Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
L'inclinazione del rotore non è gratuita. Si tratta di un taglio commerciale dell'acciaio.
In pile di laminazione del rotore, L'angolo di inclinazione è sostanzialmente un filtro armonico incorporato. Una piccola obliquità può abbattere le onde di forza guidate dalle scanalature, attenuare il cogging e calmare l'alloggiamento. Se si spinge l'angolo troppo in là, lo stesso movimento inizia a consumare l'uscita elettromagnetica utile, a spostare la forza assiale e a rendere la pila più difficile da costruire in modo ripetibile. Questo è il vero problema di progettazione. Non “dobbiamo inclinare”. Piuttosto, “quale armonica stiamo pagando per uccidere e cosa siamo disposti a restituire”.”
Il primo cambiamento è ovvio: la coppia di cogging diminuisce perché il rotore non presenta più lo stesso allineamento dente-slot su tutta la lunghezza assiale nello stesso istante. Il secondo cambiamento è meno piacevole: anche la fondamentale utile si attenua con l'aumento dello skew, quindi la coppia media e il margine di back-EMF possono diminuire. Il terzo cambiamento è quello che sorprende molti team. L'NVH non tiene conto del cogging uno a uno. Una forma d'onda a vuoto più pulita può comunque lasciare delle armoniche di forza a carico negative o una forza assiale non prevista.
Per questo motivo non consideriamo l'inclinazione del rotore come una casella di controllo nella progettazione degli stack di laminazione. La consideriamo un parametro di bilanciamento tra pulizia elettromagnetica, comportamento acustico e producibilità dello stack. Alcune macchine tollerano bene uno skew moderato. Altre no. Alcune mostrano addirittura un piccolo vantaggio in termini di efficienza a una combinazione di slot, per poi diventare negative all'aumentare dell'angolo. Stessa famiglia di motori. Accoppiamento di slot diverso. Questa parte è fastidiosa, ma normale.
Per quanto riguarda l'efficienza, la risposta pigra è “l'obliquità riduce le perdite attenuando la coppia”. Non è sufficiente.
Ciò che accade di solito è più disomogeneo. Uno skew moderato può ridurre il contenuto di armoniche parassite e attenuare le perdite legate all'ondulazione, quindi la variazione di efficienza netta può essere piccola, a volte neutra, a volte leggermente positiva in una finestra di progettazione ristretta. Ma quando l'angolo di skew continua a salire, la diminuzione dell'EMF utile o della costante di coppia inizia a essere più importante della pulizia delle armoniche. Negli studi pubblicati sulle macchine, alcune varianti oblique hanno mantenuto l'efficienza pressoché inalterata, altre sono migliorate leggermente con specifiche combinazioni di slot e molte non hanno mostrato alcun guadagno o hanno registrato un calo graduale all'aumentare dell'angolo.
Quindi non vendiamo lo skew internamente come una caratteristica di efficienza. Lo vendiamo come uno strumento di gestione delle armoniche che deve sopravvivere a una verifica di efficienza. Se il business case è l'energia prima di tutto, lo skew deve dimostrarlo nei punti di funzionamento reali, non su un tranquillo grafico a vuoto. Il carico, la saturazione e la combinazione di slot possono spostare l'optimum a tal punto che il vincitore a vuoto diventa un compromesso a carico nominale.
Il cogging è il caso in cui lo skew del rotore continua a pagare l'affitto.
Il motivo è abbastanza semplice da non richiedere una lezione: lo sfalsamento assiale impedisce all'intera pila di rinforzare lo stesso evento di riluttanza nella stessa posizione del rotore. Nei lavori analitici e di prova, uno skew moderato o a più fasi riduce regolarmente gli ordini di cogging dominanti; in alcuni casi di oltre la metà, in altri molto di più. I metodi di skew discreto hanno riportato riduzioni di coppia fino a 70% e gli studi di skew a tacche o PM hanno mostrato riduzioni di cogging molto elevate quando l'ordine armonico desiderato è ben adattato.
C'è un problema. La cancellazione completa sulla carta è più facile della cancellazione completa nell'acciaio. Le perdite di estremità, gli effetti dei bordi dei segmenti, la saturazione e la distorsione del campo assiale continuano a comparire e a rovinare il risultato perfetto. Ecco perché la storia dell“”angolo di inclinazione ideale" è di solito troppo semplice per le pile di laminazione di produzione. L'armonica target può crollare. Raramente la macchina diventa magicamente priva di ondulazioni.
