Pacchetti di laminazione SRM: forma dei denti e riduzione del rumore

Se si eliminano i trucchi di controllo e il marketing, la maggior parte dei problemi acustici in un SRM si riduce a un semplice fatto: il pila di laminazione si comporta come un sottile guscio sonoro, e la forma del dente determina quali armoniche di forza colpiscono più forte quel guscio. Trattando questi due elementi come un unico problema di progettazione accoppiato, è possibile ottenere una riduzione del rumore di diversi decibel senza compromettere in modo significativo la coppia o l'efficienza.

La pila di laminazione è il vero altoparlante

Vecchi studi sulle vibrazioni degli SRM a quattro fasi hanno già dimostrato che il rumore aereo dominante è causato dalla deformazione della pila di lamierini dello statore, non dal rotore o dall'alloggiamento stessi. Le superfici dei denti sono soggette a forti forze elettromagnetiche radiali; tali forze eccitano le modalità ad anello e locali dei denti delle lamierini impilati e l'acciaio si trasforma in un radiatore acustico molto efficiente.

Lavori più recenti nel campo della multifisica collegano questo fenomeno allo spettro spazio-temporale delle forze radiali. Le forze sui denti possono essere scomposte in ordini spaziali attorno al traferro e ordini temporali legati alla frequenza di commutazione e alla velocità meccanica. Quando un ordine temporale della forza radiale coincide con una modalità strutturale che ha lo stesso schema spaziale sullo statore, si verificano picchi di vibrazione. Negli SRM ciò accade spesso per le armoniche di forza di ordine (3N_0 \pm 1) intorno alla circonferenza, che si manifestano come chiari picchi di rumore che difficilmente si spostano con la velocità.

Quindi, mentre tutti parlano in generale di "rumore SRM", il lavoro a livello di laminazione e dei denti è più preciso. Si cerca di rimodellare la distribuzione della forza radiale in modo che le armoniche più forti si allontanino dalle modalità strutturali sensibili o si attenuino abbastanza da non guidare più efficacemente nessuna modalità.

Nozioni di base sulla laminazione che dominano silenziosamente il NVH

I progettisti di solito fissano in anticipo lo spessore dello yoke, la lunghezza dello stack e l'adattamento del telaio, per motivi di saturazione e termici, e poi si accontentano del comportamento acustico che ne deriva. Questo è comodo, ma nasconde molti vantaggi.

Gli studi sulle vibrazioni dello statore hanno dimostrato che lo spessore del giogo e la lunghezza della pila spostano le modalità circonferenziali principali di centinaia di hertz. I gioghi più spessi aumentano le frequenze naturali e possono spingere le modalità peggiori al di sopra della banda di eccitazione elettromagnetica principale, specialmente nelle macchine ad alta velocità. Allo stesso tempo, il modo in cui le laminazioni sono fissate o incollate al telaio controlla lo smorzamento e le condizioni al contorno. Un guscio rigido con piastre terminali offre forme modali molto diverse rispetto a una pila fissata in modo lasco e tenuta da tiranti.

Per la lavorazione dei denti questo è importante perché non si sta progettando in base a frequenze astratte. Si sta progettando in base alla mappa modale effettiva di quello specifico assemblaggio impilato. Modificando il metodo di costruzione dell'impilamento, le punte dei denti perfettamente calibrate potrebbero improvvisamente spingere l'energia in un diverso insieme modale. Ecco perché qualsiasi "ottimizzazione della geometria dei denti" che ignora il modello modale dello statore assemblato tende a deludere una volta costruito l'hardware.

La geometria dei denti come filtro spettrale

Una volta compresa la struttura dello stack, la forma dei denti diventa un modo per riponderare lo spettro della forza radiale invece che un semplice regolatore della densità di flusso.

Studi analitici e numerici sugli SRM dimostrano che la densità della forza radiale su ciascun dente è approssimativamente proporzionale al quadrato della densità di flusso locale dell'intercapedine d'aria. La densità di flusso stessa è estremamente sensibile alla forma della punta del dente e alla saturazione locale. Ciò significa che piccole variazioni geometriche alla punta e alla radice del dente possono produrre variazioni sorprendentemente grandi nella distribuzione spaziale della forza radiale, senza un impatto drammatico sulla coppia media.

