Nucleo del motore 10: Fessure/Poli: come si configurano le scelte progettuali di statore e rotore

Quando gli ingegneri discutono di motori, di solito parlano di magneti, di rame o di trucchi per gli inverter. Ma, sottovoce, sotto tutti questi aspetti, un molto Una semplice decisione sta guidando quasi tutto:

Quanti slot dello statore e quanti poli del rotore si utilizzano?

La combinazione scanalatura/palo decide se il motore ronza dolcemente o urla, se i magneti funzionano bene o si cuociono e se la macchina è facile da produrre o un incubo. Le ricerche più recenti continuano a giungere alla stessa conclusione: La scelta della scanalatura e del polo è la prima decisione di progettazione da adottaresoprattutto con le moderne macchine di avvolgimento concentrato a scanalature frazionali (FSCW).

• Alla fine di questo articolo, sarete in grado di:
  • Leggete una notazione di slot/poli come "12s/10p" e immaginate immediatamente cosa significa per l'avvolgimento, il cogging e la coppia.
  • Capire come le fessure e i pali congiuntamente vincolano la geometria dei denti dello statore, la disposizione dei magneti del rotore e le perdite.
  • Confrontate 10 combinazioni di slot e poli del mondo reale e scoprite quali famiglie sono adatte ai veicoli elettrici, ai droni, alle pompe o alla trazione diretta.
  • Fate domande molto più precise quando un fornitore propone una laminazione o un numero di poli del rotore "standard".

1. Fessure, pali e qIl modello mentale di 30 secondi

Fissiamo la terminologia per una macchina trifase (la maggior parte di ciò che segue si generalizza facilmente):

• Slot (Q) - denti e fessure nel nucleo dello statore dove vive il vostro rame.
• Pali (2p) - poli magnetici nord/sud intorno al rotore (o statore, in alcune topologie).
• Slot per polo per fase (q) - il rapporto chiave:

[ q = \frac{Q}{m \cdot 2p} \quad \text{(con } m = 3 \text{ per una macchina trifase)} ]

Questo singolo numero, qindica se l'avvolgimento è "a scanalatura integrale" (integer q) o "a fessura frazionaria" (non intero). q). Le macchine con avvolgimento concentrato a scanalature frazionarie (FSCW), ora comuni nei veicoli elettrici, nel settore aerospaziale e nei generatori, scelgono deliberatamente q < 1 per un'elevata densità di coppia e giri finali brevi.

• Cosa controlla realmente la scelta dello slot e del polo (in parole povere):
  • Densità di coppia - Più poli di solito significano più coppia per volume a bassa velocità, ma anche una velocità di base inferiore.
  • Ondulazione di cogging e coppia - Alcune combinazioni provocano pulsazioni di coppia fastidiose, mentre altre le "mediano".
  • Fattore di avvolgimento - quanto efficacemente il vostro MMF fondamentale si somma; combinazioni sbagliate sprecano rame e volume del magnete.
  • Rumore e vibrazioni - alcuni schemi di scanalature/poli generano forti forze radiali nello statore, con conseguente rumore acustico.
  • Produttività - complessità di inserimento delle bobine, necessità di skew, varietà di laminazione e segmentazione del magnete.

2. Integrale vs Fractional-Slot: il bivio

Storicamente, i grandi motori industriali sono nati con avvolgimenti distribuiti a scanalatura integrale:

• Esempio: 36 slot / 4 poli, trifase
  • q = 36 / (3-4) = 3
  • Molte bobine piccole e sovrapposte → MMF molto sinusoidale, basso contenuto armonico, bassa ondulazione di coppia.

Poi sono arrivate le macchine PM ad alto numero di poli e le applicazioni di azionamento diretto. Per mantenere il rame corto e semplificare l'avvolgimento, i progettisti si sono spostati su avvolgimenti concentrati a scanalatura frazionaria (FSCW) dove ogni dente porta una bobina concentrata e q è frazionario.

Non si è trattato di un semplice cambiamento di moda. ha cambiato radicalmente il modo in cui scegliamo le coppie slot/polo. Invece di "qualsiasi cosa dia un bell'avvolgimento distribuito", ora si punta a un obiettivo:

• Un alto fattore di avvolgimento fondamentale (≈ 0,9 o superiore per molti progetti).
• Un alto frequenza della coppia di cogging (quindi i singoli impulsi di cogging sono piccoli).

