Progettazione del ponte magnetico nei nuclei del rotore: resistenza e perdite

In un ponte magnetico si decide su cosa si è disposti a sbagliare: sul margine di sollecitazione o sulla pulizia elettromagnetica. Se si aggiunge acciaio, il rotore sopravvive più a lungo; se lo si mantiene sottile, la macchina si comporta meglio, finché non lo fa.

Il ponte non è un "metallo di supporto", ma un componente magnetico che porta un carico.

Si parla di ponti come se servissero solo a impedire ai magneti di uscire dal rotore. È così. Sono anche uno shunt deliberatamente saturo, definito dalla geometria, che ricrea i percorsi di dispersione e sposta i punti in cui si accumula la densità di flusso. L'esempio IPM di COMSOL sulle sollecitazioni elettromagnetiche lo dice chiaramente: la saturazione nella regione del ponte influisce sulle caratteristiche elettromagnetiche, quindi lo spessore del ponte deve essere mantenuto al minimo per ridurre le perdite, ma quegli stessi ponti stretti sono soggetti a elevate sollecitazioni centrifughe in velocità.

Questa frase nasconde la vera seccatura: "minimo" non è un numero. Si tratta di qualsiasi cosa sia ancora in grado di soddisfare i vincoli meccanici una volta inclusi gli angoli effettivamente prodotti, non quelli disegnati.

Lo spessore è una leva brutale, poi diventa morbido

Se si tracciano le sollecitazioni in funzione dello spessore del ponte, di solito si ottiene la forma che ci si aspetta da una struttura che sta passando da "a ragnatela" a "a trave". Lo spessore iniziale acquista molto. In seguito, i rendimenti diminuiscono.

Uno studio comparativo ad alta velocità mostra che lo stress del rotore cala fortemente quando lo spessore del ponte passa da 1 mm a 2 mm (da 3961 MPa a 2385 MPa, circa 39,8%), per poi calare molto meno quando si passa da 2,5 mm a 3,5 mm (da 1904 MPa a 1690 MPa, circa 11,2%). Lo stesso schema "il primo millimetro conta" si ritrova in un altro documento sull'ottimizzazione dell'IPM ad alta velocità: l'aumento dello spessore del ponte da 1 mm a 3 mm ha ridotto la sollecitazione massima del rotore, abbassando al contempo la back-EMF a vuoto (da 382,6 V a 348 V).

Quindi sì, lo spessore del ponte è una manopola di controllo meccanico. È anche una tassa sui campi elettromagnetici.

Le perdite non sono solo "meno flusso", ma un problema di armoniche e di perdite che si diffondono

Quando i ponti diventano più spessi, i percorsi di perdita diventano più facili. Questo non è impercettibile nei risultati delle simulazioni; il fattore di flusso delle perdite a vuoto nello stesso confronto ad alta velocità passa da 1,12 a 1,56 quando lo spessore del ponte passa da 1 mm a 3,5 mm. Questo è un modo quantitativo per dire: hai pagato per l'acciaio, poi hai pagato di nuovo per le perdite.

Poi si aggiungono rinforzi o magneti di segmento per calmare lo stress. Le sollecitazioni migliorano, ma le perdite spesso peggiorano. Lo stesso documento osserva che la divisione dei magneti e l'aggiunta di un irrigidimento aumentano i percorsi di perdita, con un fattore di perdita che aumenta in modo approssimativamente lineare con lo spessore dell'irrigidimento, e riporta persino un caso in cui il fattore di perdita raggiunge l'1,72.

Una volta che le perdite e la saturazione modellano la forma d'onda del flusso dell'air-gap, si smette di discutere della grandezza della back-EMF e si inizia a discutere del suo spettro. Quello studio mostra una distorsione armonica di back-EMF più elevata per il caso IPM rispetto al caso SPM (THD 3,20% contro 0,64%), con notevoli componenti 11° e 13°. Le armoniche sono il punto in cui la perdita del nucleo del rotore ama nascondersi.

Perdite: quelle ovvie e quelle che si creano accidentalmente

Le decisioni del ponte toccano almeno tre "buche di perdita", anche se nel vostro cruscotto ne tenete traccia solo di due.

L'ovvio problema è la perdita del nucleo del rotore. Nel confronto ad alta velocità, gli autori collegano direttamente il maggior contenuto di armoniche del rotore IPM (in parte a causa del piccolo traferro e della forte influenza della corrente di statore) a una maggiore perdita del nucleo del rotore e mostrano che questo si trasforma in un problema di limite termico del rotore (riportano una temperatura massima del rotore di 194 °C nel caso IPM).

