モーター・コア10：スロット/ポール - ステーターとローターの設計の選択をどのように形成するか

エンジニアがモーターについて議論するとき、普通は磁石や銅の充填、インバーターのトリックについて話す。しかし、その根底にはひっそりと とても シンプルな決断が、ほとんどすべての舵取りをしている：

ステーターのスロット数とローターの極数は？

そのスロットとポールの組み合わせによって、モーターがスムーズにうなるか悲鳴を上げるか、磁石が冷えるか焼けるか、マシンの製造が簡単か悪夢になるかが決まる。最近の研究は、同じ結論に戻り続けている： スロット/ポールの選択は、設計上の最初の決定事項です。特に最新の分数スロット集中巻線機（FSCW）では。

• この記事を読み終わる頃には、あなたはこうなっているはずだ：
  • 12s/10p」のようなスロット/極の表記を読んで、それが巻線、コギング、トルクにとって何を意味するのかすぐに思い浮かべることができる。
  • スロットとポールの仕組みを理解する 共に ステーターのティース形状、ローターマグネットのレイアウト、損失を制約する。
  • 実際の10種類のスロットとポールの組み合わせを比較し、どのファミリーがEV、ドローン、ポンプ、ダイレクトドライブに適しているかを確認する。
  • サプライヤーが「標準的な」ラミネーションやローターの極数を提案した場合には、より鋭い質問をすること。

1.スロット、ポール q30秒メンタルモデル

三相マシンの用語を固定しよう（以下は簡単に一般化できる）：

• スロット（Q） - の歯とスロットがある。 ステーターコア あなたの銅が住んでいるところ。
• ポール（2P） - 南北磁極 ローター (トポロジーによってはステーター）。
• 各極のスロット数q) - 重要な比率である：

[q = ゙frac{Q}{m ゙cdot 2p}\(ただし、3相機の場合はm=3)]

このシングルナンバー、 q巻線が "インテグラル・スロット"（整数）であるかどうかを示します。 q)または "フラクショナル・スロット"(非整数) q).フラクショナル・スロット集中巻線（FSCW）機は、現在、EV、航空宇宙、発電機で一般的であるが、意図的に以下のものを選んでいる。 q < 1 高いトルク密度と短いエンドターンのために。

• スロット／ポールの選択が本当にコントロールするもの（わかりやすく言えば）：
  • トルク密度 - 通常、極数が多ければ多いほど、低速域での体積あたりのトルクは大きくなるが、基本速度も低くなる。
  • コギングとトルクリップル - ある組み合わせではトルクの脈動がひどくなり、別の組み合わせではほぼ「平均化」される。
  • 巻線係数 - 組み合わせが悪いと、銅と磁石の体積を無駄にします。
  • 騒音・振動 - スロット/ポールのパターンによっては、ステーターに強いラジアルフォースがかかり、音響ノイズにつながる。
  • 製造可能性 - コイル挿入の複雑さ、スキューの必要性、ラミネーションの多様性、磁石の分割。

2.インテグラルとフラクショナル・スロット：分かれ道

歴史的に見ると、大型の産業用モーターは次のようなものから始まった。 インテグラルスロット分散型巻線:

• 例 36スロット/4極、3相
  • q = 36 / (3-4) = 3
  • 小さく重なり合った多数のコイル→非常に正弦波MMF、低高調波成分、低トルクリップル。

その後、極数の多い PM マシンやダイレクトドライブ・アプリケーションが登場しました。銅を短くし、巻線を単純化するために、設計者は次のようなものに移行しました。 フラクショナルスロット集中巻（FSCW） それぞれの歯が集中コイルを持ち q は小数である。

これは単なるファッションの変化ではない。 スロットとポールのペアの選び方を根本的に変えた.いい配分の巻線が得られれば何でもいい」のではなく、「狙いを定める」のだ：

• 高い 基本巻線係数 (多くのデザインで≈0.9以上）。
• 高い コギングトルク周波数 (個々のコギングパルスは小さい）。

• を使った素早い分類 q:
  • q ≥ 2 → "古典的な "分布巻（例えば36/4）：トルクはスムーズだが、銅の長さが長くなり、巻線が複雑になる。
  • 1 ≤ q < 2 → 産業用PMSMによく使用される。
  • 0.25 ≤ q < 1 → フラクショナルスロット集中型現代の高極PM機やホイールハブモーターの主流となっている。
  • q < 0.25 → スロット数に対して極数が多すぎるため、よほど注意深く設計しない限り、強い寄生をもたらす。