• Classificazione mentale rapida con q:
  • q ≥ 2 → Avvolgimento distribuito "classico" (ad esempio, 36/4): coppia regolare, ma maggiore lunghezza del rame e avvolgimento più complesso.
  • 1 ≤ q < 2 → compatto distribuito o semi-concentrato; spesso utilizzato nei PMSM industriali.
  • 0.25 ≤ q < 1 → concentrato a slot frazionari; domina le moderne macchine PM ad alto polo e i motori a mozzo ruota.
  • q < 0.25 → frazionario estremo; di solito troppi poli per il numero di slot, con forti parassitismi a meno che non sia progettato con molta attenzione.

3. Come le combinazioni di slot/poli rimodellano il design dello statore

Una volta scelti Q e 2p, il vostro Lo spazio della geometria dello statore collassa a una serie più ristretta di opzioni praticabili:

• Larghezza e saturazione dei denti.
  • Meno fessure (Q piccolo) → denti larghi che possono saturarsi se si spinge la densità di flusso, limitando la coppia.
  • Più fessure → denti più stretti; è facile saturare, ma si ottiene un migliore controllo della forma dell'MMF e più opzioni per modificare le aperture delle fessure.
• Apertura della fessura e armoniche.
  • Il rapporto tra la larghezza della punta del dente e l'apertura della fessura controlla la variazione della permeanza del traferro e quindi la coppia di ingranaggi.
  • Aperture strette delle fessure e particolari combinazioni Q/2p possono ridurre drasticamente il cogging, ma possono complicare la produzione e l'inserimento.
• Percorso termico e fattore di riempimento.
  • Un numero elevato di fessure offre un maggiore perimetro per la fuoriuscita del calore, ma anche più interfacce di isolamento.
  • Gli avvolgimenti a scanalature frazionate possono semplificare le forme delle bobine e migliorare l'impacchettamento del rame in ciascuna scanalatura, bilanciando l'area della scanalatura più piccola.

• Lista di controllo sul lato statore quando si fissa una coppia di slot/poli proposta:
  • "È q all'interno di un intervallo confortevole (≈0,25-3) per il mio tipo di produzione e di avvolgimento?".
  • "Posso raggiungere la densità di flusso dei denti desiderata senza arrivare a una saturazione profonda?".
  • "Ho un'area di slot sufficiente per il rame e con la densità di corrente richiesta?".
  • "Ho bisogno di trucchi come lo skew della scanalatura, le scanalature fittizie o le tacche dei denti per gestire l'ingranaggio di questa combinazione?".
  • "Questa Q mi permette di riutilizzare gli utensili di laminazione esistenti o implica un nuovo set di punzoni?".

4. Conseguenze del rotore che non si possono ignorare

Cambiando la combinazione di slot e polo, si cambia anche il l'intero lavoro del rotoreCome trasporta il flusso, come sono dimensionati e posizionati i magneti e quali armoniche colpiscono i magneti e l'albero.

Per macchine PMSM e SPM montate in superficierecenti studi comparativi dimostrano che la scelta del palo/slot influisce fortemente:

• Forma d'onda della back-EMF.
• Ampiezza e frequenza della coppia di cogging.
• Perdite nei magneti e nel nucleo del rotore.

Per PM interno (IPM) o riluttanza La stessa coppia slot/polo determina la posizione delle barriere di flusso e la separazione delle induttanze dell'asse d e q, fondamentale per l'attenuazione del campo.

• Domande sul lato rotore da porre per qualsiasi proposta di slot/poli:
  • "Di quale arco di polo (distanza tra i magneti) avrò bisogno per ottenere una buona coppia senza saturare eccessivamente i denti dello statore?".
  • "La frequenza della coppia di cogging è sufficientemente alta da mantenere la sua ampiezza ridotta?". (Maggiore LCM di slot e poli → maggiore frequenza, minore ampiezza).
  • "Le subarmoniche di questa coppia scanalatura/palo determineranno modi di vibrazione fastidiosi nel mio alloggiamento o nell'albero?".
  • "Posso segmentare i magneti o inclinare il rotore senza rendere impossibile il montaggio o il costo?".
  • "Questa combinazione si adatta alla mia velocità meccanica massima (sforzo centrifugo vs densità del magnete)?".

