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.
In pile di laminazione del rotore, Lo skew non è un angolo estetico. È uno strumento di fase.
Quando una pila di rotori rettilinei lascia che ogni fetta assiale incontri lo stesso evento di scanalatura nello stesso istante, i picchi di ondulazione si sommano. In modo pulito. Troppo nettamente. L'obliquità interrompe l'allineamento lungo la lunghezza dello stack, quindi i disturbi locali della coppia smettono di arrivare in fase. La coppia media rimane. Gran parte delle asperità invece no. Questo effetto di base è il motivo per cui lo skew del passo di una scanalatura continua a comparire nel lavoro serio sui motori: può lasciare la fondamentale quasi invariata, mentre taglia il contenuto relativo alla scanalatura molto più duramente. Secondo uno studio analitico, il fattore di skew fondamentale è pari a circa 0,995 per uno skew con passo a una scanalatura, mentre la prima armonica della scanalatura scende a circa 7% nello stesso contesto.
Questo è il lato della coppia.
Il lato del rumore è vicino, ma non identico. Il rumore elettromagnetico è determinato meno dalla coppia media e più dalle onde di forza, in particolare dal contenuto di forza radiale che trova un percorso strutturale nell'alloggiamento. Una volta che le laminazioni del rotore sono inclinate, queste onde di forza vengono ridistribuite lungo la direzione assiale invece di accumularsi in un unico schema circonferenziale. La macchina continua a produrre forza. Semplicemente, smette di produrre lo stesso schema di forza, nello stesso punto e nello stesso momento, per tutta la lunghezza del nucleo. Questo è importante. Recenti studi sulle vibrazioni delle macchine a magneti permanenti e a induzione hanno messo in relazione l'obliquità con la riduzione delle armoniche di coppia, con l'indebolimento delle componenti problematiche delle onde di forza e con la riduzione delle vibrazioni o del rumore quando l'angolo di obliquità viene selezionato tenendo conto dello spettro elettromagnetico.
Una pila di laminazione del rotore inclinata è un dispositivo di mediazione assiale. Questa è la descrizione più breve e accurata.
Ogni laminazione, o ogni segmento di pila in una costruzione a passo, viene ruotata di un piccolo incremento angolare. Pertanto, l'allineamento della scanalatura del dente visto in una posizione assiale è sfalsato rispetto all'allineamento visto a pochi millimetri di distanza. La variazione della riluttanza locale è ancora presente. Le scanalature sono ancora presenti. Le fonti di cogging sono ancora presenti. Sono solo sfasate lungo la pila, il che indebolisce il disturbo sommato visto all'albero e all'alloggiamento.
Ecco perché l'inclinazione è di solito più efficace di quanto non sembri la sua geometria. Pochi gradi. A volte meno. Tuttavia, l'interazione tra aria e intercapedine cambia abbastanza da attenuare l'effetto "notchiness" a bassa velocità, appiattire i picchi di ondulazione e calmare la firma acustica. Di solito non per magia. Per cancellazione.
E no, lo skew continuo non è l'unica forma utile. Nelle pile di laminazione di produzione, l'obliquità a gradini è spesso la soluzione più pratica perché approssima lo stesso effetto di mediazione con segmenti assiali discreti. L'obliquità continua è fondamentalmente il caso limite dell'obliquità a gradini con un numero di segmenti molto elevato. L'intento elettromagnetico è lo stesso, ma non il percorso di produzione.
La risposta più ovvia è “cancellazione armonica”. Corretta, ma troppo ampia.
Ciò che conta negli stack di laminazione del rotore reale è quali armoniche si chiede allo skew di punire e quanto si è disposti a pagare per questa punizione. Un piccolo skew può indebolire fortemente le armoniche di slot, toccando appena il campo di lavoro principale. Aumentando troppo lo skew, il componente principale che produce la coppia inizia a restituire qualcosa. Questo compromesso non è teorico. Si manifesta nella coppia misurata, nel comportamento all'avviamento, nella coppia massima e nella forma della back-EMF. Gli studi condotti su diverse famiglie di macchine si attestano sempre nella stessa regione: il passo di circa una fessura statorica è spesso un primo obiettivo pratico, perché la riduzione dell'ondulazione è significativa, mentre la penalizzazione della coppia media può rimanere contenuta. Un risultato classico ha riportato una riduzione della coppia media inferiore a 2% a un passo di slot in una serie di macchine a riluttanza, mentre gli spostamenti più ampi hanno spinto la penalizzazione molto più in alto. Il lavoro sulle macchine a induzione mostra anche che, all'aumentare dell'angolo di skew, la coppia di avviamento e la coppia massima tendono a diminuire, anche se le armoniche legate alle vibrazioni migliorano.
