固定子と回転子の電磁気シミュレーションにおける溶接とインターロックのモデル化

もし、あなたが今までに以下のようなモーターモデルを手にしたことがあるのなら。 見える FEAではパーフェクトでも、テストベンチの効率、ノイズ、温度で悩ましいミスがあった場合、溶接やインターロックが静かに妨害している可能性が高い。レーザー溶接の継ぎ目、インターロック・ダボ、シュリンク・フィットの特徴など、これらの小さな「製造」ディテールは、その形状が示唆するよりもはるかに磁気回路と損失画像を再形成します。研究によると、溶接と接合プロセスだけで、産業用機械のステーターコアの損失が10-20%増加し、切断、接合、焼きばめの複合的な影響により、損失が20-50%増加するケースもあります。

• この記事では
  • 溶接／インターロッキングを翻訳する 製造業の現実 を、実際に使用できるEMモデルのインプットに変換する。
  • ステータとロータのシミュレーションに溶接/インターロックを含めるためのいくつかの忠実度レベルを比較。
  • これらのディテールが、損失、トルクリップル、NVHにどのような影響を与えるのか、また、どのような場合に本当に重要なのかを示します。
  • Ansys Maxwell、JMAG、COMSOL、MagNetなど、ツールにとらわれない実用的なワークフローを提供します。

1.溶接とインターロックが磁気回路に与える本当の影響

ボンネットの下には 積層コア 溶接やインターロックは、この理想を意図的に壊している。溶接やインターロックは、この理想を意図的に壊しています。積層を局所的に短くして塑性変形や残留応力を導入し、磁束や渦電流が鋼中を移動する方法を変えているのです。

• 物理的なレベルでは、溶接とインターロック：
  • ラミネートを電気的に接続する局所的な渦電流の "リング回路 "を可能にする閉じた導電性ループを作る。
  • 残留応力と塑性ひずみの導入透磁率を低下させ、ヒステリシス損失を増加させる。
  • 磁束の経路を乱す特にヨークと歯根の近くでは、局所的な飽和と漏れが生じる。
  • 剛性と減衰の変更これは、電磁力が振動やノイズに変換される方法を変える。

2.一般的な接合方法とそのEM的影響のクイックツアー

実際のモーターでは、溶接、インターロック、接着、機械的圧縮の組み合わせが一般的です：

• レーザー/TIG溶接スタック (ステータ＆ロータヨーク）。
• メカニカル・インターロック・ダボ ラミネーションにプレスされている。
• 接着剤（バックラック/自己接着）ラミネーションスタック。
• リベット、ボルト、シュリンクリング、鋳物（特に大型ローター）。 
• 電磁気的に：
  • 溶接とインターロックは、次のような傾向がある。 コア損失の増加 局所的な渦電流と応力誘起ヒステリシスを加えることによって。
  • 接着スタックは、絶縁を維持し、歪みを最小限に抑えることで、多くの場合 低損失とノイズ 溶接コアやインターロック・コアと比較して。
  • 切断や接合は、次のような問題を引き起こす可能性がある。 局所的な劣化は何倍も大きい バージン材に比べ、特にカットエッジやダボ付近で顕著。