Questa è la parte che sfugge in troppe discussioni sui motori.
L'obliquità può migliorare l'NVH perché indebolisce le fonti elettromagnetiche che alimentano il rumore della struttura: componenti di cogging, componenti di ondulazione della coppia, armoniche di back-EMF e onde di forza radiali. Ma il risultato dell'NVH dipende da quali ordini di forze rimangono, da come si allineano le modalità di alloggiamento e statore e dal fatto che il modello di inclinazione introduca una forza assiale o uno squilibrio direzionale. Per questo motivo, oggi gli studi più seri sull'obliquità esaminano insieme la forza assiale, il rumore irradiato e il comportamento avanti/indietro, e non solo le FFT della coppia.
In altre parole, una traccia di cogging inferiore non è il traguardo. Abbiamo visto angoli di skew che fanno apparire più pulita la forma d'onda a vuoto, poi costano la coppia media, quindi spostano il contenuto di forza in un'area che la struttura ama cantare. Problema diverso, stesso reclamo del cliente. Per le macchine di tipo trazione, l'obliquità segmentata e l'obliquità asimmetrica a due fasi hanno mostrato grandi riduzioni delle vibrazioni, ma solo dopo che l'angolo e il modello di pila sono stati messi a punto rispetto alla risposta elettromagnetica e strutturale.
La tabella seguente è il modo in cui inquadriamo l'inclinazione del rotore nelle discussioni sullo stack di produzione. Non come diagramma teorico. Come tabella decisionale.
| Scelta dell'obliquità negli stack di laminazione dei rotori | Effetto efficienza | Effetto della coppia di ingranaggi | Effetto NVH | Nota sul lato fabbrica |
|---|---|---|---|---|
| Nessuna obliquità | Massima possibilità di preservare l'EMF grezzo e la coppia media | Rischio più elevato di cogging dovuto all'allineamento delle scanalature | Rischio maggiore di contenuti tonali discreti | Creazione dello stack più semplice, registrazione più facile |
| Piccola obliquità | Spesso quasi neutro | Notevole riduzione degli ordini di cogging dominanti | Spesso utile, non sempre sufficiente sotto carico | Buon candidato alla prima produzione |
| Obliquità moderata | Di solito la zona di compromesso migliore | Soppressione del cogging più forte | Spesso il miglior scambio pratico di NVH | La segmentazione step-skew di solito funziona bene in questo caso. |
| Skew aggressivo | Maggiore possibilità di coppia media e di penalizzazione del CEM | I rendimenti decrescenti possono iniziare a manifestarsi | Può essere utile, ma può introdurre effetti collaterali strutturali o di forza assiale. | Controllo della pila più difficile, maggiore sensibilità alla tolleranza |
| Altri segmenti di obliquità | La coppia media spesso cambia poco dopo un punto | L'ondulazione di solito diminuisce per prima, poi il guadagno si appiattisce | Può migliorare la distribuzione della forza | Più segmenti significano maggiore complessità di assemblaggio |
Questo schema è coerente con l'attuale lavoro FEA e sperimentale: un'inclinazione moderata tende a fornire il miglior scambio complessivo, mentre un'inclinazione aggressiva offre vantaggi minori e inizia a far pagare la coppia, la forza assiale o la complessità della costruzione. Inoltre, l'aggiunta di segmenti non è una mossa definitiva; alcuni studi mostrano miglioramenti fino a un certo punto, poi un plateau o addirittura una leggera inversione di tendenza a seconda del modello di skew.
Perché l'angolo di inclinazione sul disegno non è l'angolo di inclinazione che raggiunge il banco di prova.
Le pile di laminazione del rotore con inclinazione a gradino vivono o muoiono in base alla registrazione della pila, all'indicizzazione dei segmenti, alla distorsione della saldatura o dell'incollaggio, al controllo delle bave e alla coerenza della posizione assiale. Sulla carta, l'andamento obliquo può annullare l'armonica desiderata. In officina, una piccola discrepanza tra i segmenti può annullare rapidamente questo vantaggio. Più la pila è segmentata, più questo aspetto è importante. Per questo motivo, quando indichiamo le pile di laminazione oblique, non indichiamo solo l'angolo. Citiamo anche il grado di tenuta di quell'angolo durante l'assemblaggio.
