laminasi tipis dari baja listrik - biasanya baja paduan silikon - yang ditumpuk seperti buku yang sangat rapat. Laminasi ini secara drastis mengurangi kerugian akibat arus pusar dan histeresis, dan inti motor modern sering menggunakan ketebalan lam di 0,1-0,5 mm jangkauan.

"Celah udara" yang terkenal antara stator dan rotor adalah kecil, tetapi secara konseptual sangat besar: membuatnya sedikit lebih besar atau lebih kecil akan mengubah seberapa keras stator harus bekerja untuk menarik fluks melewatinya, dan dengan demikian memengaruhi efisiensi, torsi, dan terkadang kebisingan akustik.

Berikut ini adalah perbandingan sekilas yang bisa Anda ingat:

• Stator vs rotor: model mental utama
  • Stator = "pemahat lapangan": itu bentuk di mana medan magnet berjalan dan seberapa kuat yaitu dengan geometri gigi, slot, dan besi belakang.
  • Rotor = "pengikut" yang mengubah medan menjadi gerakan: geometrinya menentukan bagaimana setia mengikuti bidang tersebut (riak torsi, slip, rugi-rugi, margin demag).
  • Anda dapat memikirkan desain stator karena sebagian besar tentang menciptakan lapangan yang bagus, dan desain rotor seperti tentang panen bidang tersebut dengan aman dan efisien.
  • Mengubah geometri stator ⇒ Anda sering mengubah riak torsi, NVH, dan efisiensi. Mengubah geometri rotor ⇒ Anda sering mengubah torsi puncak, rugi-rugi magnet/rotor, dan batas mekanis.

2. Slot dan gigi: tempat tembaga bertemu dengan baja

Jika Anda mengiris inti motor seperti donat, Anda akan melihat bahwa baik stator maupun rotor tidak berbentuk cincin yang mulus. Mereka "berbentuk roda gigi", dengan gigi dan slot di sekeliling lingkar.

• Gigi adalah tonjolan radial baja.
• Slot adalah celah di antara gigi tempat konduktor tembaga berada (stator) atau tempat batang rotor/magnet berada (rotor).

Mengapa harus repot-repot dengan bentuk yang begitu rumit?

Karena gigi melakukan dua hal yang sangat penting:

1. Mereka fluks konsentrat dekat celah udara, membuat medan magnet lebih kuat di tempat yang penting, meningkatkan torsi dan back-EMF per unit tembaga.
2. Mereka jangkar belitan atau magnet dalam geometri yang dapat diulang, yang sangat penting untuk kelancaran operasi dan kemampuan manufaktur.

Akan tetapi, gigi yang sama juga membuat variasi keengganan saat rotor berputar - "jalan bergelombang" magnetik yang menjadi torsi cogging dan riak torsi jika tidak dikelola dengan baik.

• Slot stator kunci & "kenop" desain gigi
  • Jumlah slot (Q)
    • Lebih banyak slot: torsi yang lebih halus, cogging yang lebih rendah, bentuk gelombang yang lebih baik, tetapi belitan yang lebih kompleks & biaya produksi yang lebih tinggi.
    • Slot yang lebih sedikit: lebih sederhana, sering kali lebih murah, tetapi bisa berarti riak torsi dan kebisingan akustik yang lebih tinggi.
  • Kombinasi slot/kutub (misalnya, 12s/10p, 9s/6p)
    • Menentukan slot per kutub per fase (q)yang sangat memengaruhi faktor belitan, torsi cogging, dan kandungan harmonik medan celah udara.
  • Bentuk slot (terbuka, setengah tertutup, tertutup sepenuhnya)
    • Slot terbuka: lebih mudah untuk angin, kebocoran lebih tinggi, berpotensi lebih tinggi; cenderung lebih murah.
    • Semi tertutup: kompromi yang baik untuk banyak motor industri.
    • Tertutup atau hampir tertutup: kebocoran rendah dan berpotensi menimbulkan kebisingan yang rendah, tetapi lebih sulit untuk diangin-anginkan dan didinginkan.
  • Lebar & tinggi gigi
    • Gigi yang lebih lebar → kapasitas fluks yang lebih besar, lebih kecil kemungkinan terjadinya kejenuhan, tetapi lebih sedikit ruang untuk tembaga dalam slot.
    • Gigi yang lebih tinggi → dapat membantu tata letak, tetapi meningkatkan panjang jalur untuk fluks dan dapat merusak kekakuan mekanis.
  • Slot liner & strategi isolasi
    • Secara langsung memengaruhi faktor pengisian tembaga, jalur termal, dan margin pelepasan parsial pada tegangan yang lebih tinggi.

