Apa itu faktor tumpukan dan bagaimana pengaruhnya terhadap kepadatan daya pada motor?

Faktor tumpukan adalah rasio yang menunjukkan seberapa besar bagian tumpukan stator atau rotor yang sebenarnya terbuat dari baja magnetik dan seberapa besar yang terdiri dari lapisan, lem, dan udara terperangkap. Meskipun terdengar sepele, faktor ini secara langsung membatasi fluks yang dapat Anda gunakan, kerugian yang dapat Anda toleransi, dan oleh karena itu daya yang dapat Anda peroleh dari diameter luar dan panjang tertentu. Jika Anda salah menghitungnya, Anda akan kehilangan beberapa persen densitas daya tanpa mengubah satu putaran lilitan pun.

Definisi singkat, tanpa penjelasan yang berbelit-belit.

Secara resmi, faktor tumpukan (juga disebut laminasi Faktor ruang (atau faktor ruang) adalah rasio antara luas penampang efektif bahan magnetik dan luas penampang geometris total inti laminasi.

Jika Anda lebih suka ditulis dalam simbol, salah satu ungkapan yang umum adalah

kst = Airon / Agross = liron / (liron + lair)

di mana pembilang tidak hanya mencakup udara tetapi juga lapisan pelapis dan perekat sepanjang panjang tumpukan.

Karena isolasi dan celah tidak pernah menghantarkan fluks yang berguna, kst selalu di bawah 1. Tumpukan baja listrik tipikal untuk mesin dan transformator berkisar antara sekitar 0,90 dan 0,98, tergantung pada ketebalan laminasi, jenis pelapis, dan seberapa keras tumpukan tersebut dikompresi. Inti amorf berada sedikit lebih rendah, sekitar 0,8, yang sudah diketahui oleh para desainer bahwa hal ini menyebabkan kepadatan fluks yang lebih tinggi untuk area inti yang sama.

Jadi, angka itu sendiri cukup sederhana. Bagian yang menarik adalah apa yang secara diam-diam dilakukannya terhadap densitas daya saat Anda beralih dari gambar ideal ke baja sebenarnya.

Mengapa densitas daya memperhatikan rasio ini?

Mulailah dengan diameter stator luar yang tetap, panjang aksial yang tetap, dan titik tegangan-kecepatan yang diberikan. Anda sudah tahu bahwa hal itu menentukan fluks celah udara per kutub yang diperlukan jika Anda ingin tegangan balik (back-EMF) tertentu pada kecepatan dasar. Fluks tersebut harus melintasi inti stator dan rotor, yang berarti kepadatan fluks rata-rata tertentu pada lempengan-lempengan.

Namun, densitas fluks dalam baja tidak didasarkan pada penampang geometris; melainkan didasarkan pada efektif Area baja. Jika model CAD Anda mengasumsikan baja padat, Anda secara implisit mengasumsikan kst = 1Kenyataan biasanya memberikan nilai 0,95, 0,96, mungkin lebih rendah. Jadi, untuk fluks yang sama, nilai aktual (B) dalam baja ditingkatkan sekitar 1/kst.

Sekarang hubungkan hal itu dengan kepadatan daya. Pada beban arus tertentu, torsi berbanding lurus dengan fluks per kutub dan volume aktif. Jika Anda mengurangi area baja yang dapat digunakan (faktor tumpukan lebih rendah) sambil mempertahankan volume geometris dan beban listrik tetap, Anda akan mendekatkan baja ke titik saturasi dan meningkatkan kerugian inti. Pada titik tertentu, Anda harus mengurangi fluks atau arus atau keduanya untuk menjaga efisiensi dan suhu tetap terkendali. Pengurangan tersebut正是 di mana Anda kehilangan kepadatan daya.

Kerugian inti sangat nonlinier dengan densitas fluks. Banyak baja mengikuti hukum B² hingga B²⁵ di frekuensi yang kita perhatikan. Jadi, peningkatan kecil dalam (B) akibat faktor tumpukan yang sedikit lebih buruk dapat menyebabkan lonjakan yang signifikan dalam kerugian besi. Saat merancang motor dalam rentang 5–20 kW/L, lonjakan tersebut adalah sesuatu yang tidak bisa diabaikan begitu saja.

