Tumpukan laminasi SRM: bentuk gigi dan pengurangan kebisingan

Jika kita mengesampingkan trik-trik pengendalian dan strategi pemasaran, sebagian besar masalah akustik dalam SRM pada dasarnya disebabkan oleh satu hal sederhana: tumpukan laminasi Berperilaku seperti cangkang tipis yang bergetar, dan bentuk gigi menentukan harmonik gaya mana yang paling kuat mengenai cangkang tersebut. Anggap kedua bagian tersebut sebagai satu masalah desain yang terhubung, dan Anda biasanya dapat memperoleh pengurangan kebisingan beberapa desibel tanpa mengorbankan banyak torsi atau efisiensi.

Tumpukan laminasi adalah speaker yang sebenarnya.

Studi getaran lama pada SRM empat fase telah menunjukkan bahwa kebisingan udara dominan disebabkan oleh deformasi tumpukan lempengan stator, bukan oleh rotor atau rumahnya sendiri. Permukaan gigi mengalami gaya elektromagnetik radial yang kuat; gaya-gaya tersebut mengaktifkan mode cincin dan mode gigi lokal pada tumpukan lempengan, dan baja berubah menjadi radiator akustik yang sangat efisien.

Penelitian multiphysics yang lebih baru menghubungkan hal ini dengan spektrum ruang-waktu dari gaya radial. Gaya gigi dapat diuraikan menjadi urutan spasial di sekitar celah udara dan urutan temporal yang terkait dengan frekuensi switching dan kecepatan mekanis. Ketika urutan temporal dari gaya radial bertepatan dengan mode struktural yang memiliki pola spasial yang sama pada stator, terjadi lonjakan getaran. Pada SRMs, hal ini sering terjadi pada harmonik gaya dengan urutan (3N_0 ± 1) di sekitar lingkar, yang muncul sebagai puncak kebisingan yang jelas dan hampir tidak bergerak dengan kecepatan.

Jadi, sementara semua orang membicarakan "SRM noise" secara umum, pekerjaan pada tingkat laminasi dan gigi lebih presisi. Anda berusaha untuk mengubah distribusi gaya radial sehingga harmonik terkuat either berpindah dari mode struktural yang sensitif atau tersebar cukup luas sehingga tidak lagi menggerakkan mode mana pun secara efisien.

Dasar-dasar tumpukan laminasi yang secara diam-diam mendominasi NVH

Desainer biasanya menetapkan ketebalan yoke, panjang tumpukan, dan kesesuaian bingkai sejak awal, karena alasan saturasi dan termal, dan kemudian menerima perilaku akustik apa pun yang dihasilkan. Hal ini memang praktis, tetapi menyembunyikan banyak potensi yang dapat dimanfaatkan.

Penelitian tentang getaran stator menunjukkan bahwa ketebalan yoke dan panjang tumpukan dapat memindahkan mode lingkar utama hingga ratusan hertz. Yoke yang lebih tebal dapat meningkatkan frekuensi alami dan mendorong mode terburuk di atas rentang eksitasi elektromagnetik utama, terutama pada mesin berkecepatan tinggi. Pada saat yang sama, cara lempengan dipasang atau direkatkan ke rangka mengontrol redaman dan kondisi batas. Cangkang yang kaku dengan pelat ujung memberikan bentuk mode yang sangat berbeda dibandingkan tumpukan yang dipasang longgar dengan batang pengikat.

Untuk pekerjaan berbentuk gigi, hal ini penting karena Anda tidak mendesain berdasarkan frekuensi abstrak. Anda mendesain berdasarkan peta mode aktual dari perakitan bertumpuk spesifik tersebut. Jika Anda mengubah metode perakitan bertumpuk, ujung gigi yang telah disesuaikan dengan indah mungkin tiba-tiba mengalirkan energi ke set mode yang berbeda. Itulah mengapa optimasi geometri gigi yang mengabaikan model modal stator yang dirakit cenderung mengecewakan saat Anda membangun hardware.

Geometri gigi sebagai filter spektral

Setelah struktur tumpukan dipahami, bentuk gigi menjadi cara untuk menyesuaikan kembali spektrum gaya radial daripada hanya sebagai pengatur densitas fluks.