3. Slot dan gigi rotor: halus namun bertenaga

Geometri rotor juga sama berpengaruhnya - meskipun rotor berputar terlalu cepat untuk Anda lihat.

Dalam motor induksislot rotor menahan batang konduktif (membentuk "sangkar tupai") yang membawa arus induksi. Dalam mesin magnet permanen (PMSM/BLDC)mereka sering menentukan di mana magnet berada, atau di mana jembatan fluks berada dalam desain magnet permanen interior (IPM).

Slot rotor dan gigi mempengaruhi:

• Bagaimana fluks melintasi celah udara dan menyebar dalam inti rotor
• Bagaimana torsi awal vs efisiensi yang dipertukarkan (untuk mesin induksi)
• Seberapa besar magnet terpapar medan harmonik dan pulsa demagnetisasi (untuk mesin PM)

Laminasi rotorseperti laminasi stator, adalah baja listrik tipis yang ditumpuk dengan nilai dan ketebalan yang dipilih dengan cermat untuk meminimalkan kehilangan inti sekaligus bertahan dari tekanan mekanis dengan kecepatan tinggi.

• Tuas desain sisi rotor yang penting
  • Jumlah slot vs jumlah slot stator
    • Kombinasi slot stator/rotor tertentu menyebabkan "harmonisa slot" yang tidak diinginkan dan riak torsi atau kebisingan. Pilihan cerdas menghindari pola resonansi yang umum.
  • Bentuk slot rotor (dalam, miring, semi-tertutup)
    • Slot yang dalam dan miring pada motor induksi meningkatkan torsi awal dan secara signifikan mengurangi kebisingan dan riak torsi, dengan mengorbankan efisiensi.
  • Penempatan magnet (permukaan vs interior)
    • Magnet yang dipasang di permukaan: lebih sederhana, densitas torsi tinggi tetapi biasanya memiliki cogging yang lebih tinggi dan risiko tekanan mekanis pada kecepatan.
    • Magnet interior: pembentukan medan yang lebih baik, rentang kecepatan daya konstan yang lebar, penahanan mekanis pada RPM tinggi, tetapi geometri lam yang lebih kompleks.
  • Hambatan dan jembatan fluks (motor IPM)
    • Rongga yang dibentuk dengan hati-hati pada inti rotor mengarahkan fluks sehingga torsi sebagian besar berasal dari keengganan dan torsi magnet secara bersamaan. Perubahan kecil pada bentuk ini dapat membuat perbedaan besar dalam performa dan kebisingan.
  • Margin mekanis pada kecepatan
    • Pola lubang, alur pasak, kantong magnet, dan kemiringan semuanya mengurangi penampang efektif untuk kekuatan, sehingga desain rotor selalu menyeimbangkan antara kinerja magnet dan margin kecepatan ledakan.

4. Besi belakang (kuk): tulang punggung yang tenang dari sirkuit magnetik

"Besi belakang" atau kuk adalah cincin baja di belakang gigi, jauh dari celah udara. Ini adalah jalur balik untuk fluks magnetik:

1. Medan meninggalkan gigi stator, melintasi celah udara, melewati rotor,
2. Mengembalikan melalui besi belakang rotor,
3. Melintasi celah udara lagi di gigi yang lain,
4. Kemudian mengalir melalui besi / kuk belakang stator untuk menyelesaikan putaran.

Desain besi belakang yang baik adalah tentang tidak menghalangi dari fluks itu:

• Terlalu tipis → kerapatan fluks menjadi tinggi, baja menjadi jenuh, torsi berhenti meningkat dengan arus, kerugian meroket.
• Terlalu tebal → Anda mengangkut baja ekstra dan biaya yang mahal dengan keuntungan yang kecil.

Karena besi belakang stator sering berfungsi ganda sebagai bingkai mekanis dan permukaan pemasangan, geometrinya harus menyulap persyaratan magnetik, mekanis, dan termal secara bersamaan.

