Motorkern 10: Sleuven/gaten - hoe ze de ontwerpkeuzes voor stator en rotor bepalen

Wanneer ingenieurs discussiëren over motoren, hebben ze het meestal over magneten, koperen vulling of omvormertrucs. Maar in stilte, onder dat alles, is er één erg Een eenvoudige beslissing stuurt bijna alles:

Hoeveel statoropeningen en hoeveel rotorpolen gebruik je?

Die gleuf/poolcombinatie bepaalt of je motor soepel bromt of schreeuwt, of je magneten koel draaien of koken en of je machine gemakkelijk te maken is of een nachtmerrie. Recent onderzoek komt steeds weer tot dezelfde conclusie: de keuze van sleuf/pool is de eerste ontwerpbeslissing die je goed moet nemenvooral met moderne geconcentreerde wikkelmachines met gefractioneerde sleuven (FSCW).

• Aan het einde van dit artikel zul je in staat zijn om:
  • Lees een slot/pool notatie als "12s/10p" en stel je meteen voor wat dat betekent voor wikkeling, cogging en koppel.
  • Begrijpen hoe sleuven en palen gezamenlijk de geometrie van de statortanden, de lay-out van de rotormagneet en de verliezen beperken.
  • Vergelijk 10 echte slot/pool combinaties en zie welke families geschikt zijn voor EV's, drones, pompen of directe aandrijving.
  • Stel veel scherpere vragen wanneer een leverancier een "standaard" laminering of aantal rotorpolen voorstelt.

1. Sleuven, palen en qhet 30-seconden mentale model

Laten we de terminologie vastleggen voor een 3-fasige machine (het meeste wat volgt is gemakkelijk te veralgemenen):

• Slots (Q) - tanden en sleuven in de stator kern waar je koper woont.
• Palen (2p) - magnetische noord/zuid-polen rond de rotor (of stator, in sommige topologieën).
• Slots per pool per fase (q) - de sleutelverhouding:

[q = \frac{Q}{m \cdot 2p} \(met m = 3 voor een driefasenmachine). ]

Dit ene nummer, q, vertelt je of je wikkeling "integraal-slot" is (integer q) of "fractional-slot" (niet-integer q). Fractional-slot concentrated winding (FSCW) machines - nu gangbaar in EV's, luchtvaart en generatoren - kiezen bewust voor q < 1 voor een hoge koppeldichtheid en korte eindomwentelingen.

• Wat de slot-/poolkeuze echt bepaalt (in gewone taal):
  • Koppeldichtheid - Meer polen betekent meestal meer koppel per volume bij lage snelheid, maar ook een lagere basissnelheid.
  • Cogging en koppelrimpel - Bepaalde combinaties geven vervelende koppelpulsen; bij andere worden ze bijna "uitgemiddeld".
  • Wikkelfactor - hoe effectief je MMF-fundamenteel optelt; slechte combinaties verspillen koper en magneetvolume.
  • Geluid & trillingen - Sommige sleuf-/poolpatronen oefenen sterke radiale krachten uit op de stator, wat leidt tot akoestische ruis.
  • Fabriceerbaarheid - complexiteit van spoelinbrenging, behoefte aan scheefstand, lamineringsvariatie en magneetsegmentatie.

2. Integraal vs Fractioneel-Slot: de tweesprong

Historisch gezien begonnen grote industriële motoren met gedistribueerde wikkelingen met integrale groeven:

• Voorbeeld: 36 sleuven / 4 polen, 3-fase
  • q = 36 / (3-4) = 3
  • Veel kleine, overlappende spoelen → zeer sinusvormige MMF, laag harmonisch gehalte, lage koppelrimpel.

Toen kwamen er PM-machines met een hoog aantal polen en toepassingen met directe aandrijving. Om het koper kort te houden en het wikkelen te vereenvoudigen, gingen ontwerpers over op geconcentreerde wikkelingen met verwaarloosbare groeven (FSCW) waarbij elke tand een geconcentreerde spoel draagt en q fractioneel is.

Dit was niet zomaar een modeverandering. het heeft de manier waarop we sleufpoolparen kiezen fundamenteel veranderd. In plaats van "wat een mooi verdeelde wikkeling geeft", richt je nu:

• Een hoge fundamentele wikkelfactor (≈ 0,9 of beter voor veel ontwerpen).
• Een hoge cogging koppel frequentie (zodat individuele coggingpulsen klein zijn).