Alcuni modelli ricorrono costantemente nella letteratura e nella pratica dell'accordatura:

Le punte dei denti lisce e arrotondate con archi polari accuratamente selezionati tendono ad attenuare il gradiente di induttanza in prossimità della posizione allineata. Ciò riduce i picchi bruschi della forza radiale quando la corrente è ancora elevata. È stato dimostrato sperimentalmente che i poli del rotore curvi abbinati alle punte dei denti dello statore corrispondenti riducono le forze radiali e il rumore acustico, con una perdita di efficienza inferiore a circa mezzo punto percentuale in alcune macchine 8/6.

Gli smussi sulla punta dei denti o le piccole tacche vicino ai bordi alterano la permeanza locale in caso di sovrapposizione parziale. Se realizzati con un chiaro obiettivo armonico in mente, questi elementi possono ridurre specifici ordini spaziali nella forza radiale, a costo di un leggero aumento del flusso in altre zone. Gli articoli che combinano tale forma dei denti con angoli di commutazione ottimizzati riportano notevoli riduzioni del rumore senza penalizzare eccessivamente l'oscillazione della coppia.

Variando la larghezza dei denti o introducendo modelli a denti multipli attorno allo statore si interrompe la perfetta periodicità del campo di forza. Un recente studio sulle modifiche allo statore-rotore a denti multipli evidenzia combinazioni di denti trapezoidali, ponti polari e sagomatura delle punte che riducono il rumore mantenendo prestazioni elettromagnetiche accettabili per le trasmissioni su scala automobilistica. Si può pensare a questi modelli come a "difetti" controllati che distribuiscono intenzionalmente la forza radiale su diversi ordini spaziali invece che su uno dominante.

Nessuno di questi accorgimenti funziona da solo. Se si sposta la punta del dente, la forma d'onda corrente che prima era ottimale non è più corretta, perché il profilo dell'induttanza rispetto all'angolo è cambiato. Ecco perché le geometrie "finali" dei denti derivano quasi sempre da un ciclo che coinvolge sia calcoli di campo che semplici metriche NVH, piuttosto che da una singola ottimizzazione statica.

Lato rotore: sagomatura delle fessure e dei poli per ridurre il rumore e la resistenza aerodinamica

La geometria del rotore viene spesso ottimizzata innanzitutto per la densità di coppia e la resistenza aerodinamica. Il rumore è una conseguenza inevitabile. Negli SRM con gamme di velocità molto elevate, in particolare nelle macchine di trazione che funzionano oltre i 10.000 giri/min, la perdita di resistenza aerodinamica nelle ampie fessure del rotore non è trascurabile. Uno studio del 2025 sugli SRM di trazione per veicoli a tre ruote ha dimostrato che la riduzione dell'area delle fessure con forme modificate delle fessure del rotore potrebbe ridurre la perdita di resistenza aerodinamica, migliorando al contempo il comportamento acustico, una volta che le variazioni della forza radiale risultanti fossero state rilevate in una simulazione completa del rumore e validate sperimentalmente.

Altri lavori sugli SRM 8/6 hanno testato la curvatura delle estremità dei poli del rotore e i profili dei poli multisegmento. Levigando l'arco effettivo dei poli ed evitando una saturazione eccessiva ai lati dei denti, questi progetti hanno ridotto i picchi di forza radiale e la potenza sonora associata con un impatto trascurabile sull'efficienza e sulla capacità di coppia.

Dal punto di vista della laminazione, il rotore è in realtà una fonte programmabile di eccitazione spaziale. Se si regola la forma dei denti del rotore senza verificare quali ordini spaziali si stanno rinforzando, è possibile eliminare un ronzio e crearne un altro, solo a una frequenza diversa. Il modo migliore è estrarre lo spettro di forza radiale sui denti dello statore per ciascuna forma del rotore candidata, allinearlo alla mappa delle modalità dello statore e scartare qualsiasi forma che aumenti il contenuto di forza in prossimità delle modalità sensibili, anche se la sua ondulazione di coppia sembra leggermente migliore.