Studi analitis dan numerik pada SRMs menunjukkan bahwa densitas gaya radial pada setiap gigi secara kasar berbanding lurus dengan kuadrat densitas fluks celah udara lokal. Densitas fluks itu sendiri sangat sensitif terhadap bentuk ujung gigi dan saturasi lokal. Artinya, perubahan geometris kecil pada ujung dan akar gigi dapat menghasilkan perubahan yang cukup besar dalam distribusi spasial gaya radial, tanpa dampak dramatis pada torsi rata-rata.

Beberapa pola muncul secara konsisten dalam literatur dan dalam penyesuaian praktis:

Ujung gigi yang halus dan bulat dengan busur kutub yang dipilih dengan cermat cenderung melembutkan gradien induktansi di dekat posisi sejajar. Hal ini mengurangi puncak tajam pada gaya radial saat arus masih tinggi. Kutub rotor melengkung yang dipasangkan dengan ujung gigi stator yang sesuai telah terbukti secara eksperimental dapat mengurangi gaya radial dan kebisingan akustik sambil kehilangan kurang dari sekitar setengah persentase dalam efisiensi pada beberapa mesin 8/6.

Chamfer pada ujung gigi atau lekukan kecil di dekat tepi mengubah permeabilitas lokal pada tumpang tindih sebagian. Jika dilakukan dengan tujuan harmonik yang jelas, fitur-fitur ini dapat mengurangi urutan spasial tertentu pada gaya radial, dengan biaya penumpukan fluks tambahan di tempat lain. Penelitian yang menggabungkan pembentukan gigi semacam ini dengan sudut komutasi yang disesuaikan melaporkan pengurangan kebisingan yang signifikan tanpa penalti yang ekstrem pada riak torsi.

Perbedaan lebar gigi atau pengenalan pola gigi ganda di sekitar stator mengganggu periodisitas sempurna medan gaya. Studi terbaru tentang modifikasi stator-rotor gigi ganda menyoroti kombinasi gigi trapezoidal, jembatan kutub, dan pembentukan ujung yang mengurangi kebisingan sambil mempertahankan kinerja elektromagnetik yang dapat diterima untuk sistem penggerak skala otomotif. Anda dapat memandang pola-pola ini sebagai "defek" yang dikendalikan yang secara sengaja menyebarkan gaya radial ke beberapa urutan spasial daripada satu urutan dominan.

Tidak ada dari trik-trik ini yang berfungsi secara terpisah. Jika ujung gigi dipindahkan, bentuk gelombang arus yang sebelumnya optimal tidak lagi tepat, karena profil induktansi terhadap sudut telah berubah. Itulah mengapa geometri gigi akhir hampir selalu muncul dari siklus yang melibatkan perhitungan medan dan metrik NVH sederhana, bukan optimasi statis tunggal.

Sisi rotor: pembentukan slot dan kutub untuk mengurangi kebisingan dan hambatan angin.

Geometri rotor sering dioptimalkan terlebih dahulu untuk kepadatan torsi dan kerugian angin. Suara bising ikut serta dalam proses tersebut. Pada SRM dengan rentang kecepatan sangat tinggi, terutama mesin traksi yang beroperasi di atas 10.000 rpm, kerugian gesekan angin pada slot rotor yang lebar tidak dapat diabaikan. Studi tahun 2025 tentang SRM traksi untuk kendaraan tiga roda menunjukkan bahwa mengurangi area slot dengan bentuk slot rotor yang dimodifikasi dapat mengurangi kerugian gesekan angin sekaligus meningkatkan perilaku akustik, setelah perubahan gaya radial yang dihasilkan diidentifikasi dalam simulasi kebisingan lengkap dan diverifikasi secara eksperimental.

Penelitian lain pada SRM 8/6 telah menguji kelengkungan ujung kutub rotor dan profil kutub multi-segmen. Dengan menghaluskan lengkung kutub efektif dan menghindari saturasi yang tajam di sisi gigi, desain tersebut mengurangi puncak gaya radial dan daya suara yang terkait, dengan dampak yang dapat diabaikan terhadap efisiensi dan kemampuan torsi.

Dari sudut pandang tumpukan laminasi, rotor sebenarnya merupakan sumber rangsangan spasial yang dapat diprogram. Jika Anda mengubah bentuk gigi rotor tanpa memeriksa orde spasial mana yang Anda perkuat, Anda mungkin menghilangkan satu bunyi berisik dan menciptakan yang lain, hanya pada frekuensi yang berbeda. Cara yang lebih baik adalah mengekstrak spektrum gaya radial pada gigi stator untuk setiap bentuk rotor calon, mencocokkannya dengan peta mode stator, dan menolak bentuk apa pun yang meningkatkan kandungan gaya di dekat mode sensitif, meskipun riak torsi-nya terlihat sedikit lebih baik.