• Snelle mentale classificatie met behulp van q:
  • q ≥ 2 → "klassieke" gedistribueerde wikkeling (bijv. 36/4): soepel koppel, maar meer koperen lengte en complexere wikkeling.
  • 1 ≤ q < 2 → compact verdeeld of halfgeconcentreerd; vaak gebruikt in industriële PMSM's.
  • 0.25 ≤ q < 1 → fractioneel-slot geconcentreerddomineert moderne hoogpolige PM-machines en wielnaafmotoren.
  • q < 0.25 → extreem fractioneel; meestal te veel polen voor het aantal sleuven, wat sterke parasitering met zich meebrengt, tenzij zeer zorgvuldig ontworpen.

3. Hoe slotpoolcombinaties het statorontwerp veranderen

Zodra je Q en 2p kiest, is je de ruimte van de statorgeometrie stort in teruggebracht tot een kleiner aantal haalbare opties:

• Tandbreedte & verzadiging.
  • Minder sleuven (kleine Q) → brede tanden die verzadigd kunnen raken als je de fluxdichtheid opvoert, waardoor het koppel beperkt wordt.
  • Meer sleuven → smallere tanden; gemakkelijk te verzadigen, maar je krijgt betere controle over de MMF-vorm en meer opties om de sleufopeningen te tweaken.
• Sleufopening & harmonischen.
  • De verhouding tussen de breedte van de tandtip en de sleufopening bepaalt de variatie in luchtspleetpermeantie en dus het coggingkoppel.
  • Nauwe sleufopeningen en bepaalde Q/2p combinaties kunnen cogging drastisch verminderen, maar kunnen de fabricage en plaatsing bemoeilijken.
• Thermisch pad en vulfactor.
  • Door het grote aantal gleuven kan er meer warmte ontsnappen, maar zijn er ook meer raakvlakken tussen de isolatievlakken.
  • Wikkelingen met gefractioneerde sleuven kunnen de spoelvorm vereenvoudigen en de koperpakking in elke sleuf verbeteren, waardoor het kleinere sleufoppervlak wordt gecompenseerd.

• Controlelijst voor de statorzijde als je naar een voorgesteld sleufpoolpaar staart:
  • "Is q binnen een comfortabel bereik (≈0,25-3) voor mijn productie- en wikkeltype?".
  • "Kan ik de beoogde tandfluxdichtheid bereiken zonder in een diepe verzadiging terecht te komen?"
  • "Heb ik genoeg sleufruimte voor koper en isolatie bij mijn gewenste stroomdichtheid?"
  • "Heb ik voor deze combinatie trucs nodig zoals een scheve sleuf, dummy sleuven of tandinkepingen om de cogging te beheersen?"
  • "Kan ik met deze Q bestaande lamineergereedschappen hergebruiken of is er een nieuwe ponsset nodig?"

4. Gevolgen voor de rotor die je niet kunt negeren

Verander de sleuf/stangcombinatie en je verandert de het hele werk van de rotorHoe het flux draagt, hoe de magneten zijn gedimensioneerd en geplaatst en welke harmonischen de magneten en as raken.

Voor opbouw-PMSM's en SPM-machinesRecente vergelijkende studies tonen aan dat paal/gleuf keuzes een sterke invloed hebben:

• Vorm van de back-EMF golfvorm.
• Cogging koppelamplitude en frequentie.
• Verliezen in magneten en rotorkern.

Voor interieur PM (IPM) of weigerachtigheid machines dicteert hetzelfde gleufpoolpaar waar je fluxbarrières kunt plaatsen en hoe goed je d- en q-asinducties gescheiden zijn - cruciaal voor veldverzwakking.

• Vragen aan de rotorkant om te stellen bij elk voorstel voor sleuven/polen:
  • "Welke poolboog (magneetoverspanning) heb ik nodig om een goed koppel te krijgen zonder de statorvertanding te oververzadigen?"
  • "Is de frequentie van het coggingkoppel hoog genoeg zodat de amplitude klein blijft?" (Hogere LCM van sleuven en polen → hogere frequentie, kleinere amplitude).
  • "Zal de subharmonischen van dit gleufpoolpaar lastige trillingsmodi in mijn behuizing of as veroorzaken?"
  • "Kan ik magneten segmenteren of de rotor scheef zetten zonder dat montage of kosten onmogelijk worden?"
  • "Past deze combinatie bij mijn maximale mechanische snelheid (centrifugale spanning vs magneetdichtheid)?"