Questo è anche il motivo per cui l'inclinazione continua non è sempre la risposta commerciale, anche quando sembra elegante nella simulazione. Le pile di laminazione con inclinazione a gradini sono un'approssimazione pratica perché si adattano meglio agli utensili, all'impilaggio e all'ispezione. E se l'insieme armonico è compreso abbastanza bene, l'obliquità a due o più fasi può avvicinarsi molto al risultato elettromagnetico desiderato senza trasformare il rotore in un problema di produzione.
Si parte dall'armonica negativa, non da un valore di grado arrotondato.
Una scorciatoia mentale utile è la seguente: lo skew dovrebbe essere abbastanza grande da rompere l'ordine di forze che in realtà non vi piace, pur rimanendo abbastanza piccolo da preservare l'onda utile che siete pagati per mantenere. Il lavoro analitico sul fattore di skew delle macchine a induzione mostra perché uno skew moderato spesso sopravvive alla revisione. Intorno a una distanza di skew di uno-due denti, la fondamentale può rimanere molto alta mentre alcune armoniche di slot più alte collassano bruscamente. Questo è il tipo di scambio che si desidera. Non un angolo drammatico fine a se stesso.
Successivamente, controlliamo cinque cose. Ondulazione della coppia a carico nominale. Cogging a vuoto. Spettro della forza radiale. Forza assiale. Tolleranza di costruzione della pila. Non è elegante. Ma funziona. E impedisce l'errore classico di ottimizzare lo skew su una traccia a vuoto, per poi scoprire alla corrente nominale che il vero optimum operativo si è spostato altrove.
L'angolo di inclinazione del rotore non deve essere scelto come parametro di stile per le pile di laminazione. Dovrebbe essere scelto come compromesso controllato.
Se la macchina non è in grado di gestire il cogging e l'NVH tonale, l'obliquità è spesso una delle soluzioni più semplici dal punto di vista della geometria. Se la macchina è già molto rigida per quanto riguarda il margine di back-EMF, la densità di coppia o la tolleranza della forza assiale, lo skew richiede una maggiore disciplina. E se qualcuno pretende una regola di skew fissa per ogni combinazione di slot/poli, ogni punto di carico, ogni architettura di stack di laminazione, sta saltando la parte difficile.
Per la maggior parte dei programmi di laminazione B2B, la risposta vincente non è l'angolo di inclinazione massimo. È l'inclinazione più piccola che elimina l'armonica costosa. Di solito è sufficiente. Di solito.
Di solito riduce le componenti dominanti del cogging, sì. Ma non in modo perfettamente lineare e non senza effetti collaterali. Una volta che si manifestano gli effetti finali, le perdite, la saturazione e i bordi dei segmenti, il guadagno extra derivante da un maggiore skew può appiattirsi mentre la coppia media e il margine EMF continuano a diminuire.
No. Una riduzione del cogging aiuta la scorrevolezza, ma l'efficienza dipende dall'equilibrio completo tra la riduzione delle perdite armoniche e la perdita di potenza elettromagnetica utile. Alcune macchine subiscono pochi cambiamenti, altre migliorano leggermente in una finestra ristretta, altre ancora perdono efficienza con l'aumentare dell'angolo di skew.
Non in modo affidabile. Lavori recenti dimostrano che lo skew ottimale per ottenere il minimo ripple di coppia può variare con il carico, il carico elettrico e la saturazione. Un angolo di skew scelto solo in base ai dati di cogging a vuoto può mancare il vero optimum a carico.
In molti rotori di produzione, sì. L'inclinazione a gradini è l'approssimazione pratica, perché è più facile da produrre e ispezionare, e gli approcci a due o più gradini possono ancora rimuovere efficacemente i principali componenti di ondulazione. Un numero maggiore di segmenti può essere utile, ma solo fino al punto in cui il beneficio cessa di ripagare la maggiore complessità della pila.
Può. L'obliquità può ridurre l'eccitazione torsionale e le armoniche di forza, ma può anche creare una forza assiale non nulla. Ecco perché l'ottimizzazione della NVH dovrebbe includere l'analisi della forza assiale, non solo i grafici dell'ondulazione di coppia.
Si tratta di una regione di partenza comune, in quanto uno skew moderato spesso preserva ragionevolmente bene la fondamentale, riducendo al contempo le armoniche di slot più alte. Ma è solo un punto di partenza. La scelta finale spetta alla combinazione effettiva di slot/poli, al caso di carico e all'architettura dello stack.
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
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