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.
I progettisti amano aggiungere poli, modificare i magneti o cambiare le strategie di controllo. Ma due delle manopole più silenziose e ad alto rendimento in una macchina elettrica a scanalature sono puramente geometrici:
Si tratta di elementi che vivono nell'ordine dei millimetri, ma che modellano la forma d'onda del flusso dell'air-gap, la distribuzione delle perdite, l'ondulazione della coppia e persino il rumore. Gli articoli sulla modellazione del nucleo dello statore e sulla progettazione delle scanalature dimostrano che un'attenta messa a punto di queste minuscole caratteristiche può spostare le perdite di ferro di decine di punti percentuali e modificare drasticamente il rumore magnetico.
La maggior parte dei blog li tratta come una linea in una schermata CAD. Non facciamo così.
Immaginate un dente di statore: un'alta trave di acciaio laminato, che si riduce in uno stretto dente superiore che si trova di fronte al rotore. Il raggio della punta del dente è l'arrotondamento agli angoli interni, dove il dente incontra l'air-gap. Il apertura della fessura è lo spazio tra le punte dei denti vicini.
Queste due dimensioni si trovano proprio dove tutto accade:
Case di produzione specializzate in laminati elettrici in acciaio richiamare esplicitamente apertura della fessura, raggio della punta del dente e larghezza del ponte come dimensioni primarie da controllare perché influenzano direttamente il flusso del traferro, il contenuto armonico, le perdite e il rumore.
Prima di modificare la geometria, vale la pena di rivedere ciò che stiamo cercando di spostare: componenti di perdita. In qualsiasi macchina PM o a induzione con scanalature, l'efficienza è data principalmente da:
Il raggio della punta del dente e l'apertura della fessura sono principalmente manopole per la perdita di ferro e la perdita di corrente alternatanon le manopole del rame-I²R. I moderni modelli di perdita di ferro decompongono in genere la perdita del nucleo in tre parti: isteresi, correnti parassite classiche e una componente "in eccesso" o anomala che cattura gli effetti locali su microscala ad alta frequenza.
Studi di mappatura dettagliati su macchine PM ad alta velocità mostrano che il giogo e i denti dello statore dominano la perdita totale del nucleo, con il la parte superiore del dente è particolarmente sensibile alle variazioni di carico e di flusso. In alcune condizioni, l'aumento della perdita in cima al dente con il carico è superiore di centinaia di punti percentuali rispetto a quello del giogo.
Si tratta esattamente del raggio della punta del dente della regione e della rimodellazione dell'apertura della fessura.
Iniziare con il raggio della punta del dente ( R_t ). Immaginate di rimpicciolirlo verso lo zero: otterrete un'immagine molto angolo del dente tagliente. Le linee di flusso nel dente vogliono diffondersi nella fessura d'aria; uno spigolo vivo le costringe a passare attraverso una stretta "strozzatura", creando così un'atmosfera di grande effetto. affollamento del flusso e la saturazione locale nella parte superiore del dente.
Gli studi sul modellamento del nucleo dello statore dimostrano che l'introduzione di raggi adeguati agli angoli del dente (spesso si parla di radice, ma la stessa intuizione vale per la parte superiore) può ridurre sensibilmente le perdite locali del nucleo alleggerendo i picchi di densità di flusso.
D'altra parte, se si over-round la punta del dente, si allarga di fatto il vuoto d'aria a livello locale:
Le analisi di sensibilità sui PMSM a bobina dentata, in cui le dimensioni della punta del dente sono variabili, mostrano esattamente questo compromesso: la densità di coppia è fortemente influenzata dalla larghezza/raggio della punta del dente, ma c'è una regione di rendimento decrescente in cui un ulteriore arrotondamento rovina la coppia a fronte di modesti guadagni in termini di perdita.
Il "punto di forza" è di solito un raggio moderato: abbastanza grande per evitare la saturazione degli angoli e per attenuare i gradienti di flusso, abbastanza piccolo per mantenere una permeanza e una focalizzazione del flusso decenti.
Il apertura della fessura ( b_{so} ) è la distanza netta tra le punte dei denti in corrispondenza dell'air-gap. Ha una relazione complicata con le perdite perché rimodella il forma d'onda della permeanza intorno al traferro.
Storicamente, è noto che le fessure aperte introducono perdite aggiuntive anche in semplici nuclei di prova; un lavoro classico degli anni '30 evidenziava già che Le perdite dovute alle fessure aperte devono essere separate dalle "vere" perdite di ferro. nella caratterizzazione dei materiali.
Le ricerche più recenti sono più chiare:
E poi c'è l'avvolgimento: man mano che i conduttori si avvicinano all'apertura della fessura - dove i campi di dispersione e di frangia sono più ampi - i conduttori si avvicinano alla fessura.Le perdite di corrente alternata aumentano in modo significativo.
L'apertura di una fessura fa quindi leva su almeno quattro elementi: la perdita di ferro, la coppia, la perdita di corrente alternata e il rumore.
Il raggio della punta del dente e l'apertura della fessura possono essere trattati come altri due parametri di progettazione in un'ottimizzazione parametrica, ma si comportano in modo diverso da quantità globali come la lunghezza della pila o lo spessore del magnete. Influenzano soprattutto qualità del campo e distribuzione locale delle perdite, non solo per le prestazioni di massa.