Quindi la domanda migliore non è “L'obliquità riduce l'ondulazione della coppia?”. È vero. La domanda migliore è: quali componenti di ondulazione sono dominanti in questa pila e quanto siamo disposti a diluire la fondamentale per annullarle?
È qui che l'ingegneria della pila di laminazione smette di essere generica. Il numero di slot, il numero di poli, la sensibilità del traferro, il livello di saturazione, la strategia di controllo e il punto di carico sono tutti fattori importanti. Anche la stessa topologia di rotore può richiedere una decisione di skew diversa quando lo spettro di carico cambia. Il recente lavoro sugli angoli di skew ottimali in condizioni di carico variabile conferma direttamente questo punto: l'efficacia dello skew dipende dal carico e la saturazione cambia la risposta.
Il rumore diminuisce per due motivi. Uno diretto. Uno indiretto.
La ragione diretta è che l'obliquità indebolisce le componenti delle onde di forza che altrimenti ecciterebbero in modo più aggressivo lo statore e l'alloggiamento. Nell'analisi delle macchine a induzione, la distribuzione radiale della forza elettromagnetica cambia lungo la direzione assiale una volta introdotta l'obliquità. Negli studi sulle macchine a magneti permanenti, l'inclinazione del rotore sopprime il contenuto di forza che alimenta le vibrazioni elettromagnetiche e il rumore. Questo è il percorso strutturale.
La ragione indiretta è che la riduzione del cogging e dell'ondulazione di coppia riduce i problemi di vibrazioni secondarie che si manifestano a bassa velocità, durante le transizioni e in prossimità delle bande operative di risonanza. Un recente studio sui motori di trazione che ha utilizzato uno skew a due fasi ha riportato una riduzione della coppia di cogging di circa 91,6%, con riduzioni della velocità di vibrazione di circa 51,9% alla velocità nominale e 68,7% alla velocità massima, anche se questi numeri sono specifici per la geometria e non dovrebbero mai essere copiati alla cieca in un nuovo progetto. Lo schema è la parte utile: quando lo skew viene regolato intorno agli ordini di eccitazione dominanti, il beneficio acustico può essere molto più grande di quanto suggerisca il piccolo angolo.
Ma c'è un problema. Il rumore non riguarda solo l'ondulazione della coppia. Un rotore inclinato può introdurre componenti di campo assiale ed effetti di forza assiale che non appaiono chiaramente in un ragionamento 2D semplificato. Questo è uno dei motivi per cui i primi risultati di coppia possono sembrare promettenti, mentre la recensione dei cuscinetti o dell'NVH è meno entusiasta. I recenti confronti ad elementi finiti in 3D lo dimostrano chiaramente: le tendenze armoniche della coppia possono essere catturate abbastanza bene da metodi multi-slice o 2D, ma i contributi della forza assiale e la distribuzione locale della forza sui denti richiedono un trattamento 3D.
I compromessi non sono note a margine. Sono il progetto.
| Scelta dell'obliquità negli stack di laminazione dei rotori | Cosa migliora di solito | Cosa può peggiorare | Cosa osserviamo con attenzione |
|---|---|---|---|
| Piccola obliquità | Taglia le armoniche di slot con effetto limitato sulla fondamentale | Il beneficio può essere troppo piccolo se l'ordine di eccitazione dominante è un altro. | Spettro dell'ondulazione, sensazione a bassa velocità |
| Circa un passo di slot | Forte riduzione pratica del cogging e dell'ondulazione; spesso un primo passaggio solido | Leggero calo della coppia media o dell'EMF a seconda della topologia | Costante di coppia, forma della back-EMF |
| Obliquità maggiore | Soppressione delle armoniche più aggressiva | Coppia di spunto più bassa, coppia di picco più bassa, maggiore possibilità di annullamento del campo utile | Avviamento, margine di sovraccarico |
| Pila step-skew | Buon compromesso tra effetto e producibilità | Le transizioni di segmento possono creare effetti di campo assiale | Numero di segmenti, forza assiale, allineamento della pila |
| Schemi di obliquità a V o simmetrici | Può contribuire a gestire alcuni comportamenti della forza assiale | Maggiore complessità di progettazione, maggiore onere di ispezione | Percorso di carico dei cuscinetti, ripetibilità del montaggio |
Le penalità di produzione sono note. L'obliquità complica il controllo dell'impilamento. L'indicizzazione dei segmenti è più importante. La strategia di interblocco è più importante. La tolleranza di runout diventa meno indulgente. Nelle varianti con inclinazione dello statore, lo spazio per gli avvolgimenti e la lunghezza dei conduttori possono risentirne; una fonte vecchia ma ancora utile rileva una riduzione dell'area effettiva delle scanalature e una maggiore lunghezza dei conduttori, che si traduce in una maggiore resistenza. Sul lato del rotore, le parti sagomate e le costruzioni segmentate aggiungono fasi di processo e oneri di ispezione. Nulla di tutto ciò rende l'obliquità una scelta sbagliata. Significa solo che la pila di laminazione deve guadagnarsi il suo angolo.