• Setrika belakang: apa yang harus Anda perhatikan
  • Target kerapatan fluks
    • Banyak desain yang bertujuan untuk menjaga kerapatan fluks besi belakang pada pita yang menyeimbangkan kemampuan torsi vs kehilangan (sering kali berada di kisaran ~1,2-1,7 T tergantung pada kelas baja dan aplikasi).
  • "Titik jepit" lokal di bawah gigi dengan beban tinggi
    • Daerah torsi tinggi (misalnya, belitan yang terkonsentrasi) dapat menciptakan kejenuhan lokal tepat di bawah gigi tertentu sementara sisa kuknya baik-baik saja. FEA cenderung mengungkapkan hal ini dengan cepat.
  • Rumah terpisah dan fitur perakitan
    • Lubang baut, rusuk, potongan untuk kabel, dan jalur pendinginan semuanya memakan penampang besi belakang; semuanya harus ditempatkan sedemikian rupa sehingga tidak mencekik loop fluks utama.
  • Besi belakang rotor di bawah magnet
    • Pada mesin PM, besi belakang rotor harus cukup tebal sehingga magnet "melihat" jalur keengganan rendah; terlalu tipis dan magnet menjenuhkan rotor, membuang potensi magnet dan berisiko demagnetisasi dalam kondisi gangguan.

5. Satu siklus kelistrikan: bagaimana stator, rotor, slot, gigi, dan besi belakang bekerja bersama

Mari kita lihat animasi mental yang sangat disederhanakan dari motor PM 3-fase selama satu siklus listrik:

Bayangkan satu gigi stator. Di sekelilingnya, dalam slot di kedua sisinya, terdapat tembaga yang termasuk dalam suatu fase. Ketika fase itu diberi energi:

• Arus mengalir di dalam kumparan, mengubah gigi itu menjadi elektromagnet yang kuat.
• Fluks meninggalkan permukaan gigi, melintasi celah udara, masuk ke magnet rotor atau gigi, menyebar ke inti rotor/besi belakang, dan kembali melalui gigi lain dan besi belakang stator.

Sekarang bayangkan tiga fase menembak secara berurutan. Pola "gigi mana yang diberi energi" berputar di sekitar stator:

• Untuk magnet rotor, ini terlihat seperti medan magnet yang berputar.
• Rotor mencoba mengikuti medan putar ini; pada mesin PM, rotor mengunci dengan slip kecil, pada mesin induksi, rotor mengejarnya dengan beberapa slip.

Detailnya - seberapa kuat torsi, seberapa halus putarannya, dan seberapa panas inti mesinnya - semuanya diatur olehnya:

• Berapa banyak area yang dimiliki permukaan gigi sebelum jenuh
• Bagaimana bentuk slot dan kombinasi slot/kutub membentuk harmonisa di lapangan
• Seberapa tebal besi belakang dan seberapa baik besi tersebut membawa fluks balik

• Urutan peristiwa selama satu siklus (disederhanakan)
  • Gigi fase A sangat tereksitasi → fluks memuncak melalui gigi tersebut dan daerah rotor yang sesuai.
  • Saat arus berputar (A → B → C), gigi yang berdekatan mengambil alih, dan "titik panas" fluks berbaris di sekeliling lingkar stator.
  • Magnet rotor atau konduktor sangkar melihat vektor medan yang berputar dan menghasilkan torsi yang berusaha menyelaraskan dengan vektor tersebut.
  • Pada setiap momen, sebagian gigi dan daerah kuk mendekati kejenuhan, sebagian lagi terisi ringan - polanya sangat bergantung pada slot, gigi, dan geometri besi belakang.
  • Selama banyak siklus, kerugian pada gigi dan besi belakang (histeresis, arus pusar) berubah menjadi panas; ketebalan laminasi dan kualitas baja dipilih untuk meminimalkan hal ini sementara masih dapat diproduksi.

6. Bagaimana pilihan geometri ini muncul di dunia nyata

Semua ini mungkin terasa abstrak sampai Anda menghubungkannya dengan apa yang sesungguhnya Anda alami dari sebuah motor:

• Kepadatan torsiberapa torsi yang Anda dapatkan per satuan ukuran/berat
• NVH (kebisingan, getaran, kekerasan): betapa "cengeng" atau "cengeng" rasanya
• Efisiensi & jangkauan (untuk mobil listrik, robotika, baterai)
• Ruang kepala termal dan keandalan

Produsen secara diam-diam menyesuaikan slot, gigi, dan besi belakang untuk mencapai trade-off yang mereka inginkan.

