Inti Motor 10: Slot/Kutub - Bagaimana Mereka Membentuk Pilihan Desain Stator dan Rotor

Ketika para insinyur berdebat tentang motor, mereka biasanya berbicara tentang magnet, pengisian tembaga, atau trik inverter. Namun diam-diam, di balik semua itu, ada satu sangat keputusan sederhana yang menentukan hampir semua hal:

Berapa banyak slot stator, dan berapa banyak kutub rotor, yang Anda gunakan?

Kombinasi slot/kutub tersebut menentukan apakah motor Anda berdengung dengan lancar atau berteriak, apakah magnet Anda bekerja dengan baik atau panas, dan apakah mesin Anda mudah dibuat atau menjadi mimpi buruk. Penelitian terbaru terus kembali pada kesimpulan yang sama: Pilihan slot/tiang adalah keputusan desain pertama yang harus Anda lakukan dengan benarterutama dengan mesin penggulungan terkonsentrasi slot fraksional (FSCW) modern.

• Pada akhir artikel ini, Anda akan dapat melakukannya:
  • Bacalah notasi slot/kutub seperti "12s/10p" dan segera bayangkan apa artinya untuk belitan, cogging, dan torsi.
  • Pahami bagaimana slot dan kutub bersama-sama membatasi geometri gigi stator, tata letak magnet rotor, dan rugi-rugi.
  • Bandingkan 10 kombinasi slot/tiang dunia nyata dan lihat keluarga mana yang cocok untuk EV, drone, pompa, atau penggerak langsung.
  • Ajukan pertanyaan yang lebih tajam ketika pemasok mengusulkan laminasi "standar" atau jumlah kutub rotor.

1. Slot, Tiang dan q: model mental 30 detik

Mari kita perbaiki terminologi untuk mesin 3-fase (sebagian besar yang berikut ini dapat digeneralisasi dengan mudah):

• Slot (Q) - gigi dan slot di inti stator tempat tinggal tembaga Anda.
• Kutub (2p) - kutub magnet utara / selatan di sekitar rotor (atau stator, pada beberapa topologi).
• Slot per kutub per fase (q) - rasio kunci:

[ q = \frac{Q}{m \cdot 2p} \quad \text{(dengan } m = 3 \text{untuk mesin 3-fase)} ]

Nomor tunggal ini, qmemberi tahu Anda apakah belitan Anda adalah "slot integral" (bilangan bulat q) atau "slot-pecahan" (bukan bilangan bulat q). Mesin lilitan terkonsentrasi slot pecahan (FSCW) - yang sekarang umum digunakan pada EV, dirgantara, dan generator - sengaja memilih q < 1 untuk densitas torsi tinggi dan putaran ujung pendek.

• Pilihan slot/kutub apa yang benar-benar dikontrol (dalam bahasa sederhana):
  • Kepadatan torsi - lebih banyak kutub biasanya berarti lebih banyak torsi per volume pada kecepatan rendah, tetapi juga kecepatan dasar yang lebih rendah.
  • Cogging dan riak torsi - Kombinasi tertentu memberikan denyutan torsi yang buruk; yang lain hampir "rata-rata".
  • Faktor belitan - seberapa efektif fundamental MMF Anda bertambah; kombinasi yang buruk membuang volume tembaga dan magnet.
  • Kebisingan & getaran - beberapa pola slot/kutub mendorong gaya radial yang kuat ke dalam stator, yang menyebabkan kebisingan akustik.
  • Kemampuan produksi - kompleksitas penyisipan koil, kebutuhan kemiringan, variasi laminasi, dan segmentasi magnet.

2. Slot Integral vs Pecahan: persimpangan jalan

Secara historis, motor industri besar dimulai dengan belitan terdistribusi slot integral:

• Contoh: 36 slot / 4 kutub, 3 fase
  • q = 36 / (3-4) = 3
  • Banyak kumparan kecil yang tumpang tindih → MMF yang sangat sinusoidal, konten harmonik rendah, riak torsi rendah.

Kemudian mesin PM dengan jumlah kutub tinggi dan aplikasi penggerak langsung tiba. Untuk menjaga agar tembaga tetap pendek dan menyederhanakan belitan, para perancang beralih ke belitan terkonsentrasi slot pecahan (FSCW) di mana setiap gigi membawa kumparan terkonsentrasi dan q adalah pecahan.

Ini bukan hanya perubahan mode yang berliku - secara fundamental mengubah cara kami memilih pasangan slot/tiang. Alih-alih "apa pun yang memberikan lilitan terdistribusi yang bagus", Anda sekarang menargetkan:

• Tinggi faktor belitan fundamental (≈ 0,9 atau lebih baik untuk banyak desain).
• Tinggi frekuensi torsi cogging (jadi pulsa cogging individual kecil).