Satu desain, dua faktor tumpukan: pemeriksaan realitas numerik yang cepat

Ambil contoh yang sangat biasa. Misalkan Anda merancang sebuah motor dengan asumsi:

• Luas penampang stator fisik: Abruto
• fluks per kutub: Φ sedemikian rupa sehingga densitas fluks rata-rata pada faktor tumpukan yang Anda asumsikan sebesar 0,96 adalah 1,6 T

Jadi, asumsi desainnya adalah

B1 = Φ / (k1 * A(gross) = 1,6 T, k1 = 0,96

Saat ini, kondisi produksi memberikan faktor tumpukan yang terukur sebesar 0.92 karena lapisan laminasi sedikit lebih tebal, terdapat sedikit gelombang, dan proses perekat menambahkan lem di tempat yang tidak direncanakan.

Aliran yang sama melalui area baja yang kurang efektif berarti

B2 = Φ / (k2 * A(gross) = B1 × (k1 / k2) = 1,6 × (0,96 / 0,92) ≈ 1,67 T

Itu hanya peningkatan densitas fluks sebesar 4,31 TP6T. Tidak terlalu signifikan pada pandangan pertama. Namun, jika kerugian inti berbanding lurus dengan B² hingga B².¹, Anda akan menghadapi kerugian besi tambahan sebesar 9–111 TP6T pada stator pada titik operasi yang sama.

Jika Anda memilih untuk mempertahankan kerugian di level yang awalnya diinginkan, Anda harus mengurangi Φ dengan faktor yang sama, sehingga menghasilkan sekitar 4% lebih sedikit fluks per kutub. Hal ini secara langsung mengurangi torsi dan daya kontinu untuk ukuran bingkai yang sama. Kepadatan daya turun sekitar persentase yang sama.

Untuk membuat ini lebih konkret, berikut adalah perbandingan ringkas. Angka-angka ini bersifat perkiraan, tetapi rasionya yang penting.

Penurunan daya kontinu sebesar 4% dari rangka dan sistem pendingin yang sama bukanlah hal yang aneh di laboratorium; pada kepadatan daya EV atau traksi, itu berarti beberapa kilogram tambahan pada motor atau margin termal tambahan yang tidak Anda rencanakan untuk digunakan.

Bagaimana proses manufaktur sebenarnya menentukan faktor tumpukan.

Dalam dunia dokumentasi, faktor tumpukan adalah nilai skalar yang praktis yang dimasukkan ke dalam persamaan. Di bengkel, itu adalah hasil akhir dari beberapa detail yang rumit.

Ketebalan laminasi dan jenis lapisan pelindung menjadi prioritas utama. Ketebalan laminasi yang lebih tipis dapat mengurangi kerugian eddy, namun memerlukan lapisan pelindung yang tidak dapat diabaikan sebagai bagian dari ketebalan, yang cenderung menurunkan faktor tumpukan dibandingkan dengan laminasi tebal yang memiliki lapisan pelindung yang lebih tipis secara proporsional. Itulah pertukaran yang biasa terjadi: Anda mendapatkan keuntungan dalam hal kerugian dinamis, namun terkadang harus mengorbankan sebagian dari luas penampang.

Metode perakitan juga sama pentingnya. Gigi yang saling mengunci, pengelasan, pemasangan klip, perekat dengan backlack atau lem, dan bahkan penumpukan sederhana dengan tekanan semua menghasilkan pola rongga dan celah yang sedikit berbeda antara lembaran. Catatan industri tentang inti motor energi baru secara eksplisit memperingatkan bahwa kelebihan perekat dapat mengurangi faktor penumpukan dan menurunkan kinerja motor.

Kemudian ada tekanan. Sebagian besar standar mendefinisikan faktor tumpukan di bawah beban kompresi yang ditentukan, tepatnya karena celah-celah menyusut di bawah tekanan. Nilai "0.97" dari pemasok Anda mungkin diukur pada sampel yang dikompresi dengan hati-hati, yang sama sekali tidak mirip dengan inti stator sebenarnya setelah pengelasan dan pemesinan.

Hasilnya: Anda mungkin merancang dengan spesifikasi 0.97, membeli baja yang memenuhi spesifikasi 0.97, tetapi motor yang dikirim mendekati 0.94. Tidak ada kegagalan model, hanya pergeseran perlahan.

