Prediksi VNVH: Pemotongan stator dan gaya magnet rotor

Jika model VNVH Anda salah menghitung gaya slot stator dan magnet rotor, bahkan sedikit saja, maka seluruh rantai prediksi kebisingan dan getaran hanya akan terlihat akurat di PowerPoint. Permainan praktisnya bukanlah memodelkan segalanya, tetapi memilih urutan gaya dan kerangka yang tepat sejak awal, dan menerima beberapa perkiraan yang "baik" daripada model lengkap yang palsu.

1. Titik awal: apa yang sebenarnya disampaikan oleh artikel-artikel terbaru

Dalam beberapa tahun terakhir, sebagian besar penelitian yang diterbitkan tentang NVH elektromagnetik telah berfokus pada narasi yang serupa. Gaya radial pada gigi stator, yang dibentuk oleh pemotongan stator, mendominasi kontribusi elektromagnetik terhadap kebisingan. Struktur dan akustik tentu saja penting, tetapi biasanya diperlakukan sebagai masalah respons daripada sumber utama.

Beberapa kelompok telah menunjukkan bahwa setelah memasukkan fungsi permeansi slot stator ke dalam perhitungan tegangan Maxwell, harmonik "masalah" yang sesuai dengan mode stator cenderung berasal dari sejumlah kecil urutan spasial, terutama yang rendah seperti 0, 2, 4, 6, tergantung pada kombinasi slot-pole.

Pada saat yang sama, pekerjaan pada sisi rotor telah menjadi lebih canggih. Anda dapat melihat pemotongan permukaan magnet untuk menekan komponen gaya orde tinggi, struktur celah rotor yang memantulkan fluks dan mengurangi fluktuasi torsi, serta optimasi bentuk magnet yang dirancang untuk menjaga torsi cogging dan gaya radial agar tidak beresonansi dengan struktur.

Sebagian besar studi ini dihentikan begitu mereka menunjukkan spektrum harmonik gaya yang berkurang dan korelasi yang memadai dengan uji kebisingan pada satu atau dua prototipe. Hal itu berguna, tetapi jika Anda berusaha membangun proses prediksi VNVH yang dapat diulang untuk keluarga motor, Anda perlu sedikit lebih sistematis dan, anehnya, sedikit lebih santai dalam hal kesempurnaan.

2. Pembuatan slot stator: dari persamaan yang rapi ke medan gaya yang rumit

Anda sudah mengetahui derivasi standar. Kepadatan fluks celah udara radial merupakan penjumlahan antara PM dan MMF armature, yang dimodulasi oleh bentuk gelombang permeansi slot. Tekanan Maxwell memberikan kepadatan gaya radial sebagai kuadrat dari komponen fluks radial tersebut dibagi μ₀. Permeansi diperluas menjadi deret dengan istilah-istilah pada kelipatan nomor slot, dan tiba-tiba Anda memiliki hutan komponen gaya spasial-waktu.

Dalam praktiknya, hal yang cenderung penting untuk prediksi VNVH bukanlah ekspansi penuh, tetapi seberapa teliti Anda memantau tiga hal tersebut.

Pertama, urutan spasial mana yang sebenarnya akan berinteraksi dengan mode dominan stator. Banyak penelitian menyoroti bahwa urutan spasial rendah, terutama urutan ke-0 dan beberapa kelipatan rendah yang terkait dengan kombinasi slot-pole, mengendalikan sebagian besar getaran dan kebisingan karena respons struktural menurun secara kasar dengan pangkat keempat dari urutan tersebut.

Kedua, model slotting itu sendiri. Ada kesenjangan antara model permeansi relatif analitis dan hasil yang dihasilkan oleh FEA 2D atau 3D dengan ujung gigi, chamfer, wedge, dan saturasi yang realistis. Model analitis cepat dan praktis untuk pengujian parametrik terhadap jarak dan lebar slot, tetapi spektrum gaya mereka mulai bergeser saat Anda menjauh dari slot yang bersih dan seragam atau mendorong desain ke saturasi yang dalam. Pergeseran tersebut biasanya kecil untuk torsi, dan jauh lebih besar untuk gaya radial.

Ketiga, skew dan fraksional slotting. Skew masih sering dianggap sebagai koreksi pasca-pemrosesan pada harmonik gaya. Hal itu mungkin tidak masalah jika skew kecil dan strukturnya sederhana, tetapi prediksi VNVH penuh sangat sensitif terhadap distribusi urutan spasial yang tepat, dan skew mencampurkannya. Jika tidak hati-hati, Anda akhirnya "memperbaiki" masalah cogging tetapi secara tidak sengaja memperkuat eksitasi mode cangkang.

Ringkasnya: Gunakan model slotting analitis untuk memahami tren, tetapi pastikan desain kunci dengan FEA yang mencakup geometri slot aktual dan saturasi, lalu bekukan permeabilitas relatif untuk ekstraksi harmonik seperti yang dilakukan dalam beberapa pekerjaan PMSM yang berorientasi pada NVH.