Distorsione nella pila: molto più che una semplice "diffusione dell'oscillazione di coppia"

Lo skewing viene spesso presentato come una soluzione generica per il ripple di coppia e il rumore acustico, ma i dettagli relativi alla modalità di skewing degli stack di laminazione sono molto importanti.

In pratica, l'inclinazione negli SRM viene solitamente ottenuta ruotando le laminazioni successive di un piccolo angolo, in modo che la pila formi un'elica assiale. Ciò può essere fatto sullo statore, sul rotore o su entrambi. Esperimenti con SRM monofase e trifase dimostrano che la combinazione dello skew dello statore e del rotore può ridurre significativamente le vibrazioni e il rumore acustico, al prezzo di una leggera diminuzione della coppia media e di un aumento della dispersione del flusso assiale. Le recensioni sulle lamine skew riportano riduzioni del rumore dell'ordine di pochi decibel per configurazioni skew multistrato, già percepibili all'interno dell'abitacolo di un veicolo.

Per la progettazione dello stack di laminazione, ciò significa che lo skew non è solo un interruttore, ma è uno sfasamento tra i campi di forza radiali lungo la direzione assiale. L'eccitazione effettiva che raggiunge una data modalità dello statore è la somma assiale di questi contributi sfasati. Se la modalità dominante ha una forma assiale abbastanza uniforme, allora un passo di skew vicino al passo di un polo dello statore causerà un'interferenza distruttiva nell'armonica spaziale chiave e nell'aiuto. Se si hanno modalità con una forte variazione assiale, un semplice skew uniforme potrebbe non essere sufficiente, ed è preferibile utilizzare uno skew a gradini o modelli misti in cui le sezioni dello stack sono inclinate in modo diverso.

C'è anche il lato meccanico. L'inclinazione delle laminazioni modifica la distribuzione del carico sui denti attraverso la pila e può modificare leggermente le forme modali stesse, specialmente nelle macchine con lunghezza assiale ridotta. Inoltre complica la produzione, l'impilaggio e l'allineamento delle fessure per gli avvolgimenti o i canali di raffreddamento. Quindi i vantaggi devono essere valutati rispetto a questi problemi pratici, non solo rispetto a un modello FEA pulito.

Confronto tra tattiche comuni di tooth e stack

La tabella seguente riassume diverse tecniche di laminazione e geometria dei denti ampiamente utilizzate e la loro influenza tipica su forze, rumore e coppia, sulla base delle tendenze riportate nelle recenti ricerche SRM e nella pratica industriale.

I numeri sono volutamente vaghi, perché i guadagni esatti dipendono fortemente dalle dimensioni della macchina, dalla combinazione polo/slot e dalla nitidezza con cui la forza e gli spettri strutturali si incrociano. La cosa utile è la direzione: quali manopole di progettazione tendono a spingere quali parti del sistema accoppiato.

Trucchi per assemblare gli stack che i modelli spesso trascurano

Molti modelli pubblicati trattano la pila di lamierini dello statore come perfettamente incollata o perfettamente fissata al telaio. In realtà, potrebbero esserci contatti parziali, piccoli spazi vuoti o zone in cui la vernice e le linguette di interblocco determinano la rigidità. Studi meccanici sperimentali sugli statori SRM dimostrano che le condizioni al contorno reali possono modificare le frequenze naturali di decine di punti percentuali rispetto ai supporti ideali.

Per la mitigazione del rumore, ciò comporta alcune considerazioni pratiche. L'uniformità dell'impilamento delle lamine influisce sulle forme modali assiali. Se ogni pacchetto di lamine è leggermente disallineato, si introducono involontariamente variazioni locali di inclinazione e rigidità che possono essere positive o negative. L'inclinazione casuale tende ad aggiungere smorzamento, ma può anche eccitare modalità asimmetriche che non erano presenti nel modello.