3.スロットと極の組み合わせがステーター設計をどのように再構築するか

Qと2Pを選んだら ステーター・ジオメトリー・スペースの崩壊 実行可能な選択肢をより少なくする：

• 歯の幅と彩度。
  • スロットが少ない（Qが小さい）→歯幅が広く、磁束密度を上げると飽和する可能性があり、トルクが制限される。
  • スロットの数が多い→歯幅が狭い。飽和しやすいが、MMFの形状をコントロールしやすくなり、スロットの開きを微調整するオプションが増える。
• スロット開口部とハーモニクス。
  • 歯先の幅とスロットの開口部の比率は、エアギャップ・パーミアンスの変化、つまりコギングトルクを制御する。
  • スロットの開口部を閉じたり、特定のQ/2pを組み合わせたりすることで、コギングを劇的に減らすことができるが、製造や挿入が複雑になる可能性がある。
• サーマルパスとフィルファクター。
  • スロットの数が多いと、熱を逃がす周囲が増えるが、断熱界面も増える。
  • フラクショナルスロット巻線は、コイル形状を単純化し、各スロット内の銅のパッキングを改善し、より小さいスロット面積のバランスをとることができる。

• 提案されたスロットとポールのペアを見つめる際のステーター側のチェックリスト：
  • とは q 私の製造と巻線タイプにとって快適な範囲内（≒0.25-3）ですか？"
  • "深い飽和状態に追い込まずに目標の歯束密度を達成できるか？"
  • 「銅のスロット面積は十分か？ そして 必要な電流密度で絶縁体を使用できますか？
  • "この組み合わせでコギングを管理するには、スロットスキュー、ダミースロット、トゥースノッチなどのトリックが必要ですか？"
  • "このQは既存のラミネーション金型を再利用できますか？それとも新しいパンチセットが必要ですか？"

4.無視できないローターの結果

スロットとポールの組み合わせを変えると、次のようになる。 ローターの全仕事どのように磁束を運ぶか、磁石の大きさや配置、どの高調波が磁石やシャフトに当たるか、などだ。

について 表面実装PMSMとSPMマシン最近の比較研究によると、ポール／スロットの選択は強く影響するという：

• 逆起電力波形の形状。
• コギングトルクの振幅と周波数。
• マグネットとローターコアの損失。

について インテリアPM (IPM) または 不本意 の場合、同じスロット／ポール・ペアであれば、フラックス・バリアをどこに置くことができるか、また、d軸とq軸のインダクタンスをどの程度分離できるかが決まります。

• スロット/ポールを提案する際にローター側から質問すること：
  • 「ステーターのティースを過飽和にすることなく良好なトルクを得るには、どの程度のポールアーク（マグネットスパン）が必要でしょうか？
  • "コギングトルクの周波数は、その振幅が小さいままでいられるほど高いか？" (スロットと極のLCMが高い→周波数が高い、振幅が小さい）。
  • "このスロットとポールのペアからのサブハーモニクスは、ハウジングやシャフトに厄介な振動モードを発生させますか？"
  • "組み立てやコストを不可能にすることなく、磁石を分割したり、ローターを斜めにしたりすることはできますか？"
  • "この組み合わせは、私の最高機械速度（遠心応力対磁石密度）に合っていますか？"

5.実際のスロットとポールの組み合わせ10種とその特徴 する

以下はその一例である。 実践スナップショット 3相モーターで一般的な、または例示的な10種類のスロットと極の組み合わせ。これらは「良い対悪い」のラベルではなく、ステーターとローターの選択がどのように関連しているかを考えるための出発点です。

q は3相(m = 3): q = Q / (3-2p)

全体像 (36/4)から(48/40)に向かって下降するにつれて、スピードとトルクを交換することになり、「きれいな正弦波」は、注意深いハーモニックとメカニカル・コントロールが要求されるコンパクトな高極数マシンと交換することになる。

• 誰かがスロットとポールの組み合わせを提案したら、自問してみよう：
  • 「表のどの行に一番近いと感じる？
  • "私は「産業用36/4の世界」と「48/40ダイレクトドライブの世界」のどちらに近いのか？"
  • "私のラミネートと磁石の技術は、高磁極側に対応できるほど成熟しているだろうか？"

6.スロットとポールの "良い "組み合わせについての研究結果

多くの学術的研究が、さまざまなタイプのマシンについて「最適なスロットとポールのペアは何か？正直に要約すると 優先順位による - しかし は のパターンがある。

集中巻きのPM機に関する最近の文献から得られた主な知見：

• 高い巻線係数＋高いコギング周波数＝有力候補。
  • FSCW機の研究によれば、スロット数と極数が近い組み合わせでは、0.95を超える巻線係数を達成できる、 もし レイアウトは左右対称。
  • 同時に、スロットと極の最小公倍数（LCM）が高いと、コギングトルクの周波数が高くなり、通常はその振幅が低くなる。
• しかし、一部の "強風 "レイアウトはトラブルメーカーだ。
  • リベール＆ソウラードによる古典的な研究は、次のような組み合わせを示している。 Qs = 9 + 6k と p = Qs ± 1 (9/8を含む)は、注意深く緩和されない限り、非常に高いトルクリップルとアンバランスな磁力を持つ可能性があります。
• BLDC/PM機械の設計経験則：
  • 広く引用されているBLDCのガイドラインのひとつは、確実にすることである：
    • 各相の単位巻線あたりのスロット数の整数値。
    • 3相対称性を満たす。
    • q > 0.25.
    • ピッチファクター＞0.5、総合巻線ファクター＞0.85。
• 用途に応じた最適化が重要
  • 2023-2025年の研究では、「最適な」組み合わせはそれぞれ異なることが示されている：
    • ドローン発電機（重量と効率にこだわる）。
    • ドリル用PMSM（低速、大トルク、強い磁場弱化）。
    • ラジエーターファンモーター（コンパクトで、静かで、耐久性があること）。
  • 各ケースにおいて、スロット/ポールは、ロータトポロジー、冷却コンセプト、制御制約とともに選択される。 決して孤立しない.