5. Dieci combinazioni di slot e pali del mondo reale - e quali sono le loro caratteristiche fare

Di seguito è riportato un un'istantanea pratica di 10 combinazioni comuni o esemplificative di slot/poli per motori trifase. Non si tratta di etichette "buone o cattive", ma di punti di partenza per riflettere sul collegamento tra statore e rotore.

q è calcolato per la fase 3 (m = 3): q = Q / (3-2p)

Il quadro generale: Quando si passa da (36/4) a (48/40), si scambia la velocità con la coppia e le "belle sinusoidi" con macchine compatte ad alto numero di poli che richiedono un attento controllo armonico e meccanico.

• Quando qualcuno propone una combinazione di slot/poli, chiedetevi:
  • "A quale riga della tabella si sente più vicino?".
  • "Sono più vicino al 'mondo industriale 36/4' o al 'mondo 48/40 a trasmissione diretta'?".
  • "La mia tecnologia di laminazione e di magneti è abbastanza matura per il lato ad alta polarità di questo spettro?".

6. Cosa dice la ricerca sulle "buone" combinazioni fessura/palo

Molti lavori accademici hanno cercato di rispondere alla domanda "qual è la migliore coppia slot/poli?" per diversi tipi di macchine. Il riassunto onesto è: dipende dalle vostre priorità - ma c'è sono modelli.

Principali risultati della letteratura recente sulle macchine PM con avvolgimenti concentrati:

• Alto fattore di avvolgimento + alta frequenza di cogging = candidati forti.
  • Gli studi sulle macchine FSCW dimostrano che le combinazioni in cui il numero di slot è vicino al numero di poli possono raggiungere fattori di avvolgimento superiori a 0,95, se il layout è simmetrico.
  • Allo stesso tempo, un elevato multiplo minimo comune (LCM) di slot e poli aumenta la frequenza della coppia di cogging e di solito ne riduce l'ampiezza.
• Ma alcuni layout "ad alto fattore di vento" sono problematici.
  • Il lavoro classico di Libert & Soulard dimostra che combinazioni come Qs = 9 + 6k con p = Qs ± 1 (che include 9/8) possono avere un'ondulazione di coppia molto elevata e forze magnetiche sbilanciate, a meno che non vengano accuratamente mitigate.
• Regole di progettazione per macchine BLDC / PM:
  • Una linea guida ampiamente citata per le BLDC è quella di garantire:
    • Numero intero di slot per avvolgimento unitario per fase.
    • Simmetria trifase soddisfatta.
    • q > 0.25.
    • Fattore di passo > 0,5 e fattore di avvolgimento complessivo > 0,85.
• L'ottimizzazione specifica dell'applicazione è importante.
  • 2023-2025 Gli studi dimostrano che le combinazioni "ottimali" differiscono tra:
    • Generatori di droni (ossessionati dal peso e dall'efficienza).
    • PMSM di perforazione (bassa velocità, coppia elevata, forte indebolimento del campo).
    • Motori delle ventole del radiatore (devono essere compatti, silenziosi e durevoli).
  • In ogni caso, lo slot/polo viene scelto insieme alla topologia del rotore, al concetto di raffreddamento e ai vincoli di controllo. mai in isolamento.

• Come tradurre tutte queste ricerche in una regola mentale:
  • Iniziare con combinazioni che:
    • Dare un frazionario q tra ~0,3 e 0,7 se si vogliono progetti FSCW compatti.
    • Evitate i famigerati schemi "sbilanciati" (ad esempio, alcuni layout di tipo 9/8) a meno che non siate conoscere come gestire l'ondulazione della coppia e il rumore.
    • Avere un grande LCM(Q, 2p) per spingere la frequenza di cogging in alto e l'ampiezza in basso.

7. Un flusso di selezione pratico (statore + rotore insieme)

Ecco un a misura d'uomo modo di scegliere una combinazione di slot e poli per un nuovo motore, che rifletta ciò che la ricerca di alto livello e i veri uffici di progettazione fanno realmente.