5. Tien echte combinaties van sleuven en stokken - en wat ze doen doen

Hieronder staat een praktische momentopname van 10 veel voorkomende of illustratieve slot/poolcombinaties voor driefasenmotoren. Dit zijn geen "goede vs. slechte" labels - het zijn startpunten om na te denken over hoe stator- en rotorkeuzes met elkaar verbonden zijn.

q wordt berekend voor driefasig (m = 3): q = Q / (3-2p)

Het grote plaatje: Als je van (36/4) naar (48/40) gaat, ruil je snelheid in voor koppel en "mooie sinusgolven" voor compacte machines met een hoog aantal polen die een zorgvuldige harmonische en mechanische regeling vereisen.

• Als iemand een sleuf/stangcombinatie voorstelt, vraag jezelf dan af:
  • "Bij welke rij in die tabel 'voelt' het het dichtst?"
  • "Zit ik dichter bij de 'industriële 36/4-wereld' of de '48/40-wereld met directe aandrijving'?"
  • "Is mijn lamineer- en magneettechnologie volwassen genoeg voor de hoogpolige kant van dat spectrum?"

6. Wat onderzoek zegt over "goede" sleuf/stok combinaties

Veel academisch werk heeft geprobeerd een antwoord te geven op de vraag "wat is het beste sleuf/stokkenpaar?" voor verschillende machinetypes. De eerlijke samenvatting is: het hangt af van je prioriteiten - maar daar zijn patronen.

Belangrijkste bevindingen uit recente literatuur over PM-machines met geconcentreerde wikkelingen:

• Hoge wikkelfactor + hoge coggingfrequentie = sterke kandidaten.
  • Onderzoeken naar FSCW machines tonen aan dat combinaties waarbij het aantal sleuven dicht bij het aantal polen ligt wikkelfactoren boven 0,95 kunnen bereiken, als de lay-out is symmetrisch.
  • Tegelijkertijd verhoogt een hoog kleinste gemene veelvoud (LCM) van sleuven en polen de frequentie van het coggingkoppel en verlaagt gewoonlijk de amplitude ervan.
• Maar sommige lay-outs met een hoge windfactor zijn lastpakken.
  • Klassiek werk van Libert & Soulard laat zien dat combinaties als Qs = 9 + 6k met p = Qs ± 1 (inclusief 9/8) kan een zeer hoge koppelrimpel en ongebalanceerde magnetische krachten hebben, tenzij dit zorgvuldig wordt beperkt.
• Vuistregels voor het ontwerp van BLDC/PM-machines:
  • Een veel genoemde richtlijn voor BLDC's is om ervoor te zorgen:
    • Integer aantal sleuven per eenheidswikkeling per fase.
    • Aan 3-fasige symmetrie is voldaan.
    • q > 0.25.
    • Spoedfactor > 0,5 en totale wikkelingsfactor > 0,85.
• Toepassingsspecifieke optimalisatie is belangrijk.
  • 2023-2025 Studies tonen aan dat "optimale" combinaties verschillen tussen:
    • Drone-generatoren (geobsedeerd door gewicht en efficiëntie).
    • Boor-PMSM's (lage snelheid, enorm koppel, sterke veldverzwakking).
    • Motoren voor radiatorventilatoren (moeten compact, stil en duurzaam zijn).
  • In elk geval wordt de sleuf/pool gekozen in combinatie met de rotortopologie, het koelconcept en de regelbeperkingen. nooit geïsoleerd.

• Hoe vertaal je al dat onderzoek in één mentale regel?
  • Begin met combinaties die:
    • Geef een fractioneel q tussen ~0,3 en 0,7 als u compacte FSCW ontwerpen wilt.
    • Vermijd beruchte "ongebalanceerde" patronen (zoals sommige 9/8 lay-outs) tenzij je weet hoe je omgaat met koppelrimpel en ruis.
    • Heb een groot LCM(Q, 2p) om de coggingfrequentie hoog en de amplitude laag te houden.