3.従来のEMモデルが溶接とインターロックで苦戦する理由

ほとんどのモーターFEモデルが想定している：

• 単一の均一なB-Hカーブ。
• 等方的で均質化されたコアロス・モデル。
• パーフェクト ラミネート断熱 (貫通導電性はない）。
• 残留応力の履歴はない。

現実はもっと混乱している。溶接コアとインターロック・コアに関する論文がそれを示している：

• 溶接は、ステーターコアの損失を約 10% 溶接リングコアの実測データを使ってモデル化した場合、37 kWの誘導電動機において。
• いくつかの試験形状では、インターロッキングによる劣化は、打ち抜きそのものに匹敵するか、それ以上である。
• 切断コアと接合コアの場合、製造上の劣化を無視すると、ロスの予測が以下のように甘くなる。 >50% 最悪の場合
• それは典型的なモデリングのペインポイントにつながる：
  • 損失の過小評価 (効率はダイナモよりFEAの方が良さそうだ）。
  • 誤ったホットスポットの位置 (局所的な損失ピークが見逃されるため、熱設計が不十分）。
  • トルクリップルとNVHのミスマッチ (シミュレーションでは明らかに対応するものがない測定ノイズのピーク)。
  • 紛らわしいトレードオフ (例えば、接合と溶接の違いなど）なぜなら、あなたのモデルはすべての接合方法を電磁気的に同じものとして扱っているからだ。

4.必携のインプット：製造部門と早めに話し合う

モデル化できるのは、実際に知っていることだけである。EMモデルを改良する前に、製造業者やサプライヤーから具体的なデータを入手することに少し時間をかけてください。

良い "シミュレーション前 "の会話は、少なくとも明確にする必要がある：

• 接合技術 ステーターとローター用：
  • 溶接の種類（レーザー、TIG、スポット）とパターン（数、長さ、位置）。
  • インターロックのスタイル（ダボの形状、位置、密度）。
  • 接着／粘着剤の使用の有無（および硬化温度）。
• 材料とプロセスデータ:
  • 鋼種とコーティングの種類（NOES対GOES、絶縁クラス）。
  • リングコア／エプスタインのデータ 処理済み 材料（切断＋溶接／インターロック）。
  • 溶接／インターロック後に応力除去焼鈍を施すかどうか。
• 耐性とパターンのばらつき:
  • 溶接継目またはインターロックの典型的な位置公差。
  • 既知の「問題」バリアント（例えば、ノイズを増加させる特定のインターロックパターン）。
• 具体的に言えば、"尋ねる"：
  • 「スタックのどこに溶接やインターロックがあるのか？
  • "このプロセスは局所的な磁気特性にどのような影響を与えるのか。テストデータはあるのか？"
  • "同じステーター／ローターで、比較できるような異なる接合オプションはありますか？"

5.モデリング・オプション：「十分な」ものから忠実度の高いものまで

文献では、溶接やインターロックを扱う場合、一般的にいくつかのモデリング「レベル」に分類される。コツは、設計段階とリスクに合ったレベルを選択することです。

デザイン・チート・シートとして使えるコンパクトな比較はこちら：

• 競争に打ち勝つ」ためには、一般的に、少なくとも次の目標を達成したいものだ。 L1 信頼性が高く L2 または L3 フラッグシップ・モーター用

6.レベル1の実践：溶接部とインターロックの効果的な材料ゾーン

L1の核となる考え方は単純で、小さな溶接やインターロックをすべて描き直す代わりに、それらが影響する領域に「劣化した材料」をペイントし、残りはFEに処理させるというものだ。このアプローチは、切断や接合の効果に関する最新の研究では一般的で、距離依存の劣化モデルを導き出し、要素レベルで直接適用する。

• 実用的なL1のワークフローは通常次のようなものだ：
  • ステップ1 - 加工素材データの取得
    • 実際のステータ積層から作られたリングコアを測定する：非溶接と溶接、インターロッキングの有無。
    • 各ケースのB-H曲線とコアロス係数を抽出する。
  • ステップ2 - 「効果的ゾーン」モデルの構築
    • 溶接／インターロックが生きている場所を特定する（例えば、アウターヨークシーム、ミッドヨークダウエル、ローターポールジョイント）。
    • 材料特性を変更するゾーン（各溶接線またはダボの周囲±3～5mmなど）を定義する。
  • ステップ3 - スケールプロパティ
    • 測定値に基づいて、これらのゾーンの透磁率とコアロス係数を調整する(例えば、+10-30%のローカルロス、μをわずかに下げる)。
  • ステップ4 - EMシミュレーションの再実行
    • 全損失、局所損失密度、トルクリップル、磁束分布を評価する。
    • 測定値があれば比較する（ローターをブロックしたステーターのモックアップなど）。

