Modellazione di saldature e interblocchi nelle simulazioni elettromagnetiche di statore e rotore

Se avete mai avuto un modello di motore che guardato Se il vostro sistema è perfetto in FEA, ma non ha raggiunto l'efficienza, il rumore o la temperatura del banco di prova con un margine fastidioso, è molto probabile che le saldature e gli interblocchi vi stiano sabotando silenziosamente. Questi piccoli dettagli di "fabbricazione" - saldature al laser, tasselli a incastro, elementi termoretraibili - rimodellano il circuito magnetico e il quadro delle perdite molto più di quanto non suggerisca la loro geometria. Alcuni studi hanno dimostrato che i processi di saldatura e giunzione da soli possono aumentare le perdite del nucleo dello statore di ~10-20% nelle macchine industriali, mentre l'impatto combinato di taglio, giunzione e restringimento può far aumentare le perdite di 20-50% in alcuni casi.

• In questo articolo vedremo:
  • Tradurre saldatura/incastro realtà produttiva in input del modello EM che si possono effettivamente utilizzare.
  • Confronto tra diversi livelli di fedeltà per l'inclusione di saldature/interblocchi nelle simulazioni di statore e rotore.
  • Mostrate come questi dettagli influenzano le perdite, l'ondulazione di coppia e l'NVH, e quando sono veramente importanti.
  • Fornisce un flusso di lavoro pratico e indipendente dagli strumenti, adattabile ad Ansys Maxwell, JMAG, COMSOL, MagNet, ecc.

1. Cosa fanno realmente le saldature e gli interblocchi al vostro circuito magnetico

Sotto il cofano, un nucleo laminato vuole comportarsi come un percorso magnetico perfettamente uniforme, con un isolamento pulito della laminazione e curve B-H piacevolmente morbide. Le saldature e le giunzioni rompono deliberatamente questo ideale: accorciano localmente le laminazioni, introducono deformazioni plastiche e tensioni residue e modificano il modo in cui il flusso e le correnti parassite si muovono attraverso l'acciaio.

• A livello fisico, saldature e interblocchi:
  • Collegare elettricamente le laminazionicreando anelli conduttivi chiusi che consentono di creare "circuiti ad anello" con correnti parassite locali.
  • Introdurre la tensione residua e la deformazione plastica, degradando la permeabilità e aumentando le perdite per isteresi.
  • Percorsi di flusso disturbatisoprattutto in prossimità dei gioghi e delle radici dei denti, spostando la saturazione locale e le perdite.
  • Modifica della rigidità e dello smorzamentoche altera il modo in cui le forze elettromagnetiche si traducono in vibrazioni e rumore.

2. Rapido tour dei metodi di giunzione più comuni e delle loro implicazioni EM

Nei motori reali, in genere si assiste a una combinazione di saldatura, incastro, incollaggio o compressione meccanica:

• Stack di saldatura laser / TIG (gioghi dello statore e del rotore).
• Tasselli meccanici ad incastro pressato in laminazioni.
• Pile di laminazione adesive (backlack/self-bonding).
• Rivetti, bulloni, anelli di calettamento o fusioni (soprattutto sui rotori di grandi dimensioni). 
• Elettromagneticamente:
  • Le saldature e gli incastri tendono a aumento delle perdite del nucleo aggiungendo le correnti parassite locali e l'isteresi indotta dalle sollecitazioni.
  • Le pile incollate, preservando l'isolamento e minimizzando la distorsione, spesso perdite e rumore ridotti rispetto alle anime saldate o interbloccate.
  • Il taglio e l'unione possono causare degrado locale molte volte superiore rispetto al materiale vergine, soprattutto in prossimità dei bordi di taglio e delle zone dei tasselli.

3. Perché i modelli EM convenzionali hanno difficoltà con le saldature e gli interblocchi

La maggior parte dei modelli di motore FE presuppone:

• Una curva B-H unica e uniforme.
• Un modello di perdita di nucleo isotropo e omogeneizzato.
• Perfetto isolamento per laminazione (nessuna conducibilità attraverso lo spessore).
• Nessuna storia di stress residuo.