7. Een praktische selectieworkflow (stator + rotor samen)

Hier is een mensvriendelijk manier om een sleuf/poolcombinatie te kiezen voor een nieuwe motor, die weerspiegelt wat high-end onderzoek en echte ontwerpbureaus eigenlijk doen.

1. Eerst de makkelijke dingen oplossen
   • Doel snelheid-koppelpunt bij nominaal bedrijf en maximale snelheid.
   • Beslis over machinetype: SPM, IPM, synchrone reluctantie, enz.
   • Bepaal grofweg of je in de "verdeeld" (q ≥ 1) of "geconcentreerd" (q < 1) kamp.
2. Kies een korte lijst van kandidaat Q / 2p paren
   • Gebruik je toepassingsfamilie:
     • Pomp / ventilator / algemeen → start bij 12/4, 24/4, 36/4.
     • Compacte servo/actuator → probeer 12/8, 12/10, 18/16.
     • Hoog koppel lage snelheid → kijk naar 24/22, 27/22, 36/30, 48/40.
   • Bereken voor elke kandidaat q en alles wat buiten je comfortzone valt snel afwijzen.
3. Prestaties aan statorzijde evalueren
   • Bereken wikkelfactor en MMF-harmonischen (zelfs snelle analytische hulpmiddelen of spreadsheets helpen).
   • Controleer sleufvulling, tandfluxdichtheid en benaderend koperverlies.
   • Bepaal welke statortrucs je nodig hebt: scheef, inkepingen, hulpsleuven, vormgeven van tandpunten.
4. Prestaties aan rotorzijde evalueren
   • Schets voor elke kandidaat de lay-out van de magneet, de poolboog en de segmentatie.
   • Schatting coggingkoppel niveau en frequentie (op basis van LCM) en controleer deze op toepassingsgevoeligheid.
   • Kijk naar de mechanische belasting bij maximale snelheid en de gevolgen voor de koeling van magneten en rotorijzer.
5. Voer een snelle FEA uit op slechts 2-3 finalisten
   • Recente artikelen benadrukken dat FEA de plek is waar je verzadiging en lekkage goed kunt zien, maar je hoeft niet elke mogelijke combinatie te simuleren - alleen de veelbelovende.
   • Vergelijken:
     • Gemiddeld koppel en koppelrimpel.
     • Vorm van de back-EMF en THD.
     • Verliezen en thermische hotspots.
6. Kies het "minst pijnlijke" compromis
   • Zelden is er een perfecte winnaar; de beste keuze is degene die:
     • Voldoet aan de prestatiedoelen met marge.
     • Is produceerbaar met uw lamineer-, wikkel- en magneetketen.
     • Laat je opties (Je kunt bijvoorbeeld later tanden inkepen, de boog van de stang aanpassen of een beetje scheef gaan staan zonder alles opnieuw te ontwerpen).

• Als je je niets anders herinnert van dit artikel, onthoud dan dit:
  • Sleufpoolcombinaties zijn niet zomaar een curiositeit van de draaitafel - ze zijn de eerste ontwerp hefboom die vastlegt wat je stator en rotor mogen doen.
  • Als je je eenmaal committeert aan Q en 2p, is elke latere optimalisatie slechts schadebeperking of verfijning.

8. Terugbrengen naar "Motor Core 10".

Als we "Motor Core 10" beschouwen als de tiende essentiële ontwerpbeslissing, dan horen slotpoolcombinaties waarschijnlijk in de top drie thuis. Al het andere - magneetkwaliteit, verfijning van de frequentieregelaar, koeling - is op dit fundament gebouwd.

Dus de volgende keer dat een gegevensblad terloops zegt "12-sleuven, 10-polig"knik niet en ga verder. Pauzeer en vraag:

• "Wat zegt dit over de tandgeometrie en het thermische pad van de stator?"
• "Wat dwingt het de rotor te doen - in poolboog, segmentatie en mechanische integriteit?"
• "Komt deze combinatie overeen met mijn prioriteiten: stilte, koppel, kosten of efficiëntie?"

Zodra je combinaties van sleuven en polen begint te zien als ontwerp hefbomen in plaats van alleen nummerszult u merken dat het veel gemakkelijker is om de concurrentie te slim af te zijn en om betere, meer gefundeerde gesprekken te voeren met uw klanten. lamineer leveranciers en motorfabrikanten.