7.レベル2：溶接と連結ダボを明示的にモデリングする。

L2では、溶接／インターロックが「単なる別の材料」であるかのように装うのをやめて、実際に描画します。これは、ダボ内部とスタック表面に沿った渦電流ループを明示的に示す、インターロッキングダボの3D FEモデル（およびそこから派生した同等の2Dモデル）のような作業を再現する場所です。

• このレベルではキーとなるモデリングの動き：
  • 重要な部分のみ3D
    • いくつかのスロット／ポールと詳細なダボ／溶接継ぎ目を持つ3Dセクターモデルを使用する。
    • 現実的な渦電流経路が必要な場合は、ラミネーションの厚さ方向を保持します。
  • スチール、溶接金属、ダボを別々の材料にする。
    • 溶接金属に高い導電率と適切なμ（多くの場合、飽和または鋳鋼に近い）を割り当てる。
    • ダボは、ラミネーションを橋渡しする別の領域として扱う。
  • 時間依存性を適切に解決する
    • これらの特徴によるコアロスは周波数に敏感であるため、タイムステッピングまたはマルチハーモニック・ソリューションを使用する。
    • ドライブサイクルについては、周波数依存の実効損失寄与を事前に計算し、システムレベルのモデルで再利用する。
  • 2Dへのバックポート結果
    • 高価な3D研究から「等価損失と透磁率マップ」を導き出し、それをL1タイプの材料パッチとして、より高速な2Dシミュレーションに導入する。

8.ローター特有の問題：溶接、スリーブ、ケージ

ローターはステーターよりも粗雑にモデル化される傾向があるが、溶接や接合はステーターと同様に重要である。

一般的なローター固有の接合機能には以下のようなものがある：

• 溶接または鋳造のリスケージ・バーとエンドリング.
• 溶接されたポール・シューまたはポールとヨークの接合部 (サリエントポール機の場合）。
• 磁石保持スリーブまたは軸方向溶接ライン 永久磁石ローター
• リベット／ボルトジョイント ラミネート・ポール・アセンブリー
• ローターの溶接部や接合部をモデリングする際には、以下の点に注意する：
  • 渦電流ブリッジ 溶接を介したバーとラミネーション間の銅/鉄損分割とケージ加熱に影響する。
  • スキュー＋溶接の相互作用スキュー・スロット近傍の溶接は、局所的な磁束経路を歪ませ、トルク・リップルに影響を与える可能性がある。
  • スリーブとシュリンクフィットストレスこれは、マグネットとラミネーションの特性を低下させ、完全に結合した場合に共振をシフトさせる可能性がある。

9.理論からクリックまで：ツールにとらわれないワークフロー

どのEMソルバーを使うにせよ、優れた溶接/インターロック・モデリング・フローは、似たようなバックボーンに従う傾向がある。

測定→削減→モデル化→検証」と考えればいい：

• 測定／収集
  • リングコア／エプスタインのデータを収集する：
    • ベース素材。
    • カットのみのサンプル。
    • カット＋溶接。
    • カット＋インターロック（可能であれば異なるパターンで）。
  • 可能であれば、巻線前に部分的に組み立てたステータ/ロータコアのコア損失を測定してください（短時間試験セットアップ、トロイダル励磁など）。
• モデルに還元する
  • フィット 特徴からの距離 劣化法則：例えば、溶接線またはダボ中心からの距離に対する関数μ(r)、k_hyst(r)、k_eddy(r)。
  • インターロックの場合は、以下の寄与を分離する：
    • パンチング・ストレイン
    • ダボの形成。
    • ダボ継ぎ／インターリンク（短絡経路）。
• EM FEでのモデル
  • ステータとロータの2D/3D EMモデルにL1パッチ（およびオプションでL2ジオメトリ）を実装する。
  • 操作ポイントを網羅する：
    • 定格磁束と周波数。
    • オーバーフラックスと高周波PWM高調波（関連する場合）。
• 検証と反復
  • 無負荷、ブロックローター、負荷のコアロス成分のシミュレーションをテスト（または組立前のコア測定）と比較します。
  • コア損失と温度測定値が一貫して一致するまで、劣化係数を（物理的に妥当な範囲内で）調整する。