1. Sistemare prima le cose facili
   • Obiettivo punto di velocità-coppia al funzionamento nominale e alla velocità massima.
   • Decidere su tipo di macchina: SPM, IPM, riluttanza sincrona, ecc.
   • Decidete all'incirca se vi trovate nel "distribuito" (q ≥ 1) o "concentrato" (q < 1) campo.
2. Scegliere un breve elenco di coppie candidate Q / 2p
   • Utilizzate la vostra famiglia di applicazioni:
     • Pompa / ventilatore / uso generale → avvio vicino a 12/4, 24/4, 36/4.
     • Servo/attuatore compatto → prova 12/8, 12/10, 18/16.
     • Coppia elevata a bassa velocità → guardare 24/22, 27/22, 36/30, 48/40.
   • Per ogni candidato, calcolare q e rifiutare rapidamente tutto ciò che non rientra nella propria zona di produzione.
3. Valutare le prestazioni del lato statore
   • Calcolo fattore di avvolgimento e le armoniche MMF (anche strumenti analitici rapidi o fogli di calcolo aiutano).
   • Controllo riempimento dello slot, densità di flusso del dente e perdita di rame approssimativa.
   • Individuare gli accorgimenti necessari per lo statore: obliquità, intagli, scanalature ausiliarie, sagomatura delle punte dei denti.
4. Valutare le prestazioni del rotore
   • Per ogni candidato, disegnare la disposizione del magnete, l'arco dei poli e la segmentazione.
   • Stima coppia di cogging livello e frequenza (basato su LCM) e verificare la sensibilità dell'applicazione.
   • Si considerino le sollecitazioni meccaniche alla massima velocità e le implicazioni di raffreddamento per i magneti e il ferro del rotore.
5. Eseguire una FEA rapida solo su 2-3 finalisti
   • I documenti più recenti sottolineano che FEA è il luogo in cui vedere correttamente la saturazione e le perdite, ma non è necessario simulare tutte le combinazioni possibili, solo quelle promettenti.
   • Confronta:
     • Coppia media e ondulazione di coppia.
     • Forma della retro-EMF e THD.
     • Perdite e hotspot termici.
6. Scegliere il compromesso "meno doloroso
   • Raramente esiste un vincitore perfetto; la scelta migliore è quella che:
     • Raggiunge gli obiettivi di performance con margine.
     • È producibile con la vostra catena di fornitura di laminazione, avvolgimento e magneti.
     • Ti lascia opzioni (ad esempio, è possibile in un secondo momento intagliare i denti, regolare l'arco dell'asta o inclinare leggermente il sistema senza dover riprogettare tutto).

• Se non ricordate altro da questo articolo, ricordate questo:
  • Le combinazioni di slot/poli non sono solo una curiosità da tavolo di avvolgimento, ma sono la prima leva di progettazione che blocca ciò che lo statore e il rotore possono fare.
  • Una volta che ci si impegna su Q e 2p, ogni successiva ottimizzazione è solo un controllo dei danni o un perfezionamento.

8. Riportare il tutto a "Motor Core 10".

Se pensiamo al "Motor Core 10" come alla decima decisione di progettazione essenziale, le combinazioni di slot e poli sono probabilmente tra le prime tre. Tutto il resto - grado del magnete, sofisticazione dell'inverter, raffreddamento - è costruito su questa base.

Quindi la prossima volta che una scheda tecnica dice casualmente "12 slot, 10 poli"Non limitatevi ad annuire e ad andare avanti. Fermatevi e chiedete:

• "Cosa mi dice questo sulla geometria dei denti dello statore e sul percorso termico?".
• "Che cosa costringe il rotore a fare - in termini di arco di polo, segmentazione e integrità meccanica?".
• "Questa combinazione è in linea con le mie priorità: silenziosità, coppia, costi o efficienza?".

Quando si iniziano a vedere combinazioni di slot/poli come progettare leve invece di semplici numerisarà molto più facile superare i concorrenti e avere conversazioni migliori e più fondate con i vostri clienti. fornitori di laminazione e produttori di motori.