Menganggap faktor tumpukan sebagai bagian dari anggaran densitas daya

Kepadatan daya tinggi biasanya diartikan sebagai beban listrik tinggi, beban magnetik tinggi, dan pendinginan agresif. Faktor tumpukan berada di hulu bagian beban magnetik. Faktor ini menentukan seberapa banyak baja yang sebenarnya dapat Anda gunakan.

Dari sudut pandang aliran murni, hubungan tersebut langsung. Untuk kerangka tertentu (dimensi luar tetap),

B ~ 1/kst

untuk target tegangan-kecepatan tetap. Jika Anda menentukan rentang yang realistis untuk faktor tumpukan daripada angka tunggal, rentang yang sesuai untuk (B) pada operasi nominal akan langsung terpenuhi. Rentang tersebut langsung digunakan dalam perkiraan kerugian dan margin suhu.

Di sisi manufaktur, faktor tumpukan yang lebih tinggi (lebih dekat ke 1) mengurangi kepadatan fluks dan kerugian yang terkait pada tingkat daya yang sama. Sumber dari produksi transformator dan motor melaporkan bahwa peningkatan faktor tumpukan menghasilkan keseragaman magnetik yang lebih baik dan kerugian inti yang lebih rendah, yang kemudian dimanfaatkan oleh para desainer sebagai efisiensi yang lebih tinggi atau daya kontinu yang lebih tinggi untuk volume yang sama.

Inti dari hal ini sederhana: setiap 1–2% faktor tumpukan yang Anda biarkan tidak terpakai setara dengan 1–2% densitas daya kontinu yang tidak dapat Anda akses tanpa meningkatkan kerugian atau suhu. Hubungan ini tidak sepenuhnya linier, tetapi pada tingkat sistem, hubungan ini seringkali berperilaku seperti itu sehingga menjadi penting.

Bagaimana alat analisis melihat faktor tumpukan

Sebagian besar alat FEA untuk desain elektromagnetik meminta faktor tumpukan per wilayah saat Anda menetapkan bahan laminasi. Panduan umum menyarankan nilai di atas 0,95 untuk tumpukan yang baik, dengan peringatan jika Anda memasukkan nilai di bawah sekitar 0,5 karena hal itu berarti lebih banyak ruang kosong daripada baja.

Jika Anda memberikan nilai optimis kepada pemecah masalah, densitas fluks dan kerugian akan keluar lebih rendah daripada yang sebenarnya terjadi pada motor. Jika Anda kemudian menggunakan hasil tersebut untuk menentukan ukuran pendinginan, motor akan beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dalam produksi.

Polanya yang lebih efektif adalah dengan membuat dua atau tiga skenario faktor tumpukan untuk desain yang sama: nilai optimis yang mendekati spesifikasi material, nilai realistis "produksi" yang didasarkan pada metode tumpukan dan data pemasok, serta skenario pesimis yang mewakili kasus terburuk dalam perakitan. Rentang perkiraan densitas daya dan kerugian di antara skenario-skenario tersebut pada dasarnya merupakan biaya ketidakpastian dalam faktor tumpukan. Anggaplah demikian.

Studi desain motor listrik terbaru menunjukkan bahwa mengoptimalkan solusi tumpukan lamina, termasuk faktor tumpukan yang dapat dicapai, secara langsung berkontribusi pada pengurangan kerugian daya dan peningkatan densitas daya pada motor kendaraan listrik. Tidak ada yang istimewa. Hanya penanganan yang cermat terhadap jumlah baja yang sebenarnya berada di jalur fluks.

Faktor tumpukan versus batasan lain

Ada satu hal yang perlu diperhatikan: mengejar faktor tumpukan yang lebih tinggi tidaklah gratis. Anda dapat meningkatkan tekanan tumpukan, mengurangi perekat, memilih lapisan yang lebih tipis, atau mengubah metode tumpukan, tetapi setiap perubahan tersebut akan memengaruhi aspek lain dalam desain.