Pergeseran dalam tumpukan: lebih dari sekadar "menghaluskan fluktuasi torsi"

Skewing sering kali diperkenalkan sebagai solusi umum untuk mengatasi getaran torsi dan kebisingan akustik, tetapi detail tentang cara tumpukan laminasi disesuaikan sangat penting.

Dalam praktiknya, kemiringan pada SRM biasanya dibuat dengan memutar lempengan berturut-turut dengan sudut kecil, sehingga tumpukan membentuk heliks aksial. Hal ini dapat dilakukan pada stator, rotor, atau keduanya. Eksperimen dengan SRM fase tunggal dan tiga fase menunjukkan bahwa menggabungkan skew stator dan rotor dapat secara signifikan mengurangi getaran dan kebisingan akustik, dengan konsekuensi penurunan torsi rata-rata dan peningkatan kebocoran fluks aksial. Ulasan tentang lempengan skew melaporkan pengurangan kebisingan sebesar beberapa desibel untuk konfigurasi skew berlapis-lapis, yang sudah terasa di dalam kabin kendaraan.

Untuk desain tumpukan laminasi, ini berarti skew bukan hanya sekadar pengaturan; melainkan pergeseran fase antara medan gaya radial sepanjang arah aksial. Gaya efektif yang mencapai mode stator tertentu adalah penjumlahan aksial dari kontribusi-kontribusi berfase ini. Jika mode dominan Anda memiliki bentuk aksial yang relatif seragam, maka skew pitch yang mendekati satu pitch stator akan menyebabkan interferensi destruktif pada harmonik spasial utama dan membantu. Jika Anda memiliki mode dengan variasi aksial yang kuat, skew seragam sederhana mungkin tidak banyak membantu, dan Anda lebih baik menggunakan skew bertahap atau pola campuran di mana bagian-bagian tumpukan memiliki skew yang berbeda.

Ada juga aspek mekanisnya. Pergeseran laminasi mengubah cara gigi membagi beban melalui tumpukan dan mungkin sedikit mengubah bentuk mode itu sendiri, terutama pada mesin dengan panjang aksial yang pendek. Hal ini juga mempersulit proses manufaktur, penumpukan, dan penyelarasan slot untuk kumparan atau saluran pendingin. Oleh karena itu, keuntungan yang diperoleh harus diukur terhadap kendala praktis ini, bukan hanya terhadap model FEA yang bersih.

Perbandingan taktik gigi dan tumpukan yang umum

Tabel di bawah ini merangkum beberapa taktik laminasi dan geometri gigi yang umum digunakan serta pengaruh tipikalnya terhadap gaya, kebisingan, dan torsi, berdasarkan tren yang dilaporkan dalam penelitian SRM terbaru dan praktik industri.

Angka-angka ini sengaja dibuat samar, karena keuntungan yang tepat sangat bergantung pada ukuran mesin, kombinasi pole/slot, dan seberapa tajam spektrum gaya dan struktural saling bersilangan. Hal yang berguna adalah arahnya: knob desain mana yang cenderung memengaruhi bagian mana dari sistem yang terhubung.

Trik perakitan tumpukan yang sering dilewatkan oleh model

Banyak model yang diterbitkan menganggap tumpukan lempengan stator sebagai tumpukan yang direkatkan atau diklem secara sempurna pada bingkai. Dalam kenyataannya, Anda mungkin menemukan kontak sebagian, celah kecil, atau area di mana vernis dan tab pengunci dominan dalam kekakuan. Studi mekanis eksperimental pada stator SRM menunjukkan bahwa kondisi batas nyata dapat memindahkan frekuensi alami hingga puluhan persen dibandingkan dengan dukungan ideal.

Untuk mitigasi kebisingan, hal ini berarti beberapa hal praktis. Keseragaman tumpukan laminasi memengaruhi bentuk mode aksial. Jika setiap paket laminasi sedikit tidak sejajar, Anda secara tidak sengaja memperkenalkan kemiringan lokal dan variasi kekakuan yang dapat membantu atau merugikan. Kemiringan acak cenderung menambah redaman tetapi juga dapat mengaktifkan mode asimetris yang tidak ada dalam model.