La realtà è più confusa. I documenti sui nuclei saldati e interbloccati lo dimostrano:

• La saldatura può aumentare le perdite del nucleo statorico di circa 10% in un motore a induzione da 37 kW quando viene modellato con i dati misurati del nucleo ad anello saldato.
• I processi di incastro possono aumentare notevolmente la perdita di ferro; in alcune geometrie di prova, il deterioramento dovuto all'incastro è paragonabile o superiore alla punzonatura stessa.
• Per le anime tagliate e unite, ignorando il degrado di fabbricazione si possono sottovalutare le perdite di >50% nei casi peggiori.
• Questo porta ai tipici punti dolenti della modellazione:
  • Sottovalutazione delle perdite (l'efficienza sembra migliore in FEA che sul dinamometro).
  • Posizioni sbagliate dei punti caldi (progettazione termica scadente, perché non si tiene conto dei picchi di perdita locali).
  • Ondulazione di coppia e disallineamenti NVH (picchi di rumore misurati senza una controparte evidente nella simulazione).
  • Confusi compromessi (ad esempio, incollaggio o saldatura) perché il vostro modello considera tutti i metodi di giunzione come elettromagneticamente identici.

4. Gli input indispensabili: parlare con la produzione in anticipo

È possibile modellare solo ciò che si conosce effettivamente. Prima di perfezionare qualsiasi modello EM, è bene dedicare un po' di tempo a ottenere dati concreti dalla produzione o dai fornitori.

Una buona conversazione "pre-simulazione" dovrebbe almeno chiarire:

• Tecnica di giunzione per statore e rotore:
  • Tipo di saldatura (laser, TIG, spot) e schema (numero, lunghezza, posizione).
  • Stile di incastro (geometria dei tasselli, posizioni, densità).
  • Se viene utilizzato un adesivo (e a quale temperatura di polimerizzazione).
• Dati sui materiali e sui processi:
  • Grado dell'acciaio e tipo di rivestimento (NOES vs GOES, classe di isolamento).
  • Qualsiasi dato disponibile su ring-core / Epstein per elaborato materiale (tagliato + saldato/intercettato).
  • Se la ricottura di distensione viene applicata dopo la saldatura/interblocco.
• Tolleranza e variabilità del modello:
  • Tolleranze di posizione tipiche sui cordoni di saldatura o sugli incastri.
  • Varianti "problematiche" note (ad esempio, un certo schema di interblocco che aumenta il rumore).
• In pratica, chiedere:
  • "Dove sono esattamente le saldature/interblocchi sulla pila?".
  • "Cosa fa il processo alle proprietà magnetiche locali - avete dati di prova?".
  • "Esistono diverse opzioni di giunzione per lo stesso statore/rotore che potremmo confrontare?".

5. Opzioni di modellazione: da "abbastanza buono" ad alta fedeltà

In letteratura, in genere si distinguono alcuni "livelli" di modellazione quando si tratta di saldature e interblocchi. Il trucco è scegliere il livello che corrisponde alla fase di progettazione e al rischio.

Ecco un confronto compatto che può essere utilizzato come foglio di istruzioni per il design:

• Quando si cerca di "battere la concorrenza", in genere si vuole arrivare almeno a L1 in modo affidabile e hanno L2 o L3 per i vostri motori di punta.

6. Livello 1 in pratica: zone di materiale efficace per saldature e interblocchi

L'idea di base di L1 è semplice: invece di ridisegnare ogni piccola saldatura o incastro, si dipinge il "materiale degradato" sulle regioni che influenzano e si lascia che FE gestisca il resto. Questo approccio è comune nella ricerca moderna sugli effetti di taglio e giunzione, dove si ricavano modelli di degradazione dipendenti dalla distanza e si applicano direttamente a livello di elemento.

• Un pratico flusso di lavoro L1 si presenta di solito come segue:
  • Fase 1 - Ottenere i dati del materiale lavorato
    • Misurare i nuclei ad anello ricavati da laminazioni statoriche reali: non saldati o saldati; con o senza incastro.
    • Estrarre le curve B-H e i coefficienti di perdita del nucleo per ogni caso.
  • Fase 2 - Creazione di un modello di "zona efficace
    • Identificare i punti in cui si trovano le saldature/interblocchi (ad esempio, cucitura del giogo esterno, tasselli del giogo centrale, giunti del polo del rotore).
    • Definire zone (ad esempio, ±3-5 mm intorno a ciascuna linea di saldatura o tassello) in cui modificare le proprietà del materiale.
  • Passo 3 - Proprietà di scala
    • Regolare i coefficienti di permeabilità e perdita di nucleo in queste zone in base alle misure effettuate (ad esempio, +10-30% di perdita locale, µ leggermente ridotto).
  • Fase 4 - Eseguire nuovamente le simulazioni EM
    • Valutare le perdite totali, la densità di perdita locale, l'ondulazione di coppia e la distribuzione del flusso.
    • Confrontare con le misure, se disponibili (ad esempio, statore mock-up con rotore bloccato).