Tekanan yang lebih tinggi atau interlocking yang lebih kaku dapat mengubah distribusi tegangan mekanik dan perilaku akustik stator. Beberapa metode penyambungan dengan faktor tumpukan yang sangat baik dapat menyebabkan titik panas lokal, distorsi ujung gigi, atau langkah pemesinan tambahan.

Tumpukan terikat, terutama yang menggunakan laminasi backlack, cenderung memiliki faktor tumpukan yang sedikit lebih rendah dibandingkan dengan tumpukan yang dipres dan disolder dengan rapat. Namun, tumpukan ini menawarkan peredaman mekanis yang lebih baik, getaran yang lebih rendah, dan perakitan otomatis yang lebih sederhana. Banyak motor traksi menerima pengurangan faktor tumpukan sebesar beberapa persepuluh persen untuk keuntungan dalam perilaku kebisingan dan kemudahan manufaktur. Kerugian densitas daya sebagian diimbangi oleh apa yang dapat dilakukan pada pendinginan dan kecepatan.

Jadi, Anda tidak sembarangan memaksimalkan faktor tumpukan. Anda memutuskan seberapa besar Anda bersedia untuk bertransaksi. Bagian pentingnya adalah menjaga agar transaksi tersebut jelas dan terukur, bukan tersembunyi di balik angka tunggal yang optimis dalam spreadsheet.

Kebiasaan desain praktis yang membuat faktor tumpukan bekerja untuk Anda

Salah satu kebiasaan yang berguna adalah menentukan faktor tumpukan sebagai rentang pada gambar motor Anda daripada nilai tunggal. Misalnya, “0,95–0,97 pada beban tekan X kPa, diukur sesuai metode ASTM Y.” Hal ini memberikan panduan konkret bagi pabrikan dan pemasok untuk bekerja menuju target tersebut sambil mengingatkan semua pihak bahwa nilai 0,97 tidak dijamin.

Kebiasaan lain adalah menjaga rumus perhitungan ukuran elektromagnetik Anda terikat pada dimensi efektif daripada dimensi nominal. Saat menggunakan koefisien Carter dan faktor tumpukan dalam model analitis, pastikan untuk secara eksplisit melacak mana panjang dan area yang efektif dan mana yang geometris. Ini adalah tugas administrasi kecil yang menghindari asumsi diam-diam bahwa baja 100% digunakan padahal yang ada hanyalah 95%.

Dan satu poin kecil namun penting: saat membandingkan motor berdasarkan "kW per liter", pastikan Anda tidak membandingkan desain acuan yang dibangun dengan asumsi faktor penumpukan yang optimis dengan simulasi Anda sendiri yang menggunakan nilai-nilai pesimistis. Jika tidak, Anda akan membandingkan asumsi geometri dan proses secara bersamaan dan tidak akan mendapatkan banyak informasi.

Menutup

Faktor tumpukan bukanlah variabel desain yang mencolok. Ini adalah angka tunggal antara 0 dan 1 yang umumnya muncul sebagai faktor pengali dalam persamaan Anda dan dalam dialog pengaturan material alat FEA Anda. Namun, faktor ini menentukan seberapa besar volume aktif mesin Anda yang sebenarnya berpartisipasi dalam mengangkut fluks.

Untuk ukuran bingkai tertentu, hal ini menentukan apakah Anda mendapatkan ukuran penuh dari penampang magnetik atau secara perlahan kehilangan beberapa persen baja akibat lapisan, rongga, dan detail perakitan. Perbedaan tersebut secara langsung memengaruhi densitas fluks, kerugian inti, dan densitas daya kontinu yang sebenarnya yang dapat Anda klaim tanpa kehabisan margin termal atau efisiensi.

Perlakukan faktor tumpukan sebagai bagian dari anggaran densitas daya, bukan sebagai istilah koreksi yang tidak jelas. Dapatkan angka-angka realistis dari pemasok laminasi Anda, sertakan angka-angka tersebut dalam analisis sebagai rentang而不是nilai tunggal, dan putuskan secara sadar seberapa besar densitas daya yang bersedia Anda tukar dengan kemudahan manufaktur dan perilaku akustik. Hal itu biasanya cukup untuk tetap unggul dibandingkan pesaing yang masih menganggap laminasi mereka berperilaku persis seperti blok baja padat yang ada di buku teks, padahal kenyataannya tidak demikian.