Gaya penjepit juga penting. Gaya penjepit yang tinggi dapat menekan tumpukan, meningkatkan gesekan antara lapisan, dan menambah peredaman, tetapi juga dapat memindahkan mode ke frekuensi yang lebih tinggi. Pengisian resin atau bahan pengisi antara tumpukan dan bingkai dapat memberikan peredaman yang kuat pada beberapa frekuensi, tetapi juga dapat menciptakan mode terhubung baru dengan rumah pada frekuensi lain. Jarang sekali semuanya baik atau buruk, dan Anda hanya akan melihat kompromi tersebut setelah merakit dan menguji.

Jadi, saat Anda menyesuaikan bentuk gigi dalam FEA, ada baiknya Anda mundur sejenak dan memeriksa apakah kondisi batas yang Anda asumsikan sesuai dengan proses perakitan yang sebenarnya digunakan oleh pabrik. Terkadang, perubahan kecil dalam cara tumpukan ditekan ke dalam rangka dapat memberikan pengurangan kebisingan yang lebih besar daripada putaran lain dalam penyempurnaan ujung gigi.

Proses desain yang realistis untuk bentuk gigi dan tumpukan laminasi

Sebagian besar tim sudah memiliki model elektromagnetik 2D atau 3D dari SRM dan kemungkinan model struktural terpisah untuk stator dan housing. Bagian yang biasanya hilang adalah hubungan yang erat antara keduanya di permukaan gigi. Sebuah loop praktis mungkin terlihat seperti ini, tanpa berusaha untuk sempurna secara matematis.

Pertama, tentukan desain tumpukan laminasi awal: ketebalan yoke, panjang tumpukan, kesesuaian bingkai, dan konsep penjepitan. Lakukan analisis modal struktural pada model stator–rumah–kumparan yang telah dirakit, dan catat mode utama yang memiliki pergerakan gigi radial signifikan pada rentang frekuensi kunci untuk aplikasi Anda. Tujuan utama adalah mengidentifikasi sejumlah kecil mode "sensitif" daripada menganalisis puluhan nilai eigen.

Kemudian, gunakan model elektromagnetik Anda untuk menghitung distribusi gaya radial pada setiap gigi selama satu atau dua siklus listrik pada beberapa titik operasi. Proyeksikan gaya-gaya tersebut ke bentuk mode spasial yang Anda minati. Hal ini memberi tahu Anda bagian mana dari spektrum gaya radial yang sebenarnya memompa energi ke mode nyata, bukan hanya harmonik yang ada secara teoritis.

Dengan peta tersebut di tangan, mulailah menyesuaikan geometri gigi dan rotor. Ujung yang bulat, chamfer, busur kutub yang dimodifikasi, dan pola gigi ganda semuanya menjadi cara untuk mengurangi proyeksi gaya radial pada bentuk mode sensitif, meskipun magnitudo gaya total hampir tidak berubah. Perubahan skew dan yoke berada dalam lingkaran yang sama: mereka mengubah sisi struktural daripada sisi elektromagnetik.

Yang membantu dalam praktik bukanlah optimasi berlebihan terhadap satu variabel desain, melainkan memantau bagaimana setiap perubahan memengaruhi tiga parameter secara bersamaan: harmonik gaya dominan, mode struktural dominan, dan metrik akustik sederhana seperti daya suara atau tingkat A-weighted keseluruhan dalam rentang frekuensi sempit di sekitar suara mengganggu. Prototipe berurutan, bahkan pada skala yang lebih kecil, memberikan wawasan yang jauh lebih baik daripada mencoba memaksakan setiap keputusan melalui satu optimizer multi-objektif.

Pikiran penutup

Jika Anda sedang bekerja pada SRM dan angka kebisingan pada datasheet terasa tidak nyaman, mungkin tergoda untuk lebih fokus pada bentuk gelombang arus dan strategi konverter. Alat-alat tersebut masih berguna. Namun, penelitian selama beberapa dekade terakhir menunjukkan hal lain: ketika Anda melihat tumpukan laminasi sebagai cangkang elastis yang digerakkan oleh gaya radial pada tingkat gigi, geometri gigi dan desain tumpukan berhenti menjadi "gambar detail" dan menjadi permukaan kontrol NVH utama. Memastikan elemen-elemen tersebut tepat akan mengurangi daftar masalah akustik yang perlu diperbaiki melalui perangkat lunak dan memberikan tim kontrol mesin yang jauh lebih mudah untuk ditangani.