Modellering van lasnaden en interlocks in elektromagnetische simulaties van stator en rotor

Als je ooit een motormodel hebt gehad dat keek perfect is in de FEA, maar de efficiëntie, ruis of temperatuur op de testbank net niet haalt, dan is de kans groot dat lasnaden en vergrendelingen je stilletjes saboteerden. Deze kleine "fabricage" details - lasnaden, deuvels die in elkaar grijpen, krimpeigenschappen - veranderen het magnetische circuit en het verliesbeeld veel meer dan hun geometrie doet vermoeden. Studies hebben aangetoond dat las- en verbindingsprocessen alleen al de verliezen van de stator met ~10-20% kunnen verhogen in industriële machines, en de gecombineerde impact van snijden, verbinden en krimpen kan de verliezen in sommige gevallen met 20-50% verhogen.

• In dit artikel zullen we:
  • Vertaal lassen/vergrendelen productierealiteit in EM-modelinputs die je echt kunt gebruiken.
  • Vergelijk verschillende betrouwbaarheidsniveaus voor het opnemen van lassen/interlocks in stator- en rotorsimulaties.
  • Laat zien hoe deze details verliezen, koppelrimpel en NVH beïnvloeden en wanneer ze er echt toe doen.
  • Geef je een praktische, gereedschapsagnostische workflow die je kunt aanpassen aan Ansys Maxwell, JMAG, COMSOL, MagNet, enz.

1. Wat lassen en vergrendelingen werkelijk doen met je magnetische circuit

Onder de motorkap zit een gelamineerde kern wil zich gedragen als een prachtig uniform magnetisch pad met schone laminaatisolatie en mooie gladde B-H-curves. Lassen en interlocks doorbreken dat ideaal opzettelijk: ze korten laminaten plaatselijk op elkaar, introduceren plastische vervorming en restspanning en veranderen de manier waarop flux en wervelstromen door het staal bewegen.

• Op fysiek niveau, lasnaden en vergrendelingen:
  • Laminaten elektrisch verbindenHierdoor ontstaan gesloten geleidende lussen die lokale wervelstroom-"ringcircuits" mogelijk maken.
  • Restspanning en plastische rek introducerenwaardoor de permeabiliteit afneemt en de hysteresisverliezen toenemen.
  • Fluxpaden verstorenvooral in de buurt van jukken en tandwortels, waardoor lokale verzadiging en lekkage wordt verplaatst.
  • Stijfheid en demping wijzigenwaardoor de manier waarop elektromagnetische krachten worden omgezet in trillingen en geluid verandert.

2. Snelle rondleiding door veelgebruikte verbindingsmethoden en hun EM-implicaties

In echte motoren zie je meestal een combinatie van lassen, vergrendelen, lijmen of mechanische compressie:

• Laser / TIG lasstapels (stator- en rotorgordels).
• Mechanisch in elkaar grijpende deuvels geperst in laminaten.
• Zelfklevende (backlack/zelfklevende) lamineerstapels.
• Klinknagels, bouten, krimpringen of gietwerk (vooral op grote rotors). 
• Elektromagnetisch:
  • Lassen en vergrendelingen hebben de neiging om kernverliezen verhogen door lokale wervelstromen en spanningsgeïnduceerde hysterese toe te voegen.
  • Gelijmde stapels, met behoud van isolatie en minimale vervorming, zijn vaak lagere verliezen en ruis vergeleken met gelaste of vergrendelde kernen.
  • Snijden en samenvoegen kan het volgende veroorzaken lokale degradatie vele malen hoger dan nieuw materiaal, vooral bij snijranden en deuvelgebieden.

3. Waarom conventionele EM-modellen moeite hebben met lassen en koppelingen

De meeste motor FE-modellen gaan ervan uit:

• Een enkele, uniforme B-H-curve.
• Een isotroop, gehomogeniseerd kernverliesmodel.
• Perfect laminaatisolatie (geen geleiding door de dikte).
• Geen geschiedenis van restspanning.