• そのすべての研究を、どのようにひとつのメンタル・ルールに変換するか：
  • そのような組み合わせから始めよう：
    • 与える フラクショナル q 0.3～0.7の間 コンパクトなFSCW設計を望むなら
    • 悪名高い "アンバランス "パターン（例えば、いくつかの9/8タイプのレイアウト）は、以下の場合を除き避けること。 知っている トルクリップルとノイズをどう扱うか。
    • を持つ。 大きなLCM(Q, 2p) コギング周波数を高く、振幅を低くする。

7.実用的な選択ワークフロー（ステーター＋ローターの組み合わせ）

以下はその一例である。 人にやさしい 新しいモーターのスロットとポールの組み合わせを選ぶ方法は、ハイエンドの研究や実際の設計事務所が実際に行っていることを反映している。

1. 簡単なことから直す
   • ターゲット スピード・トルク・ポイント 定格運転時および最高速度時。
   • 決定 マシンタイプ:SPM、IPM、シンクロナスリラクタンスなど。
   • にいるかどうかを大まかに決める。 「分散型」（q≧1） または 「濃縮」（q < 1） キャンプ
2. Q / 2pペア候補の短いリストを選ぶ。
   • アプリケーションファミリーを使ってください：
     • ポンプ / ファン / 汎用 → 12/4、24/4、36/4付近で始動。
     • コンパクトサーボ/アクチュエータ → 12/8、12/10、18/16をお試しください。
     • 高トルク低速→24/22、27/22、36/30、48/40を見る。
   • 各候補について、以下を計算する。 q そして、ものづくりのコンフォートゾーンから外れたものはすぐに拒絶する。
3. ステーター側の性能評価
   • 計算する 巻線係数 とMMF高調波（迅速な分析ツールやスプレッドシートも役立ちます）。
   • チェック スロットフィル歯束密度、およその銅損。
   • スキュー、ノッチ、補助スロット、歯先整形など、ステーターに必要なトリックを特定する。
4. ローター側の性能評価
   • それぞれの候補について、磁石のレイアウト、ポールアーク、セグメンテーションをスケッチする。
   • 見積もり コギングトルク レベルと周波数（LCMベース）、アプリケーションの感度と照合する。
   • 最高速度での機械的ストレスと、マグネットとローターアイアンへの冷却の影響を見てください。
5. 最終候補者2-3名に対してのみ、クイックFEAを実行する
   • 最近の論文では、FEAは飽和とリークを正しく見る場であると強調されていますが、可能性のあるすべての組み合わせをシミュレーションする必要はありません。
   • 比較せよ：
     • 平均トルクとトルクリップル。
     • 逆起電力線の形状とTHD。
     • 損失とサーマルホットスポット。
6. 最も苦痛の少ない」妥協点を選ぶ
   • 完璧な勝者はめったにいない：
     • 余裕をもって業績目標を達成する。
     • ラミネート、巻線、磁石のサプライチェーンで製造可能。
     • あなたを残す オプション (例えば、後で歯を切り欠いたり、ポールの弧を調整したり、すべてを設計し直すことなくわずかにスキューさせることができる）。

• もしこの記事から他に何も思い出さなかったとしても、これだけは覚えておいてほしい：
  • スロットとポールの組み合わせは、単なるワインディングテーブルの珍品ではない。 ファースト・デザイン・レバー これは、ステーターとローターができることをロックするものだ。
  • 一度Qと2Pにコミットしてしまえば、後の最適化はすべてダメージコントロールか改良にすぎない。

8."モーターコア10 "に戻す

モーターコア10」を10番目に重要な設計上の決定事項として考えるならば、スロットと極の組み合わせはおそらくトップ3に入るだろう。磁石のグレード、インバータの洗練度、冷却など、他のすべてはこの基盤の上に成り立っている。

だから、今度からデータシートには何気なくこう書いてある。 「12スロット、10極ただうなずいて先に進むのではない。一時停止して尋ねるのだ：

• 「ステーターの歯形と熱経路について教えてください。
• 「ポールアーク、セグメンテーション、機械的完全性など、ローターに何をさせるのか？
• "この組み合わせは、静粛性、トルク、コスト、効率といった私の優先順位に合っているか？"

スロットとポールの組み合わせが 数字ではなくレバーをデザインするそうすれば、競合他社に打ち勝ち、より良い、より地に足のついた会話をすることが容易になる。 ラミネーションサプライヤー とモーターメーカー。