로터 코어의 마그네틱 브리지 설계: 강도와 손실 비교

마그네틱 브리지는 스트레스 마진 또는 전자기 청결도 중 어떤 것을 기꺼이 감수할 것인지 결정하는 곳입니다. 강철을 추가하면 로터의 수명이 길어지고, 얇게 유지하면 기계가 더 잘 작동합니다.

브리지는 '지지 금속'이 아니라 하중을 전달하는 자성 부품입니다.

사람들은 다리에 대해 마치 자석이 로터에서 빠져나가는 것을 막기 위해 존재하는 것처럼 이야기합니다. 브리지는 바로 그런 역할을 합니다. 또한 의도적으로 포화된 기하학적으로 정의된 션트는 누설 경로를 다시 배선하고 자속 밀도가 쌓이는 위치를 이동시킵니다. 컴솔의 자체 IPM 스트레스/전자기 예시에서는 브리지 영역의 포화가 전자기 특성에 영향을 미치므로 손실을 줄이기 위해 브리지 두께를 최소화해야 하지만, 이와 같은 좁은 브리지는 속도에서 높은 원심 스트레스를 받습니다.

이 한 문장에 진짜 짜증이 숨겨져 있습니다: "최소"는 숫자가 아닙니다. 스케치한 모서리가 아니라 실제로 제작하는 모서리를 포함하면 기계적 제약 조건을 충족하는 것이 무엇이든 상관없습니다.

두께는 잔인한 레버이며 부드럽게 변합니다.

응력 대 교량 두께를 플롯하면 일반적으로 "웹형"에서 "보형"으로 이동하는 구조에서 기대할 수 있는 모양을 얻을 수 있습니다. 초기 두께는 많은 것을 구매합니다. 그 이후에는 수익이 감소합니다.

한 고속 비교 연구에 따르면 브리지 두께가 1mm에서 2mm(3961MPa에서 2385MPa, 약 39.8%)로 증가하면 로터 응력이 크게 떨어지고, 2.5mm에서 3.5mm(1904MPa에서 1690MPa, 약 11.2%)로 증가하면 훨씬 적게 떨어지는 것으로 나타났습니다. 동일한 "첫 번째 밀리미터가 중요하다"는 패턴은 다른 고속 IPM 최적화 논문에서도 나타났는데, 브리지 두께를 1mm에서 3mm로 늘리면 최대 로터 응력이 감소하는 동시에 무부하 라인 백-EMF도 낮아집니다(382.6V에서 348V).

따라서 브리지 두께는 기계식 제어 노브입니다. 또한 전자파 세금이 부과됩니다.

누출은 단순히 "적은 플럭스"가 아니라 확산되는 고조파 및 손실 문제입니다.

교량이 두꺼워질수록 누설 경로가 더 쉬워집니다. 시뮬레이션 결과에서 교량 두께가 1mm에서 3.5mm로 증가함에 따라 동일한 고속 비교에서 무부하 누출 플럭스 계수가 1.12에서 1.56으로 증가합니다. 이는 정량적으로 깔끔하게 표현하면 강철에 대한 비용을 지불한 후 누출에 대한 비용을 다시 지불한 것입니다.

그런 다음 보강재나 세그먼트 자석을 추가하여 스트레스를 진정시킵니다. 스트레스는 개선되고 누설은 종종 악화됩니다. 같은 논문에서는 자석을 분할하고 보강재를 추가하면 누설 경로가 증가하고 보강재 두께에 따라 누설 계수가 거의 선형적으로 상승하며 누설 계수가 1.72에 이르는 사례도 보고하고 있습니다.

누설과 포화로 인해 에어 갭 플럭스 파형이 형성되면 백-EMF 크기에 대한 논쟁을 멈추고 스펙트럼에 대한 논쟁을 시작해야 합니다. 이 연구에 따르면 IPM 케이스가 SPM 케이스보다 더 높은 역고조파 왜곡을 보였으며(THD 3.20% 대 0.64%), 특히 11번째와 13번째 성분이 두드러졌습니다. 고조파는 로터 코어 손실이 숨어 있기를 좋아하는 곳입니다.

손실: 명백한 손실과 실수로 만든 손실

대시보드에서 두 개만 추적하더라도 브리지 결정은 최소 세 개의 '손실 버킷'에 영향을 미칩니다.

명백한 버킷은 로터 코어 손실입니다. 고속 비교에서 저자는 IPM 로터의 더 큰 고조파 함량(부분적으로는 작은 에어 갭과 강한 고정자 전류 영향으로 인해)을 더 큰 로터 코어 손실과 직접 연결하고, 이것이 로터 열 한계 문제로 바뀌는 것을 보여줍니다(IPM의 경우 최대 로터 온도가 194°C로 보고됨).