3. Magnet rotor: sumber masalah utama dan efek samping cogging

Magnet rotor memiliki karakteristik gaya tersendiri. Faktor-faktor yang umum ditemui meliputi torsi cogging, fluktuasi torsi, dan komponen gaya radial orde tinggi akibat efek tepi magnet dan arus eddy. Torsi cogging sering dijelaskan sebagai torsi yang mendorong rotor menuju resistansi magnetik minimum saat magnet melintas di slot stator; variasi resistansi magnetik yang sama menghasilkan gaya radial yang berubah-ubah seiring waktu, yang memicu rantai NVH.

Penelitian terbaru tentang pemotongan slot magnet mendekati masalah ini dari dua sudut pandang. Beberapa peneliti memotong slot tambahan langsung ke permukaan magnet untuk memodulasi dan melemahkan komponen gaya radial orde tinggi tertentu tanpa mengorbankan torsi rata-rata. Yang lain memperkenalkan celah rotor atau bentuk slot kompleks (celah tipe C/T/V, pergeseran langkah) yang meningkatkan resistansi magnetik di sepanjang jalur tertentu dan memindahkan distribusi fluks.

Bagian yang menarik, dari sudut pandang prediksi, adalah bahwa intervensi magnetik sering menargetkan gaya-gaya yang tidak akan dihasilkan secara signifikan hanya oleh pemotongan stator. Gaya radial orde tinggi masih dapat berkontribusi pada kebisingan melalui efek modulasi dan berinteraksi dengan mode struktural yang lebih dekat dari yang diharapkan. Beberapa studi secara eksplisit menunjukkan bahwa gaya elektromagnetik orde tinggi, setelah dimodulasi oleh pemotongan, dapat menghasilkan tingkat getaran yang sebanding dengan sumber orde rendah.

Jika model Anda menganggap geometri magnet rotor sebagai detail minor dan hanya menyesuaikan ketebalan magnet permanen (PM) untuk torsi dan kerugian, Anda dapat dengan mudah melewatkan kontribusi-kontribusi ini. Akibatnya, prediksi kebisingan model Anda akan gagal pada titik beban-kecepatan yang sangat spesifik, dan tidak ada yang lagi mempercayai model tersebut, meskipun model tersebut masih menghitung torsi dengan baik.

4. Ruang interaksi stator-rotor: berfikir dalam urutan, bukan hanya slot dan kutub.

Daripada berpikir "36 slot, 8 kutub, itu bagus" atau "6 kutub, 36 slot, urutan 6," lebih baik membangun peta mental yang menghubungkan antara penempatan slot, urutan medan magnet, dan mode struktural yang Anda perhatikan. Beberapa studi menyoroti bagaimana pasangan slot-kutub tertentu secara alami menciptakan komponen gaya dominan pada sejumlah kecil urutan spasial dan frekuensi, yang kemudian diperiksa terhadap diagram mode stator.

Tabel di bawah ini bukanlah katalog yang ketat. Ini lebih merupakan cara ringkas untuk fokus pada interaksi yang sebenarnya penting untuk prediksi VNVH, dengan menggunakan contoh-contoh yang serupa dengan yang terdapat dalam literatur terbaru.

Ide utamanya sederhana: diagram urutan lebih berguna daripada diagram aliran EM statis lainnya saat Anda bertujuan untuk memprediksi VNVH. Setelah Anda memiliki urutan spasial dan frekuensi, Anda dapat memproyeksikannya ke mode stator dan melihat apa yang sebenarnya berbahaya.

5. Dari gaya elektromagnetik hingga struktur dan suara: memilih tingkat usaha dengan bijak

Sebagian besar studi modern saat ini menggunakan rantai multi-fisika: analisis elemen hingga (FEA) elektromagnetik untuk menghitung gaya radial pada gigi stator; analisis elemen hingga struktural (FEA) atau model stator setara untuk menghitung getaran; simulasi akustik atau pengukuran langsung tingkat tekanan suara (SPL) untuk verifikasi akhir.

Nuansa yang sering diabaikan dalam makalah singkat tetapi penting dalam proyek nyata adalah seberapa rinci setiap langkah perlu dilakukan relatif terhadap langkah lainnya.

Jika model struktural stator Anda kasar, menghabiskan berhari-hari untuk detail EM berpresisi tinggi tidak efisien. Penelitian pada model stator setara telah menunjukkan bahwa mendapatkan sifat modal yang tepat, termasuk mode pernapasan orde nol yang sulit ditangkap, merupakan hal fundamental untuk prediksi kebisingan yang akurat. Beberapa penulis mengusulkan model tumpukan laminasi yang ditingkatkan tepat untuk alasan ini, menunjukkan bahwa sifat material yang sederhana dapat memindahkan frekuensi alami secara signifikan dari nilai uji.

Di sisi lain, model struktural yang sangat baik tidak dapat menyelamatkan model gaya elektromagnetik (EM) yang buruk yang meng rata-ratakan segala sesuatu di atas slot. Studi yang berhasil mencapai kesesuaian yang dekat antara kebisingan yang diprediksi dan diukur cenderung mengerahkan upaya nyata untuk menangkap distribusi gaya yang tidak merata di sepanjang permukaan gigi, seringkali memetakan gaya nodal ke dalam model struktural daripada menerapkan beban cincin yang merata.