Non iniziamo con “più skew uguale meno rumore”. Questa scorciatoia fa perdere tempo.
Iniziamo con la mappa dei disturbi. Quali ordini armonici dominano l'ondulazione della coppia. Quali ordini di forza sono vicini ai modi strutturali. Quali punti operativi sono importanti dal punto di vista commerciale. Poi scegliamo lo skew più piccolo che interrompe il cattivo allineamento senza togliere troppo al campo di lavoro. Spesso questo si avvicina al passo di una scanalatura. A volte non è così. In alcune macchine, una distanza di 1,3-1,5 fessure può rappresentare un compromesso migliore per l'indebolimento delle armoniche selezionate, lasciando la fondamentale vicina a 0,99. In altre, un angolo così ampio è già un problema. In altre, un angolo così ampio è già troppo costoso in termini di coppia, prestazioni di avviamento o producibilità.
Un flusso di vagliatura pratico per le pile di laminazione dei rotori è abbastanza semplice:
L'ultimo punto è meno affascinante. È anche il punto in cui molte buone simulazioni si ammosciano.
Perché risolvono bene un problema molto specifico.
Non tutti i motori necessitano di skew. Alcune topologie possono raggiungere l'obiettivo con la selezione dei poli delle scanalature, la sagomatura dei denti, l'intaglio, la sagomatura dei magneti o la compensazione sul lato controllo. Ma quando l'obiettivo è una coppia più fluida, un funzionamento più silenzioso e un cambiamento di laminazione che rimanga all'interno del nucleo elettromagnetico invece di spingere il lavoro sul software, lo skew rimane uno degli strumenti più puliti disponibili. I documenti più recenti continuano a perfezionare il metodo. La ragione di fondo non è cambiata: sfasare le fette assiali, bloccare i disturbi dell'impilamento, mantenere il più possibile il campo utile.
Questo è il valore ingegneristico delle laminazioni oblique del rotore. Piccolo angolo. Grandi conseguenze.
Non esiste un numero universale. Un punto di partenza comune è il passo di circa una fessura statorica, perché può sopprimere fortemente l'ondulazione di coppia legata alla fessura, lasciando quasi inalterata la componente fondamentale in alcuni progetti. Tuttavia, il punto di carico, la saturazione, la combinazione slot-polo e l'obiettivo di rumore possono spostare l'optimum.
Non sempre in modo significativo, ma angoli di skew maggiori tendono a ridurre la componente di campo che produce coppia. Un risultato riportato ha mostrato una perdita di coppia media inferiore a 2% con un passo di scanalatura in una macchina a riluttanza, mentre gli angoli di obliquità più ampi causavano penalizzazioni molto maggiori. La famiglia di macchine è importante.
Perché la distribuzione delle forze cambia. L'obliquità distribuisce i picchi di forza legati alla scanalatura lungo la lunghezza assiale, indebolendo i modelli di onde di forza che eccitano maggiormente lo statore e l'alloggiamento. Anche un'ondulazione più bassa aiuta, ma la ridistribuzione delle onde di forza è la ragione più profonda.
L'obliquità continua è il caso limite. L'obliquità a gradini è spesso la risposta alla produzione, perché cattura gran parte dello stesso effetto di mediazione con pile di laminazione segmentate, più facili da costruire e ispezionare. L'avvertenza è che le transizioni tra i segmenti possono creare effetti di campo assiale, per cui i controlli finali NVH e dei cuscinetti richiedono ancora un'analisi 3D adeguata.
A volte. Spesso no. L'obliquità è forte contro i disturbi legati alle scanalature, ma è solo una leva. Se il problema dominante deriva dal comportamento di saturazione, dalle armoniche della back-EMF, dalla coincidenza della forza radiale o dalla risonanza strutturale, lo stack di laminazione potrebbe richiedere la messa a punto dello skew e della geometria, non dello skew da solo.
Ripetibilità del processo. Il progetto elettromagnetico può essere corretto e il prodotto può comunque andare alla deriva se l'indicizzazione dei segmenti, la coerenza dell'incollaggio o dell'interblocco, la compressione della pila e l'allineamento assiale non vengono mantenuti saldamente in produzione. L'angolo di skew sulla carta è solo la metà del problema.
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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