De werkelijkheid is rommeliger. Publicaties over gelaste en vergrendelde kernen laten dat zien:

• Lassen kan de verliezen van de stator kern verhogen met ongeveer 10% in een 37 kW inductiemotor wanneer gemodelleerd met gemeten gelaste ringkerngegevens.
• Interlocking processen kunnen het ijzerverlies aanzienlijk verhogen; in sommige testgeometrieën is de verslechtering als gevolg van interlocking vergelijkbaar met of groter dan het ponsen zelf.
• Voor gesneden en samengevoegde kernen kan het negeren van productiedegradatie de verliezen onderschatten met >50% in het ergste geval.
• Dat leidt tot typische pijnpunten bij het modelleren:
  • Onderschatting van verlies (efficiëntie ziet er beter uit in FEA dan op de dynamometer).
  • Verkeerde hotspotlocaties (slecht thermisch ontwerp omdat lokale verliespieken worden gemist).
  • Koppelrimpel & NVH-mismatches (gemeten geluidspieken zonder duidelijke tegenhanger in de simulatie).
  • Verwarrende afwegingen (bijv. lijmen vs lassen) omdat je model alle verbindingsmethoden als elektromagnetisch identiek beschouwt.

4. De onmisbare input: praat vroegtijdig met de productie

Je kunt alleen modelleren wat je echt weet. Voordat je een EM-model gaat verfijnen, moet je eerst wat tijd besteden aan het verkrijgen van concrete gegevens van productiebedrijven of leveranciers.

Een goed "pre-simulatie" gesprek zou op zijn minst duidelijkheid moeten scheppen:

• Verbindingstechniek voor stator en rotor:
  • Lastype (laser, TIG, spot) en patroon (aantal, lengte, locatie).
  • Interlockstijl (deuvelgeometrie, posities, dichtheid).
  • Of er lijm wordt gebruikt (en bij welke uithardingstemperatuur).
• Materiaal- en procesgegevens:
  • Staalsoort en coatingtype (NOES vs GOES, isolatieklasse).
  • Alle beschikbare ringkern- / Epstein-gegevens voor verwerkt materiaal (gesneden + gelast/vergrendeld).
  • Of spanningsarmgloeien wordt toegepast na het lassen/verbinden.
• Tolerantie en patroonvariabiliteit:
  • Typische positietoleranties op lasnaden of lasverbindingen.
  • Bekende "probleem"-varianten (bijvoorbeeld een bepaald patroon van vergrendelingen dat het geluid verhoogt).
• Praktisch gezegd, vraag:
  • "Waar zitten de lasnaden/vergrendelingen precies op de stapel?"
  • "Wat doet het proces met de lokale magnetische eigenschappen - heb je testgegevens?"
  • "Zijn er verschillende verbindingsopties voor dezelfde stator/rotor die we kunnen vergelijken?"

5. Modelleringsopties: van "goed genoeg" tot natuurgetrouw

In de literatuur vallen mensen over het algemeen uiteen in een aantal "niveaus" voor het modelleren van lassen en interlocks. De truc is om het niveau te kiezen dat past bij je ontwerpfase en risico.

Hier is een compacte vergelijking die je kunt gebruiken als spiekbriefje voor je ontwerp:

• Als je probeert "de concurrentie te verslaan", wil je over het algemeen ten minste naar L1 betrouwbaar en hebben L2 of L3 voor uw vlaggenschipmotoren.

6. Niveau 1 in de praktijk: effectieve materiaalzones voor lassen en vergrendelingen

Het kernidee bij L1 is eenvoudig: in plaats van elke kleine las of verbinding opnieuw te tekenen, schilder je "gedegradeerd materiaal" op de gebieden die ze beïnvloeden en laat je FE de rest afhandelen. Deze aanpak is gebruikelijk in modern onderzoek naar snij- en verbindingseffecten, waar mensen afstandsafhankelijke degradatiemodellen afleiden en deze direct op elementniveau toepassen.

• Een praktische L1-workflow ziet er meestal als volgt uit:
  • Stap 1 - Verwerkte materiaalgegevens verkrijgen
    • Meet ringkernen gemaakt van echte statorlaminaties: ongelast vs. gelast; met vs. zonder vergrendeling.
    • Extraheer B-H krommen en kernverliescoëfficiënten voor elk geval.
  • Stap 2 - Bouw een "effectieve zone"-model
    • Identificeer waar lassen/vergrendelingen zich bevinden (bijv. naad van buitenste juk, deuvels van middenjuk, rotorpoolverbindingen).
    • Definieer zones (bijv. ±3-5 mm rond elke laslijn of deuvel) waar de materiaaleigenschappen worden gewijzigd.
  • Stap 3 - Schaaleigenschappen
    • Pas de permeabiliteit en kernverliescoëfficiënten in deze zones aan op basis van uw metingen (bijv. +10-30% plaatselijk verlies, licht gereduceerd µ).
  • Stap 4 - EM-simulaties opnieuw uitvoeren
    • Evalueer totale verliezen, plaatselijke verliesdichtheid, koppelrimpel en fluxdistributie.
    • Vergelijk met metingen indien beschikbaar (bijvoorbeeld een nagebouwde stator met geblokkeerde rotor).