Il secondo problema è l'effetto del ponte sulla saturazione locale e sull'affollamento del flusso. Un articolo di Scientific Reports parla di "elevata saturazione magnetica sul ponte di isolamento del flusso" che arricchisce le armoniche della densità di flusso dell'air-gap, aumentando così l'ondulazione della coppia a bassa velocità; la loro soluzione è costituita da fori di isolamento magnetico che riducono la densità di flusso del ponte aggiungendo riluttanza, con l'obiettivo di evitare la sovrasaturazione e ridurre l'isteresi e la perdita di corrente parassita.

Il terzo secchio è la perdita che si crea indirettamente: si ispessiscono i ponti, si perde EMF (o fattore di potenza), si richiede più corrente per ottenere la coppia, la perdita di rame aumenta e ora si sta "risolvendo" un problema di stress del rotore riscaldando lo statore. Questa non è un'affermazione morale. È una dichiarazione contabile.

Un altro dettaglio non intuitivo tratto dal documento sull'ottimizzazione dell'alta velocità: la perdita del nucleo del rotore può diminuzione con l'aumento dello spessore del ponte, anche se l'EMF diminuisce, perché è cambiato il modo e il punto in cui il flusso oscilla nell'acciaio del rotore; l'efficienza spesso aumenta e poi diminuisce con l'aumentare dello spessore del ponte e dell'irrigidimento. Quindi un ponte più spesso può apparire "migliore" in una metrica di perdita, mentre degrada silenziosamente la postura elettromagnetica della macchina.

La forma è importante perché la concentrazione delle sollecitazioni è reale e il "ponte" raramente è un solo ponte.

Quando si smette di fingere che un ponte sia un rettangolo, si apre lo spazio della progettazione. I rotori a più ponti a forma di V dividono i magneti e inseriscono ponti centrali per distribuire le forze centrifughe, aumentando la velocità consentita, ma lo stesso articolo afferma direttamente la contraddizione: più ponti e più larghezza migliorano la resistenza meccanica, mentre aumentano le perdite di flusso e riducono le prestazioni elettromagnetiche. I loro risultati evidenziano anche che lo spessore del ponte centrale è una leva meccanica efficiente, mentre alcune modifiche dei parametri dei ponti air-gap non acquistano molta forza, il che implica che si possono scegliere le dimensioni dei ponti air-gap in modo più aggressivo per motivi di perdita, una volta che il percorso principale di stress è gestito altrove.

Se si ottimizzano dettagli come i filetti e le forme triangolari dei ponti, di solito si cerca la concentrazione delle sollecitazioni, non la sollecitazione media. Un documento sull'ottimizzazione dell'IPM ad alta velocità cita esplicitamente gli schemi a filetto e a ponte magnetico triangolare come parte della storia della sicurezza del rotore e del conflitto elettromagnetico.

"Rimuovere il ponte" è un'idea reale, ma viene fornito con parti di ricambio

Un articolo ad accesso libero del 2024 propone un rotore che elimina i ponti bilaterali e mantiene solo un ponte centrale per mantenere la resistenza, puntando esplicitamente alle perdite e alla perdita di ferro del rotore; combina l'acciaio ad alto tenore di silicio sulla superficie del rotore (minore perdita di ferro) con l'acciaio a basso tenore di silicio all'interno (resistenza) e riporta perdite ridotte, +7,5% di coppia, +0,18% di efficienza e -36,2% di perdita di ferro del rotore rispetto al motore originale.

Questo è il modo più pulito per definire lo scambio: se si riduce la larghezza del ponte, si possono vincere le perdite e le dispersioni, ma si deve "riacquistare" l'integrità meccanica con la topologia (percorsi di carico centrali, strategia di segmentazione) e le scelte dei materiali.

Una tabella che mantiene la discussione onesta

Un approccio progettuale che funziona quando la funzione obiettivo è disordinata

Se si tratta il dimensionamento dei ponti come "scegli uno spessore, poi controlla le perdite", si itererà all'infinito. I documenti che sembrano seri tendono a trattare la questione come accoppiata: stress, fattore di perdita, spettro della back-EMF, perdita del nucleo del rotore, temperatura. Uno studio ad alta velocità esegue addirittura lo stress alla velocità nominale del 120% e a temperature elevate per mantenere il margine onesto, quindi lega gli obiettivi di ottimizzazione all'efficienza e alla perdita del nucleo del rotore, perché il riscaldamento del rotore è spesso il limite.

Una posizione pratica è la seguente: decidete quale guasto rifiutate (cedimento a velocità eccessiva, temperatura massima del rotore, margine di demag), quindi lasciate che il ponte sia il più piccolo pezzo di acciaio che renda ancora noiosi quei guasti. Non ottimale. Noioso. Il resto consiste nel gestire gli effetti collaterali magnetici con la forma, la segmentazione e il punto in cui si permette la saturazione, perché la saturazione si verificherà comunque.