7. Livello 2: modellazione esplicita di saldature e tasselli a incastro

In L2, si smette di fingere che le saldature e gli incastri siano "solo un altro materiale" e li si disegna davvero. È qui che si riproducono lavori come i modelli FE 3D dei tasselli a incastro (e i modelli 2D equivalenti da essi derivati) che mostrano esplicitamente i loop di correnti parassite all'interno dei tasselli e lungo la superficie della pila.

• Le principali mosse di modellazione a questo livello:
  • Il 3D solo dove conta
    • Utilizzate un modello settoriale 3D con alcune fessure/pali e tasselli/saldature dettagliate; non passate subito a 360°.
    • Preservare la direzione dello spessore della laminazione se si desidera ottenere percorsi realistici delle correnti parassite.
  • Materiali separati per acciaio, metallo saldato e tasselli
    • Assegnare al metallo saldato una conducibilità elevata e un µ appropriato (spesso più vicino all'acciaio saturo o fuso).
    • Trattare i tasselli come una regione separata che fa da ponte tra le laminazioni.
  • Risolvere correttamente la dipendenza dal tempo
    • Le perdite del nucleo dovute a queste caratteristiche sono sensibili alla frequenza; utilizzare soluzioni time-stepping o multiarmoniche.
    • Per i cicli di azionamento, precalcolare i contributi di perdita effettiva in funzione della frequenza e riutilizzarli nei modelli a livello di sistema.
  • Risultati del backport in 2D
    • Dal costoso studio 3D, ricavate una "mappa di perdita e permeabilità equivalente" che potrete poi implementare come patch di materiale di tipo L1 in simulazioni 2D più rapide.

8. Problemi specifici del rotore: saldature, manicotti e gabbie

I rotori tendono a essere modellati in modo più grossolano rispetto agli statori, ma le saldature e i giunti possono essere altrettanto importanti - a volte anche di più, perché le velocità periferiche più elevate e le combinazioni slot/poli amplificano gli effetti locali.

Le caratteristiche comuni di giunzione specifiche per i rotori includono:

• Barre e anelli terminali a gabbia di scoiattolo saldati o in fusione.
• Scarpe da palo saldate o giunti da palo a palo (per le macchine a polo saliente).
• Manicotti di contenimento del magnete o linee di saldatura assiali su rotori a magneti permanenti.
• Giunti con rivetti e bulloni su gruppi di pali laminati.
• Quando si modellano le saldature e i giunti del rotore, fare attenzione a:
  • Ponti a correnti indotte tra le barre e le laminazioni attraverso le saldature, che influiscono sulla ripartizione delle perdite di rame/ferro del rotore e sul riscaldamento della gabbia.
  • Interazione tra obliquità e saldaturaLe saldature in prossimità delle scanalature oblique possono distorcere i percorsi locali del flusso e influire sull'ondulazione della coppia.
  • Sollecitazioni per manicotti e termoretraibiliche può degradare le proprietà del magnete e della laminazione e spostare le risonanze quando è completamente accoppiato.

9. Dalla teoria ai clic: un flusso di lavoro indipendente dallo strumento

Qualunque sia il solutore EM utilizzato, un buon flusso di modellazione delle saldature e degli incastri tende a seguire una struttura simile.

Pensate a "misurare → ridurre → modellare → convalidare":

• Misurare / Raccogliere
  • Raccogliere i dati ring-core / Epstein per:
    • Materiale di base.
    • Campioni di solo taglio.
    • Tagliato + saldato.
    • Taglio + incastro (con modelli diversi, se disponibili).
  • Se è possibile, misurare le perdite del nucleo su nuclei di statore/rotore parzialmente assemblati prima dell'avvolgimento (test di breve durata, eccitazioni toroidali, ecc.).
• Ridurre a modelli
  • In forma distanza dalla caratteristica leggi di degradazione: ad esempio, una funzione µ(r), k_hyst(r), k_eddy(r) rispetto alla distanza dalla linea di saldatura o dal centro del tassello.
  • Per gli interblocchi, isolare i contributi da:
    • Sforzo di punzonatura.
    • Formazione dei tasselli.
    • Giunzione/collegamento dei tasselli (percorsi di cortocircuito).
• Modello in EM FE
  • Implementare le patch L1 (e opzionalmente la geometria L2) nei modelli EM 2D/3D di statore e rotore.
  • Eseguire punti operativi che coprono:
    • Flusso e frequenza nominali.
    • Sovraflusso e armoniche PWM ad alta frequenza, se pertinenti.
• Convalidare e iterare
  • Confrontare i componenti simulati a vuoto, a rotore bloccato e con perdita del nucleo a carico con i test (o con le misure del nucleo prima dell'assemblaggio).
  • Regolare i fattori di degradazione (entro limiti fisicamente ragionevoli) finché non si ottiene una corrispondenza costante con le misure di perdita del nucleo e di temperatura.