두 번째 버킷은 브리지가 국부 포화 및 플럭스 밀집에 미치는 영향입니다. 사이언티픽 리포트 논문에서는 "플럭스 절연 브리지의 높은 자기 포화"가 에어 갭 플럭스 밀도 고조파를 증가시켜 저속에서 토크 리플을 증가시키고, 그 완화 경로는 자기 절연 구멍으로 리럭턴스를 추가하여 브리지 플럭스 밀도를 감소시켜 과포화를 방지하고 히스테리시스와 와전류 손실을 줄이는 것을 목표로 한다고 설명합니다.

세 번째 버킷은 간접적으로 발생하는 손실로, 브리지가 두꺼워지고, EMF(또는 역률)가 손실되고, 토크를 내기 위해 더 많은 전류를 사용하고, 구리 손실이 증가하고, 이제 고정자를 가열하여 로터 스트레스 문제를 '해결'하는 것입니다. 이것은 도덕적인 이야기가 아닙니다. 장부상 설명입니다.

고속 최적화 백서에서 직관적이지 않은 또 하나의 세부 사항: 로터 코어 손실은 다음과 같습니다. 감소 로터 강철에서 플럭스가 스윙하는 방식과 위치를 변경했기 때문에 브릿지 두께가 증가하면 EMF가 떨어지는 동안에도 브릿지/스티프너 두께 스윕에 걸쳐 효율이 상승했다가 하락하는 경우가 많습니다. 따라서 브리지가 두꺼울수록 한 가지 손실 지표에서는 "더 나은" 것처럼 보일 수 있지만 기계의 전자기 상태는 조용히 저하될 수 있습니다.

응력 집중은 실제 존재하며 '다리'는 하나의 다리가 아니기 때문에 모양이 중요합니다.

다리가 직사각형이라는 생각을 버리면 디자인 공간이 열립니다. 다중 브리지 V자형 로터는 자석을 분할하고 중간 브리지를 삽입하여 원심력을 분산시켜 허용 속도를 높이지만, 같은 논문에서는 브리지가 많고 폭이 넓을수록 기계적 강도는 향상되는 반면 자속 누출이 증가하고 전자기 성능이 저하된다는 모순을 직접적으로 언급하고 있습니다. 또한 이 논문은 중앙 브리지 두께가 효율적인 기계적 레버인 반면, 일부 에어 갭 브리지 매개변수를 조정해도 강도가 크게 향상되지 않는다는 점을 강조하며 주 응력 경로가 다른 곳에서 처리되면 누설을 이유로 에어 갭 브리지 치수를 더 적극적으로 선택할 수 있음을 시사합니다.

필렛 및 삼각 브리지 모양과 같은 세부 사항을 최적화하는 경우 일반적으로 평균 응력이 아닌 응력 집중도를 쫓게 됩니다. 고속 IPM 최적화 논문에서는 로터 안전/전자기 충돌 사례의 일부로 필렛 및 삼각 자기 브리지 방식을 명시적으로 언급하고 있습니다.

"다리 제거"는 실제 아이디어이지만 교체 부품이 함께 제공됩니다.

2024년 오픈 액세스 논문에서는 누설과 로터 철 손실을 명시적으로 목표로 삼아 양측 브리지를 제거하고 중앙 브리지만 유지하여 강도를 유지하는 로터를 제안하며, 로터 표면의 고실리콘강(철 손실 감소)과 내부의 저실리콘강(강도)을 결합하여 기존 모터 대비 누설 감소, +7.5% 토크, +0.18% 효율, -36.2% 로터 철 손실을 보고하고 있습니다.

교량 폭을 줄이면 누수와 손실을 줄일 수 있지만 토폴로지(중앙 부하 경로, 세분화 전략) 및 재료 선택으로 기계적 무결성을 '다시 구매'해야 합니다.

인수를 정직하게 유지하는 테이블

목적 함수가 지저분할 때 효과적인 디자인 자세

브리지 사이징을 "두께를 고른 다음 손실을 확인하는 것"으로 취급하면 영원히 반복하게 됩니다. 심각해 보이는 논문에서는 스트레스, 누설 계수, 역방향 전자기장 스펙트럼, 로터 코어 손실, 온도 등을 복합적으로 고려하는 경향이 있습니다. 한 고속 연구에서는 마진을 정직하게 유지하기 위해 120% 정격 속도와 높은 온도에서 스트레스를 실행한 다음, 로터 가열이 종종 제한 요인이기 때문에 최적화 목표를 효율과 로터 코어 손실에 연결하기도 합니다.

실용적인 자세는 어떤 실패(과속 시 수율, 로터 온도 상한, 데마그 마진)를 거부할지 결정한 다음, 그 실패를 지루하게 만드는 가장 작은 강철 조각이 다리가 되도록 하는 것입니다. 최적이 아닙니다. 지루하죠. 나머지는 어차피 포화가 발생할 것이므로 모양, 세분화, 포화를 허용하는 위치로 자기 부작용을 관리하는 것입니다.