Jadi, aturan yang dapat diterapkan muncul, tidak sempurna secara matematis tetapi praktis: sesuaikan tingkat detail dalam EM, struktur, dan akustik sehingga tidak ada yang menjadi titik lemah yang jelas. Itu terdengar jelas, tetapi lihat alur kerja Anda saat ini dan kemungkinan besar itu bukan yang Anda lakukan.

6. Pembuatan slot rotor dan pembentukan magnet sebagai bagian dari siklus optimasi.

Setelah rantai prediksi cukup dapat diandalkan, Anda dapat memperlakukan slot stator dan geometri magnet rotor sebagai variabel desain dalam loop optimasi terstruktur, bukan sebagai trik sekali pakai.

Penelitian terbaru telah menggabungkan eksperimen ortogonal, regresi nonparametrik, dan pemodelan permukaan respons untuk menghubungkan parameter desain seperti dimensi slot, tata letak magnet, dan konfigurasi lilitan dengan harmonik gaya radial dan metrik NVH. Model pengganti semacam ini memungkinkan Anda untuk memindai banyak konfigurasi dengan cepat sebelum memvalidasi sejumlah kecil konfigurasi dengan simulasi multi-fisika penuh dan pengujian.

Studi geometri celah rotor seringkali mengelompokkan bentuk-bentuk seperti "dasar", "C", "T", dan "V", dengan membandingkan medan magnetik, fluktuasi torsi, dan kebisingan elektromagnetik untuk mengidentifikasi kompromi terbaik. Penelitian ini sering menunjukkan bahwa Anda dapat mengurangi gaya radial dan kebisingan terkait secara signifikan sambil mempertahankan torsi dan efisiensi pada tingkat yang hampir sama, asalkan uji kekuatan mekanis telah lulus.

Pada sisi magnet, desain dengan slot permukaan tambahan disesuaikan untuk meratakan komponen gaya orde tinggi tertentu yang bertanggung jawab atas suara berfrekuensi sempit. Simulasi yang didukung oleh uji coba telah membuktikan bahwa perubahan yang ditargetkan pada kedalaman dan jarak slot magnet dapat secara signifikan mengurangi kebisingan tanpa mengorbankan torsi keluaran, asalkan kerugian dan batas termal dihormati.

Hal yang penting adalah bahwa intervensi-intervensi ini harus dievaluasi dalam konteks VNVH yang lengkap. Pola penempatan magnet yang terlihat ideal berdasarkan grafik harmonik gaya radial mungkin berinteraksi buruk dengan kondisi perumahan atau pemasangan yang sebenarnya, yang dapat memindahkan mode stator cukup untuk sejajar dengan urutan yang sebelumnya tidak berbahaya.

7. Membuat prediksi VNVH benar-benar berguna dalam desain

Jika kita menggabungkan semua ini, alur prediksi VNVH yang praktis yang berfokus pada slot stator dan gaya magnet rotor cenderung terlihat seperti ini, meskipun tidak semua orang mengakuinya dalam publikasi.

Anda memulai dengan tata letak slot-pole dan magnet yang memenuhi persyaratan torsi, efisiensi, dan batasan manufaktur dasar. Anda kemudian menghitung densitas fluks celah udara dan gaya radial menggunakan model yang secara eksplisit memasukkan pemotongan stator dan mewakili geometri magnet dengan cukup akurat untuk menangkap puncak lokal dan efek modulasi. Anda memetakan gaya-gaya tersebut ke dalam model struktural yang telah diverifikasi melalui setidaknya beberapa uji modal, terutama untuk urutan lingkar bawah dan mode pernapasan. Akhirnya, Anda membandingkan getaran yang diprediksi atau tingkat tekanan suara (SPL) pada titik operasi kunci dengan data uji dan menyesuaikan baik model maupun desain.

Seiring berjalannya waktu, seiring dengan semakin banyaknya proyek yang melewati siklus ini, Anda akan mengumpulkan perpustakaan pola lokal: kombinasi slot-pole mana yang cenderung menghasilkan urutan tertentu, bagaimana perilaku pemotongan rotor sebenarnya dalam alur produksi Anda, dan skema penjepitan tumpukan stator mana yang mengubah mode ke arah mana. Pengalaman tersebut, lebih dari sekadar persamaan rumit apa pun, lah yang membuat prediksi VNVH Anda dapat dipercaya.

Catatan penelitian telah menunjukkan satu hal dengan jelas: gangguan elektromagnetik NVH pada mesin magnet permanen didominasi oleh interaksi antara bentuk slot stator dan gaya magnet rotor dalam ruang dan waktu, bukan hanya oleh keberadaan masing-masing secara terpisah.

Setelah model-model Anda memperhitungkan interaksi tersebut, bahkan secara kasar, keputusan desain mengenai slot dan magnet tidak lagi menjadi tebak-tebakan, melainkan menjadi langkah-langkah terkontrol di papan yang sebenarnya dapat Anda lihat.