Buone notizie: questo li rende bersagli perfetti per una analisi di sensibilità mirata.
In pratica, combinerete FEA 2D/3D con un modello di perdita di ferro (tipo Bertotti o varianti migliorate) ed eventualmente un modello di perdita di avvolgimento in CA.
Per rendere più concreti i compromessi, la tabella seguente riassume effetti qualitativi di variazione del raggio della punta del dente e dell'apertura della fessura, combinando le tendenze osservate in diversi tipi di macchine.
⚠️ La tabella è intenzionalmente qualitativa. Le sensibilità esatte dipendono dalla macchina: le combinazioni scanalatura/palo, il tipo di magnete, la velocità e il materiale sono tutti fattori importanti.
| Modifica del design | Effetto primario su flusso e armoniche | Impatto tipico sulle perdite (qualitativo) | Altri effetti collaterali / note |
|---|---|---|---|
| Leggero aumento del raggio della punta del dente | Flusso uniforme agli angoli del dente, riluttanza locale del traferro marginalmente più elevata | ↓ Punti caldi di perdita di ferro in cima al dente; ≈ Perdita del giogo; effetto piccolo o neutro sulla perdita di ferro totale dello statore | Spesso "libero" dal punto di vista della coppia se il raggio è modesto |
| Grande aumento del raggio della punta del dente | Concentrazione del flusso significativamente più debole nella parte superiore del dente | ↓ Perdita di ferro in cima al dente; può ↓ perdita di ferro complessiva dello statore, ma non in proporzione alla riduzione di coppia | Notevole calo di coppia / EMF; può ridurre leggermente il cogging |
| Diminuzione del raggio della punta del dente (angolo più nitido) | Affollamento del flusso più forte agli angoli interni dei denti | ↑ Perdita di ferro dalla sommità del dente; potenziale ↑ di perdita in eccesso a causa di forti gradienti locali. | Può aumentare un po' la coppia; peggiora l'NVH e le temperature degli hotspot |
| Allargamento dell'apertura della fessura (area di slot ≈ costante) | Forma d'onda della permeanza più piatta, maggiore riluttanza in punta, armoniche di fessura più forti | Spesso ↓ perdita del nucleo del dente dello statore; possibile ↑ perdita del rotore o di dispersione; ↑ perdita di rame CA vicino alla parte superiore della fessura se i conduttori sono vicini | Può aumentare l'ondulazione della coppia e il rumore magnetico |
| Apertura stretta della fessura (area di slot ≈ costante) | Maggiore focalizzazione del flusso, riduzione delle armoniche di fessura | ↑ Perdita del ferro in cima al dente (B locale più alto); la perdita del giogo può cambiare di poco; ↓ perdita del ferro indotta da armoniche a fessura in alcune macchine | Buona densità di coppia, ma l'inserimento dell'avvolgimento è più difficile |
| Spostare i conduttori più vicino all'apertura della fessura ad apertura fissa | Campo di dispersione più elevato attraverso i conduttori | ↑ Perdita di rame in CA e riscaldamento dei fili, soprattutto in caso di alimentazione ad alta frequenza o PWM | A volte viene fatto per motivi termici/meccanici, ma deve essere controllato. |
Gli echi di queste tendenze si ritrovano negli studi dettagliati di distribuzione della perdita del nucleo statoricodove le perdite in cima al dente sono le più sensibili alle variazioni del modello di campo e del carico.
Tutta questa bella analisi di sensibilità presuppone che la macchina costruita corrisponda effettivamente alla geometria simulata.
In realtà, tolleranze di attrezzaggio e stampaggio raggio della punta del dente e apertura della fessura. I fornitori di prodotti per la laminazione sottolineano che le tolleranze strette degli stampi sono essenziali per mantenere apertura della fessura, raggio della punta del dente e larghezza del ponte entro gli obiettivi di progetto; in caso contrario, le perdite e il rumore si allontanano dai valori previsti.
Gli studi di sensibilità sulle geometrie degli statori mostrano inoltre che larghezza dei denti non uniforme o piccole deviazioni nella geometria del dente possono spostare il collegamento del flusso e il fattore di avvolgimento in misura tale da modificare la distribuzione della coppia e delle perdite.
Se si sta spingendo l'efficienza a 95-98%, un controllo approssimativo di una tolleranza di apertura di 0,1-0,2 mm può cancellare settimane di ottimizzazione FEA.
Se si segue mentalmente il flusso, il raggio della punta del dente e l'apertura della fessura smettono di essere solo dimensioni e cominciano a sembrare manopole di sintonia per la forza con cui l'acciaio deve lavorare.
La letteratura sulle macchine PM a induzione, a flusso radiale e a flusso assiale mostra che:
Il vostro compito di designer è quello di decidere dove spendere e dove risparmiare:
Un'analisi di sensibilità strutturata, incentrata solo sul raggio della punta del dente e sull'apertura della fessura, fornisce una mappa dei compromessi invece di affidarsi alle intuizioni. Una volta ottenuta questa mappa, ogni macchina progettata in futuro ne trarrà vantaggio, perché queste due piccole dimensioni toccano silenziosamente quasi tutti i meccanismi di perdita che contano.
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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