• Klasifikasi mental cepat menggunakan q:
  • q ≥ 2 → Gulungan terdistribusi "klasik" (misalnya, 36/4): torsi halus, tetapi panjang tembaga lebih panjang dan belitan yang lebih kompleks.
  • 1 ≤ q < 2 → terdistribusi secara kompak atau semi-pekat; sering digunakan dalam PMSM industri.
  • 0.25 ≤ q < 1 → slot pecahan terkonsentrasimendominasi mesin PM tiang tinggi modern dan motor hub roda.
  • q < 0.25 → pecahan ekstrim; biasanya terlalu banyak kutub untuk jumlah slot, sehingga menimbulkan parasit yang kuat kecuali jika dirancang dengan sangat hati-hati.

3. Bagaimana kombinasi slot/kutub membentuk kembali desain stator

Setelah Anda memilih Q dan 2p, Anda ruang geometri stator runtuh hingga menjadi sekumpulan opsi yang lebih kecil:

• Lebar & saturasi gigi.
  • Lebih sedikit slot (Q kecil) → gigi lebar yang mungkin jenuh jika Anda mendorong kerapatan fluks, sehingga membatasi torsi.
  • Lebih banyak slot → gigi yang lebih sempit; mudah jenuh, tetapi Anda mendapatkan kontrol yang lebih baik atas bentuk MMF dan lebih banyak opsi untuk menyesuaikan bukaan slot.
• Pembukaan slot & harmonisa.
  • Rasio lebar ujung gigi terhadap bukaan slot mengontrol variasi permeansi celah udara - dan oleh karena itu torsi cogging.
  • Bukaan slot yang tertutup dan kombinasi Q/2p tertentu dapat secara drastis mengurangi cogging, tetapi dapat mempersulit pembuatan dan penyisipan.
• Jalur termal dan faktor pengisian.
  • Jumlah slot yang tinggi memberikan lebih banyak perimeter untuk panas yang keluar, tetapi juga lebih banyak antarmuka insulasi.
  • Gulungan slot pecahan dapat menyederhanakan bentuk kumparan dan meningkatkan pengemasan tembaga di setiap slot, menyeimbangkan area slot yang lebih kecil.

• Daftar periksa sisi stator saat Anda menatap pasangan slot/kutub yang diusulkan:
  • "Apakah q dalam kisaran yang nyaman (≈0,25-3) untuk jenis manufaktur dan belitan saya?"
  • "Dapatkah saya mencapai target kerapatan fluks gigi tanpa mendorong ke saturasi yang dalam?"
  • "Apakah saya memiliki area slot yang cukup untuk tembaga dan insulasi pada kerapatan arus yang saya butuhkan?"
  • "Apakah saya memerlukan trik seperti slot skew, slot dummy, atau takik gigi untuk mengatur cogging untuk kombinasi ini?"
  • "Apakah Q ini memungkinkan saya menggunakan kembali perkakas laminasi yang sudah ada, atau apakah ini menyiratkan satu set punch baru?"

4. Konsekuensi rotor yang tidak bisa Anda abaikan

Ubah kombinasi slot/kutub dan Anda mengubah seluruh pekerjaan rotorbagaimana ia membawa fluks, bagaimana ukuran dan penempatan magnet, dan harmonisa mana yang mengenai magnet dan poros.

Untuk mesin PMSM dan SPM yang dipasang di permukaanstudi komparatif terbaru menunjukkan bahwa pilihan tiang/slot sangat mempengaruhi:

• Bentuk gelombang EMF balik.
• Amplitudo dan frekuensi torsi cogging.
• Kerugian pada magnet dan inti rotor.

Untuk PM interior (IPM) atau keengganan mesin, pasangan slot/kutub yang sama menentukan di mana Anda dapat menempatkan penghalang fluks dan seberapa baik induktansi sumbu d dan q Anda terpisah - sangat penting untuk pelemahan medan.

• Pertanyaan sisi rotor untuk mengajukan proposal slot/tiang:
  • "Berapa busur kutub (rentang magnet) yang saya perlukan untuk mendapatkan torsi yang baik tanpa membuat gigi stator terlalu jenuh?"
  • "Apakah frekuensi torsi cogging cukup tinggi sehingga amplitudonya tetap kecil?" (KPK yang lebih tinggi dari slot dan kutub → frekuensi yang lebih tinggi, amplitudo yang lebih kecil.)
  • "Akankah sub-harmonik dari pasangan slot/kutub ini menyebabkan mode getaran yang mengganggu di rumah atau poros saya?"
  • "Dapatkah saya menyegmentasikan magnet atau memiringkan rotor tanpa membuat perakitan atau biaya menjadi tidak mungkin?"
  • "Apakah kombinasi ini sesuai dengan kecepatan mekanis maksimum saya (tegangan sentrifugal vs kerapatan magnet)?"