Sebagai contoh:

• Lebih dari itu, gigi yang lebih sempit (jumlah slot yang lebih tinggi) dengan kombinasi slot/tiang yang baik dapat secara dramatis mengurangi torsi cogging dan kebisingan akustik.
• Menggunakan baja laminasi bermutu lebih tinggi dan tumpukan lam yang lebih tipis dapat memotong kerugian intiterutama pada frekuensi tinggi (kecepatan listrik tinggi), meningkatkan efisiensi.
• Geometri slot rotor yang dioptimalkan dengan hati-hati atau penempatan magnet dapat memberikan efisiensi vs kecepatan kurva atau lebih banyak wilayah daya konstan yang dapat digunakan.

• Jika Anda ingin... maka geometri inti Anda harus condong ke arah...
  • Pengoperasian tanpa suara bisik (misalnya, peralatan premium, sepeda elektronik)
    • Jumlah slot stator yang lebih tinggi dengan kombinasi slot/pole pecahan yang meminimalkan cogging.
    • Slot rotor miring atau magnet untuk menghilangkan harmonisa riak torsi.
  • Torsi kecepatan rendah yang brutal (misalnya, penggerak industri, EV off-road)
    • Penampang gigi dan besi belakang yang besar untuk menghindari kejenuhan pada arus tinggi.
    • Geometri magnet atau batang rotor dioptimalkan untuk menjaga torsi tetap tinggi tanpa panas berlebih.
  • Kecepatan sangat tinggi (misalnya, spindel, kompresor turbo)
    • Rotor dengan massa yang dikontrol dengan hati-hati dan penahanan yang kuat (IPM atau magnet yang terkubur; "lubang" kecil pada besi belakang rotor).
    • Slot stator dibentuk untuk menjaga agar rugi-rugi dan tegangan tetap terkendali pada frekuensi listrik yang tinggi.
  • Biaya rendah dan pembuatan yang mudah
    • Jumlah slot sedang, bentuk slot sederhana, kualitas laminasi yang bagus tetapi tidak eksotis.
    • Stator dan rotor didesain untuk stamping dengan sisa yang minimal dan mudah ditumpuk.

7. Pertanyaan yang perlu diajukan kepada pemasok motor (yang menunjukkan kepada Anda benar-benar memahami inti)

Anda tidak perlu menjadi orang yang menjalankan FEA untuk terdengar sangat kompeten dalam tinjauan desain. Beberapa pertanyaan yang ditargetkan dengan baik tentang stator, rotor, slot, dan besi belakang akan segera menandakan bahwa Anda berpikir lebih dari sekadar "kW dan RPM".

• Pertanyaan-pertanyaan praktis yang berpusat pada geometri
  • "Apa kombinasi slot / kutub yang Anda gunakan, dan bagaimana Anda memilihnya sehubungan dengan torsi cogging dan harmonisa?"
  • "Apa tingkat dan ketebalan laminasi yang Anda gunakan untuk stator dan rotor, dan bagaimana hal tersebut berdampak pada rugi-rugi inti pada kecepatan operasi kami?"
  • "Apa target Anda? kepadatan fluks pada gigi stator dan besi belakang pada torsi terukur? Di mana Anda paling dekat dengan kejenuhan?"
  • "Apakah rotor miring? Jika ya, berapa banyak slot pitch, dan trade-off apa yang Anda buat antara torsi dan NVH?"
  • "Bagaimana Anda mengelola jalur termal dari gigi dan besi belakang ke dalam rumah - apakah ada titik panas yang diketahui di dalam inti di bawah beban puncak?"
  • "Jenis apa Validasi FEA sudah Anda lakukan untuk saturasi lokal pada kuk dekat fitur pemasangan atau saluran pendingin?"
  • "Jika kami meminta torsi puncak +10%, di mana desain Anda akan mengalami hambatan pertama kali: gigi, slot, besi belakang, atau rotor?"

8. Membungkusnya

Jika Anda melucuti motor listrik hingga ke intinya, Anda akan mendapatkannya:

• Dua cincin dari baja laminasi
• Sebuah pola slot dan gigi yang memandu tembaga dan fluks
• A besi belakang struktur yang secara diam-diam menutup loop magnetik

Tetapi cara cincin dan gigi tersebut disusun adalah di mana keajaiban - dan keunggulan kompetitif - benar-benar hidup.

• Statormembentuk bidang yang berputar dan membawa sebagian besar tembaga.
• Rotormengubah bidang itu menjadi kerja mekanis dan menahan magnet atau batang.
• Slot & gigimenentukan seberapa bersih torsi yang dihasilkan dan seberapa berisik motor tersebut.
• Besi belakangmenentukan seberapa nyaman fluks mengalir dan seberapa dekat Anda mencapai tepi kejenuhan.