10.溶接／インターロック・モデリングが設計上の決定をどのように変えるか

溶接とインターロックがEMモデルの中に入ってしまえば、それは "必要悪 "ではなくなり、設計のレバーになる。

溶接vs接着vsインターロック」を純粋に機械的あるいはコスト的な決定として扱うのではなく、電磁気的な設計変数として見ることができる：

• 詳細なモデリングで、あなたはできる：
  • 接合技術を定量的に比較する
    • 例：ステーターコアの接着は、溶接コアやインターロックコアに比べ、コアロスを20～40%削減し、音響ノイズを大幅に削減することができます。
  • 溶接／インターロック・パターンの最適化
    • 機械的強度を保ちながら余分なロスを減らすために、インターロックするダボの数を最小限にするか、または磁束密度の低い領域に配置する。
  • ヨークの厚みと溶接位置を調整する
    • セグメント化されたステータ設計の中には、ミスアライメントやジョイント配置の影響を受けやすい薄いヨークを使用するものもある。FEモデルによると、この場合、コギングトルクが増加し、共振周波数が変化する可能性がある。
  • ローター側のトレードオフを評価する
    • 例えば、溶接ケージと鋳造ケージのどちらを選ぶか、あるいは保持スリーブ＋局部溶接を追加することが、ローターの損失を増加させる可能性に見合うかどうかを評価する。
• 実際には、それは次のような決断につながる：
  • 高効率・低騒音のEV牽引機をインターロッキングからボンディングへ。
  • インターロックを保持しながら、より少ない最適な配置のダボでハウジングのサポートを強化。
  • 溶接は機械的に絶対に必要な場合にのみ使用し、EMのペナルティが大きい場合は応力除去焼鈍を推し進める。

11.ループを閉じる：検証、NVH、今後の方向性

結局のところ、溶接とインターロックのモデリングは、よりきれいなCADを描くことよりも、バーチャル・プロトタイプを実機と同じように（その不完全さも含めて）動作させることが重要なのです。

堅牢なハイエンドのワークフローは次のような傾向がある：

• ハードウェアによる段落レベルの現実チェック
  • 組立前のコア損失測定（リングコア、ステータのみのテスト）。
  • 全モータテスト：無負荷、ブロックロータ、負荷ポイント、温度上昇、ノイズ測定。
• EM + 構造的/NVHカップリング
  • 溶接/インターロックを考慮したEMモデルを使用して、力の高調波を生成します。
  • それらを次のような構造モデルに組み込む。 また 溶接／インターロック・ジョイントとその剛性／減衰を含む。
  • シミュレーションした振動スペクトルと測定した振動スペクトルを比較し、溶接/インターロックの剛性とEM力のモデリングを改良。
• データに基づくショートカット
  • より多くのプロジェクトが蓄積されれば、内部のサロゲート・モデルを訓練することができる：
    • あるモーターファミリーの "損失ペナルティ対溶接パターン"。
    • "騒音ペナルティ対インターロック密度"
  • 詳細なFEにコミットする前に、加入オプションを素早くスクリーニングするためにそれらを使用する。
• この先、研究はすでに進んでいる：
  • 応力結合材料モデル ここで、B-Hと損失は、EMソルバーに統合されている局所的な力学的場に直接依存する。
  • メッシュ／プロパティの自動割り当て 例えば、「溶接FEからEM FEに残留応力をインポートする」など）。
  • 標準化された劣化ライブラリ 特定の鋼種や接合工程に対応するため、すべてのプログラムで車輪を再発明する必要はありません。