7. Niveau 2: lassen en deuvels in elkaar grijpen expliciet modelleren

Bij L2 stop je met doen alsof lassen/vergrendelingen "gewoon een ander materiaal" zijn en teken je ze echt. Dit is waar je werk reproduceert zoals de 3D FE modellen van in elkaar grijpende deuvels (en equivalente 2D modellen die daarvan zijn afgeleid) die expliciet wervelstroomlussen binnenin de deuvels en langs het stapeloppervlak laten zien.

• Belangrijkste modelleringsbewegingen op dit niveau:
  • 3D alleen waar het belangrijk is
    • Gebruik een 3D-sectormodel met een paar sleuven/palen en gedetailleerde deuvels/lasnaden; spring niet meteen naar volledig 360°.
    • Behoud de richting van de laminaatdikte als je realistische wervelstroompaden wilt.
  • Aparte materialen voor staal, lasmetaal en deuvels
    • Geef lasmetaal een hoge geleidbaarheid en geschikte µ (vaak dichter bij verzadigd of gegoten staal).
    • Behandel deuvels als een afzonderlijk gebied dat lamineringen overbrugt.
  • De tijdafhankelijkheid goed oplossen
    • Kernverliezen van deze eigenschappen zijn frequentiegevoelig; gebruik tijdstapsgewijze of multi-harmonische oplossingen.
    • Bereken voor aandrijfcycli vooraf frequentieafhankelijke effectieve verliesbijdragen en hergebruik deze in modellen op systeemniveau.
  • Back-port resultaten naar 2D
    • Leid uit je dure 3D-studie een "equivalente verlies- en permeabiliteitskaart" af die je vervolgens kunt implementeren als een L1-type materiaalvlek in snellere 2D-simulaties.

8. Rotorspecifieke problemen: lassen, moffen en kooien

Rotors worden meestal grover gemodelleerd dan stators, maar lassen en verbindingen kunnen daar even belangrijk zijn - soms zelfs belangrijker, omdat hogere omtreksnelheden en combinaties van sleuven en polen lokale effecten versterken.

Veel voorkomende rotorspecifieke verbindingskenmerken zijn onder andere

• Gelaste of gegoten eekhoornkooibeugels en eindringen.
• Gelaste paalschoenen of paal-op-spaak verbindingen (voor zoutpoolmachines).
• Magneethoudende hulzen of axiale laslijnen op rotoren met permanente magneet.
• Klinknagel/boutverbindingen op gelamineerde paalsamenstellingen.
• Let bij het modelleren van rotorlassen en -verbindingen op:
  • Wervelstroombruggen tussen staven en lamineringen via lassen, die van invloed zijn op de splitsing van koper/ijzerverlies van de rotor en de verwarming van de kooi.
  • Schuinstand + lasnaad: lassen in de buurt van scheve sleuven kunnen lokale fluxpaden vervormen en koppelrimpel beïnvloeden.
  • Belastingen op hulzen en krimpkousendie de eigenschappen van de magneet en de lamineringen kunnen aantasten en resonanties kunnen verschuiven wanneer ze volledig gekoppeld zijn.

9. Van theorie naar klikken: een toolagnostische workflow

Welke EM solver je ook gebruikt, een goede las/verbindingsmodellering volgt meestal een soortgelijke structuur.

Zie het als "meten → verminderen → model → valideren":

• Meten / Verzamelen
  • Verzamel ringkern- / Epstein-gegevens voor:
    • Materiaal basis.
    • Alleen gesneden monsters.
    • Gesneden + gelast.
    • Cut + interlocked (met verschillende patronen, indien beschikbaar).
  • Als het mogelijk is, meet dan de kernverliezen op gedeeltelijk geassembleerde stator-/rotorkernen vóór het wikkelen (kortdurende testopstellingen, ringvormige bekrachtigingen, enz.)
• Terugbrengen tot modellen
  • Pas afstand-tot-feature Afbraakwetten: bijv. een functie µ(r), k_hyst(r), k_eddy(r) versus afstand tot de laslijn of het midden van de deuvel.
  • Isoleer voor vergrendelingen de bijdragen van:
    • Stampen.
    • Deuvelvorming.
    • Deuvelverbinding / interlinking (kortsluitpaden).
• Model in EM FE
  • L1-patches (en optioneel L2-geometrie) implementeren in 2D/3D EM-modellen van stator en rotor.
  • Operationele punten uitvoeren die betrekking hebben op:
    • Nominale flux en frequentie.
    • Overflux en hoogfrequente PWM-harmonischen indien relevant.
• Valideren en itereren
  • Gesimuleerde kernverliescomponenten in onbelaste toestand, geblokkeerde rotor en belasting vergelijken met tests (of kernmetingen vóór montage).
  • Stem de degradatiefactoren af (binnen fysisch redelijke grenzen) totdat het kernverlies en de temperatuurmetingen consistent overeenkomen.