10. Come la modellazione di saldature/interblocchi modifica le decisioni di progettazione

Una volta che le saldature e gli interblocchi sono presenti nel modello EM, smettono di essere "un male necessario" e diventano leve di progettazione.

Invece di considerare "saldato o incollato o interbloccato" come una decisione puramente meccanica o di costo, è possibile considerarla come una variabile di progettazione elettromagnetica:

• Con la modellazione dettagliata, è possibile:
  • Confrontare quantitativamente le tecnologie di giunzione
    • Esempio: alcuni studi hanno dimostrato che i nuclei statorici incollati possono ridurre le perdite del nucleo di ~20-40% e ridurre significativamente il rumore acustico rispetto ai nuclei saldati o interbloccati in progetti altrimenti identici.
  • Ottimizzare gli schemi di saldatura/interblocco
    • Ridurre al minimo il numero di tasselli ad incastro o posizionarli in zone a minore densità di flusso per ridurre le perdite extra mantenendo la resistenza meccanica.
  • Regolare lo spessore del giogo e la posizione della saldatura
    • Alcuni progetti di statori segmentati utilizzano gioghi sottili, più sensibili al disallineamento e al posizionamento dei giunti; i modelli FE mostrano che ciò può aumentare la coppia di cogging e alterare le frequenze di risonanza.
  • Valutare i compromessi a livello di rotore
    • Ad esempio, decidere tra gabbie saldate e gabbie fuse, o valutare se l'aggiunta di un manicotto di contenimento + saldature locali valga il possibile aumento della perdita del rotore.
• In pratica, ciò può portare a decisioni quali:
  • Passare dall'incastro all'incollaggio per macchine di trazione EV ad alta efficienza e bassa rumorosità.
  • Mantenimento degli incastri, ma con un minor numero di tasselli, posizionati in modo ottimale e con un supporto più robusto.
  • Usare la saldatura solo quando è assolutamente necessario dal punto di vista meccanico, e spingere per la ricottura di distensione quando le penalità EM sono elevate.

11. Chiudere il cerchio: validazione, NVH e direzioni future

In definitiva, la modellazione di saldature e incastri non serve tanto a disegnare un CAD più bello quanto a far sì che il prototipo virtuale si comporti come la macchina reale, comprese le sue imperfezioni.

Un solido flusso di lavoro di fascia alta tende ad avere questo aspetto:

• Controllo della realtà a livello di paragrafo con l'hardware
  • Misurazione della perdita del nucleo prima dell'assemblaggio (nuclei ad anello, test del solo statore).
  • Test completi del motore: a vuoto, a rotore bloccato, a punti di carico; misurazioni dell'aumento di temperatura e del rumore.
• EM + accoppiamento strutturale/NVH
  • Utilizzate il vostro modello EM di saldatura/interblocco per generare le armoniche di forza.
  • Alimentarli in un modello strutturale che anche comprende i giunti saldati/interbloccati e la loro rigidità/smorzamento.
  • Confrontare gli spettri di vibrazione simulati e misurati; perfezionare la rigidità della saldatura e dell'incastro e la modellazione della forza EM.
• Scorciatoie basate sui dati
  • Man mano che si accumulano progetti, è possibile addestrare modelli surrogati interni:
    • "Penalità di perdita rispetto al modello di saldatura" per una determinata famiglia di motori.
    • "Penalizzazione del rumore rispetto alla densità degli interblocchi".
  • Utilizzateli per vagliare rapidamente le opzioni di adesione prima di impegnarvi in un FE dettagliato.
• In prospettiva, la ricerca si sta già muovendo verso:
  • Modelli di materiali accoppiati a sollecitazioni dove B-H e le perdite dipendono direttamente dai campi meccanici locali, integrati nei solutori EM.
  • Assegnazione automatica di maglie e proprietà dalle simulazioni di processo (ad esempio, "importa le sollecitazioni residue dal FE di saldatura nel FE EM").
  • Librerie di degradazione standardizzate per specifici tipi di acciaio e processi di giunzione, in modo da non dover reinventare la ruota per ogni programma.