5. Sepuluh kombinasi slot/tiang dunia nyata - dan apa saja yang ada di dalamnya melakukan

Di bawah ini adalah snapshot praktis dari 10 kombinasi slot/kutub yang umum atau ilustratif untuk motor 3 fase. Ini bukan label "baik vs buruk" - ini adalah titik awal untuk memikirkan bagaimana pilihan stator dan rotor dihubungkan.

q dihitung untuk 3 fase (m = 3): q = Q / (3-2p)

Gambaran besarnya: Saat Anda meluncur dari (36/4) ke bawah menuju (48/40), Anda menukar kecepatan dengan torsi, dan "gelombang otot yang cantik" untuk mesin-mesin dengan jumlah kutub tinggi yang ringkas yang menuntut kontrol harmonik dan mekanis yang cermat.

• Ketika seseorang mengusulkan kombinasi slot/tiang, tanyakan pada diri Anda sendiri:
  • "Baris mana dalam tabel itu yang 'terasa' paling dekat?"
  • "Apakah saya lebih dekat dengan 'dunia industri 36/4' atau 'dunia direct-drive 48/40'?"
  • "Apakah teknologi laminasi dan magnet saya sudah cukup matang untuk sisi kutub tinggi dari spektrum itu?"

6. Apa yang dikatakan penelitian tentang kombinasi slot/tiang yang "baik"

Banyak penelitian akademis yang mencoba menjawab "apa pasangan slot/pole terbaik?" untuk berbagai jenis mesin. Ringkasan yang jujur adalah: itu tergantung pada prioritas Anda - tapi di sana adalah pola.

Temuan utama dari literatur terbaru tentang mesin PM dengan belitan terkonsentrasi:

• Faktor belitan tinggi + frekuensi cogging tinggi = kandidat yang kuat.
  • Studi pada mesin FSCW menunjukkan bahwa kombinasi di mana jumlah slot mendekati jumlah kutub dapat mencapai faktor belitan di atas 0,95, jika tata letaknya simetris.
  • Pada saat yang sama, kelipatan persekutuan terkecil (KPK) slot dan kutub yang tinggi meningkatkan frekuensi torsi cogging dan biasanya menurunkan amplitudonya.
• Tetapi, sebagian tata letak "faktor belitan tinggi" bisa menimbulkan masalah.
  • Karya klasik dari Libert & Soulard menunjukkan bahwa kombinasi seperti Qs = 9 + 6k dengan p = Qs ± 1 (yang mencakup 9/8) dapat memiliki riak torsi yang sangat tinggi dan gaya magnet yang tidak seimbang kecuali jika dimitigasi secara hati-hati.
• Aturan praktis desain untuk mesin BLDC/PM:
  • Salah satu pedoman yang banyak dikutip untuk BLDC adalah memastikan:
    • Jumlah slot bilangan bulat per unit belitan per fase.
    • Simetri 3 fase terpenuhi.
    • q > 0.25.
    • Faktor pitch > 0,5 dan faktor belitan keseluruhan > 0,85.
• Pengoptimalan khusus untuk aplikasi sangat penting.
  • Studi tahun 2023-2025 menunjukkan bahwa kombinasi yang "optimal" berbeda di antara:
    • Generator drone (terobsesi dengan berat dan efisiensi).
    • Mengebor PMSM (kecepatan rendah, torsi besar, pelemahan medan yang kuat).
    • Motor kipas radiator (harus ringkas, tidak berisik, dan tahan lama).
  • Dalam setiap kasus, slot/kutub dipilih bersama dengan topologi rotor, konsep pendinginan, dan batasan kontrol - tidak pernah dalam isolasi.

• Bagaimana menerjemahkan semua penelitian tersebut ke dalam satu aturan mental:
  • Mulailah dengan kombinasi itu:
    • Berikan pecahan q antara ~ 0,3 dan 0,7 jika Anda menginginkan desain FSCW yang ringkas.
    • Hindari pola "tidak seimbang" yang terkenal (misalnya, beberapa tata letak tipe 9/8) kecuali jika Anda tahu bagaimana Anda akan menangani riak torsi dan kebisingan.
    • Memiliki KPK besar (Q, 2p) untuk mendorong frekuensi cogging tinggi dan amplitudo rendah.