10. Hoe las/verbindingsmodellering ontwerpbeslissingen verandert

Als lassen en vergrendelingen eenmaal in je EM-model zitten, zijn ze niet langer "een noodzakelijk kwaad" maar worden ze ontwerphefbomen.

In plaats van "gelast vs gelijmd vs vergrendeld" te behandelen als een puur mechanische of kostenbeslissing, kun je het zien als een elektromagnetische ontwerpvariabele:

• Met gedetailleerde modellering kun je:
  • Verbindingstechnologieën kwantitatief vergelijken
    • Voorbeeld: studies hebben aangetoond dat gelijmde statorkernen de kernverliezen met ~20-40% kunnen verminderen en de akoestische ruis aanzienlijk kunnen verminderen in vergelijking met gelaste of vergrendelde kernen in verder identieke ontwerpen.
  • Las-/verbindingspatronen optimaliseren
    • Minimaliseer het aantal in elkaar grijpende deuvels of plaats ze in gebieden met een lagere fluxdichtheid om extra verlies te beperken met behoud van mechanische sterkte.
  • Stem jukdikte en laslocatie op elkaar af
    • Sommige gesegmenteerde-statorontwerpen gebruiken dunne jukken die gevoeliger zijn voor verkeerde uitlijning en plaatsing van de verbindingen; FE-modellen tonen aan dat dit het coggingkoppel kan verhogen en resonantiefrequenties kan veranderen.
  • Afwegingen aan rotorzijde beoordelen
    • Bijvoorbeeld, beslissen tussen gelaste en gegoten kooien, of evalueren of het toevoegen van een vasthoudmof + lokale lassen de mogelijke toename in rotorverlies waard is.
• In de praktijk kan dat leiden tot beslissingen als:
  • Overstappen van vergrendeling naar verlijming voor hoogefficiënte, geluidsarme EV-tractiemachines.
  • Behoud van vergrendelingen, maar met minder, optimaal geplaatste pluggen terwijl de ondersteuning van de behuizing wordt verbeterd.
  • Alleen lassen als het mechanisch absoluut noodzakelijk is en kiezen voor spanningsarm gloeien als de EM-kosten hoog zijn.

11. De cirkel sluiten: validatie, NVH en toekomstige richtingen

Uiteindelijk gaat het bij las- en interlockmodellering minder om het tekenen van mooiere CAD en meer om het feit dat je virtuele prototype zich gedraagt als de echte machine - inclusief de onvolkomenheden.

Een robuuste high-end workflow ziet er meestal als volgt uit:

• Werkelijkheidscontrole op paragraafniveau met hardware
  • Kernverliesmeting vóór montage (ringkernen, tests alleen stator).
  • Volledige motortests: nullast, geblokkeerde rotor, belastingspunten; temperatuurstijging en geluidsmetingen.
• EM + structurele/NVH-koppeling
  • Gebruik je las/insluitbewust EM-model om krachtharmonischen te genereren.
  • Voer ze in een structureel model in dat ook omvat gelaste/vergrendelde verbindingen en hun stijfheid/demping.
  • Vergelijk gesimuleerde en gemeten trillingsspectra; verfijn zowel de las/verbindingsstijfheid als de EM-krachtmodellering.
• Gegevensgestuurde snelkoppelingen
  • Naarmate er meer projecten komen, kun je interne surrogaatmodellen trainen:
    • "Verlies versus laspatroon" voor een bepaalde motorfamilie.
    • "Lawaaisanctie versus vergrendelingsdichtheid."
  • Gebruik deze om snel de toetredingsopties te bekijken voordat je FE in detail gaat bekijken.
• Vooruitkijkend gaat het onderzoek al in de richting van:
  • Spanningsgekoppelde materiaalmodellen waarbij B-H en verliezen direct afhankelijk zijn van lokale mechanische velden, geïntegreerd in EM-oplosmethoden.
  • Geautomatiseerde mesh/eigenschapstoewijzing van processimulaties (bijvoorbeeld "restspanning importeren van las FE in EM FE").
  • Gestandaardiseerde afbraakbibliotheken voor specifieke staalsoorten en verbindingsprocessen, zodat je niet voor elk programma het wiel opnieuw hoeft uit te vinden.