Anche la forza di serraggio è importante. Una forza di serraggio elevata comprime la pila, aumenta l'attrito tra le lamine e può aggiungere smorzamento, ma può anche spostare le modalità verso l'alto. L'incapsulamento o la resina tra la pila e il telaio possono fornire un forte smorzamento ad alcune frequenze, creando al contempo nuove modalità accoppiate con l'alloggiamento ad altre. Raramente è tutto positivo o tutto negativo, e il compromesso si vede solo dopo l'assemblaggio e il collaudo.

Quindi, quando si regolano le forme dei denti nella FEA, vale la pena fare un passo indietro e verificare se le condizioni al contorno ipotizzate corrispondono al processo di assemblaggio effettivamente utilizzato dalla fabbrica. A volte una piccola modifica nel modo in cui lo stack viene pressato nel telaio consente di ottenere una maggiore riduzione del rumore rispetto a un altro ciclo di perfezionamento della punta dei denti.

Un ciclo di progettazione realistico per la forma dei denti e gli stack di laminazione

La maggior parte dei team dispone già di un modello elettromagnetico 2D o 3D dell'SRM e probabilmente di un modello strutturale separato dello statore e dell'alloggiamento. L'elemento mancante è solitamente il forte accoppiamento tra di essi sulla superficie dei denti. Un ciclo pratico potrebbe essere simile a questo, senza cercare di essere matematicamente perfetto.

In primo luogo, definire il progetto iniziale dello stack di laminazione: spessore del giogo, lunghezza dello stack, adattamento del telaio, concetto di serraggio. Eseguire un'analisi modale strutturale sul modello assemblato statore-alloggiamento-avvolgimento e annotare le modalità principali con un movimento radiale significativo dei denti nella banda di frequenza chiave per l'applicazione. L'obiettivo è identificare un piccolo insieme di modalità "sensibili" invece di fissare decine di autovalori.

Quindi, utilizza il tuo modello elettromagnetico per calcolare le distribuzioni della forza radiale su ciascun dente durante uno o due cicli elettrici in diversi punti di funzionamento. Proietta tali forze sulle forme modali spaziali che ti interessano. Questo ti consentirà di capire quali parti dello spettro della forza radiale immettono effettivamente energia nelle modalità reali, non solo quali armoniche esistono in teoria.

Con questa mappatura a disposizione, iniziare a regolare le geometrie dei denti e dei rotori. Punte arrotondate, smussature, archi polari modificati e modelli a denti multipli diventano tutti modi per ridurre la proiezione delle forze radiali sulle forme modali sensibili, anche se l'entità totale della forza cambia di poco. Le modifiche di inclinazione e giogo si trovano nello stesso ciclo: alterano il lato strutturale piuttosto che quello elettromagnetico.

Ciò che aiuta nella pratica non è l'ottimizzazione ossessiva di una variabile di progettazione, ma osservare come ogni modifica influisca su tre valori: le armoniche della forza dominante, le modalità strutturali dominanti e semplici parametri acustici come la potenza sonora o il livello complessivo ponderato A in una banda stretta intorno al fastidioso ronzio. I prototipi back-to-back, anche su scala ridotta, forniscono informazioni molto più utili rispetto al tentativo di prendere ogni decisione attraverso un unico ottimizzatore multi-obiettivo.

Considerazione finale

Se state lavorando su un SRM e i valori relativi al rumore riportati nella scheda tecnica non sono soddisfacenti, potreste essere tentati di concentrare maggiormente la vostra attenzione sulle forme d'onda correnti e sulle strategie di conversione. Questi strumenti sono comunque utili. Ma il lavoro svolto negli ultimi decenni ha chiarito un altro aspetto: una volta che si considera lo stack di laminazione come un guscio elastico guidato da forze radiali a livello dei denti, la geometria dei denti e il design dello stack smettono di essere "disegni di dettaglio" e diventano una superficie di controllo NVH primaria. Ottenere questi elementi riduce l'elenco dei problemi acustici che è necessario risolvere nel software e offre al team di controllo una macchina molto più facile da gestire.