7. Alur kerja pemilihan praktis (stator + rotor bersama-sama)

Berikut ini adalah ramah manusia cara untuk memilih kombinasi slot/tiang untuk motor baru, yang mencerminkan apa yang sebenarnya dilakukan oleh kantor riset dan desain kelas atas.

1. Perbaiki hal-hal yang mudah terlebih dahulu
   • Target titik torsi kecepatan pada operasi terukur dan kecepatan maksimum.
   • Tentukan jenis mesin: SPM, IPM, keengganan sinkron, dll.
   • Tentukan secara kasar apakah Anda berada di "terdistribusi" (q ≥ 1) atau "pekat" (q < 1) kamp.
2. Pilih daftar pendek kandidat pasangan Q / 2p
   • Gunakan keluarga aplikasi Anda:
     • Pompa / kipas angin / tujuan umum → mulai mendekati 12/4, 24/4, 36/4.
     • Servo / aktuator ringkas → coba 12/8, 12/10, 18/16.
     • Kecepatan rendah torsi tinggi → lihat pada 24/22, 27/22, 36/30, 48/40.
   • Untuk setiap kandidat, hitunglah q dan dengan cepat menolak apa pun yang berada di luar zona nyaman manufaktur Anda.
3. Mengevaluasi kinerja sisi stator
   • Menghitung faktor belitan dan harmonisa MMF (bahkan alat analisis cepat atau spreadsheet dapat membantu).
   • Periksa mengisi slot, kerapatan fluks gigi, dan perkiraan kehilangan tembaga.
   • Identifikasi trik stator yang Anda perlukan: kemiringan, lekukan, slot tambahan, pembentukan ujung gigi.
4. Mengevaluasi kinerja sisi rotor
   • Untuk setiap kandidat, buatlah sketsa tata letak magnet, busur kutub, dan segmentasi.
   • Memperkirakan torsi cogging tingkat dan frekuensi (berbasis LCM) dan memeriksa sensitivitas aplikasi.
   • Lihatlah tekanan mekanis pada kecepatan maksimum dan implikasi pendinginan untuk magnet dan besi rotor.
5. Menjalankan FEA cepat pada 2-3 finalis saja
   • Makalah terbaru menekankan bahwa FEA adalah tempat Anda melihat kejenuhan dan kebocoran dengan benar, tetapi Anda tidak perlu mensimulasikan setiap kombinasi yang mungkin terjadi - hanya yang menjanjikan.
   • Bandingkan:
     • Torsi rata-rata dan riak torsi.
     • Bentuk dan THD gelombang elektromagnetik balik.
     • Kerugian dan titik panas termal.
6. Pilih kompromi yang "paling tidak menyakitkan"
   • Jarang sekali ada pemenang yang sempurna; pilihan terbaik adalah yang terbaik:
     • Memenuhi target kinerja dengan margin.
     • Dapat diproduksi dengan rantai pasokan laminasi, penggulungan, dan magnet Anda.
     • Meninggalkan Anda pilihan (misalnya, Anda nantinya dapat membuat bentukan gigi, menyesuaikan lengkungan tiang, atau sedikit miring tanpa mendesain ulang segalanya).

• Jika Anda tidak mengingat apa pun dari artikel ini, ingatlah ini:
  • Kombinasi slot/tiang bukan hanya keingintahuan meja yang berliku - mereka adalah tuas desain pertama yang mengunci apa yang boleh dilakukan oleh stator dan rotor Anda.
  • Setelah Anda berkomitmen pada Q dan 2p, setiap pengoptimalan selanjutnya hanyalah pengendalian kerusakan atau penyempurnaan.

8. Membawanya kembali ke "Motor Core 10"

Jika kita menganggap "Motor Core 10" sebagai keputusan desain penting kesepuluh, kombinasi slot/kutub mungkin termasuk dalam tiga besar. Segala sesuatu yang lain - kualitas magnet, kecanggihan inverter, pendinginan - dibangun di atas fondasi ini.

Jadi, lain kali lembar data dengan santai mengatakan "12-slot, 10-tiang"jangan hanya mengangguk dan melanjutkan. Berhentilah sejenak dan tanyakan:

• "Apa yang bisa saya ketahui tentang geometri gigi stator dan jalur termal?"
• "Apa yang dipaksakan untuk dilakukan oleh rotor - dalam hal busur kutub, segmentasi, dan integritas mekanis?"
• "Apakah kombinasi ini selaras dengan prioritas saya: kesenyapan, torsi, biaya, atau efisiensi?"

Setelah Anda mulai melihat kombinasi slot/tiang sebagai mendesain tuas, bukan hanya angka-angkaAnda akan merasa lebih mudah untuk mengungguli pesaing - dan memiliki percakapan yang lebih baik dan lebih membumi dengan pemasok laminasi dan produsen motor.