Le prestazioni in termini di rumore e vibrazioni sono spesso il fattore decisivo traavvolgimento concentrato e distribuitouna volta che il progetto di un motore va oltre le applicazioni piccole e ad alta-velocità - aavvolgimento concentrato a fessura frazionarialayout perfettamente accettabile in un peso leggeroavvolgimento del motore del dronepuò produrre un rumore acustico inaccettabile in un motore industriale o automobilistico più grande,-che gira più lentamente.
La causa principale sono le armoniche del campo magnetico: la disposizione più semplice della bobina dell'avvolgimento concentrato produce un campo meno sinusoidale rispetto all'avvolgimento distribuito e tali armoniche aggiuntive si traducono direttamente in ondulazione di coppia e rumore udibile una volta che le dimensioni del motore e le richieste di coppia aumentano.
Di seguito, spieghiamo il motivo per cui ciò accade, la matematica armonica che sta dietro a ciò, un esempio-reale tratto dal mondo realeavvolgimento del motore a flusso assialeprogettazione, e cosa richiede ogni tipo di avvolgimento alla macchina che lo produce.
I. Perché il tipo di avvolgimento influisce sul rumore e sulle vibrazioni del motore?
Ogni disposizione di avvolgimento produce una forma d'onda di forza magnetomotrice (MMF) che non è perfettamente sinusoidale e il contenuto armonico in quella forma d'onda - non solo il campo fondamentale - è ciò che determina l'ondulazione della coppia e il rumore udibile.
UN. come si originano le armoniche MMF
La struttura della bobina non sovrapposta dell'avvolgimento concentrato produce intrinsecamente una distribuzione MMF meno sinusoidale attorno al traferro, introducendo armoniche spaziali di ordine superiore che i gruppi di bobine sovrapposte dell'avvolgimento distribuito in gran parte annullano.
B. perché questo è ancora più importante man mano che i motori diventano più grandi e più lenti
Le armoniche di ordine superiore-si traducono in pulsazioni di coppia a frequenze correlate alla velocità del motore e al numero di poli. - Nei motori piccoli e ad alta-velocità queste pulsazioni si verificano a frequenze ampiamente esterne all'intervallo udibile o al di sotto della soglia di vibrazione percepibile, ma nei motori industriali e di trazione più grandi e lenti, le stesse armoniche rientrano esattamente negli intervalli acustici e di vibrazione percepibili.
II. Come si quantifica il contenuto armonico di un avvolgimento?
Il fattore di avvolgimento non è solo un singolo numero per il campo fondamentale - può essere calcolato per ciascun ordine armonico e il confronto del fattore di avvolgimento fondamentale con i fattori di avvolgimento armonico rivela quanto sia effettivamente "pulita" la distribuzione del campo di un avvolgimento.
Formula del fattore di avvolgimento armonico:
kwn=kdn × kpn
Dove:
conosciuto= fattore di avvolgimento per ordine armonico n
kdn= fattore di distribuzione per l'ordine armonico n=sin(n×q× /2) / (q×sin(n× /2))
kpn= fattore del passo per l'ordine armonico n=sin(n× /2), dove è il passo della bobina espresso come frazione dell'angolo elettrico
Esempio lavorato:per lo stesso avvolgimento distribuito a 24 slot e 4 poli utilizzato come linea di base (q=2,=30 grado), confrontando la fondamentale (n=1) con la 5a armonica (n=5):
Fondamentale: kd1=sin(2×15 gradi ) / (2×sin 15 gradi ) ≈0.966(come calcolato in precedenza)
5a armonica: kd5=sin(5×2×15 gradi ) / (2×sin(5×15 gradi ))=sin(150 gradi ) / (2×sin 75 gradi )=0.5 / (2×0,966) ≈0.259
UN. cosa mostra questo confronto
Un fattore di avvolgimento armonico basso (0,259 per la quinta armonica qui) significa che l'avvolgimento distribuito sopprime attivamente il contributo di quell'armonica al campo - questa è la ragione matematica per cui l'avvolgimento distribuito produce una coppia più uniforme, non solo una preferenza di progettazione generale.
B. perché l'avvolgimento concentrato non ottiene la stessa cancellazione
I layout di avvolgimento concentrato con slot frazionati- in genere mantengono fattori di avvolgimento più elevati in una gamma più ampia di ordini armonici, poiché la disposizione delle bobine non-sovrapposte non crea lo stesso effetto di cancellazione del gruppo di fase-- che è il compromesso diretto per i vantaggi di produzione e compattezza.
III. Come si gioca questo nella progettazione di motori a flusso assiale reale?
Avvolgimento del motore a flusso assialeil design è un buon esempio nel mondo reale-di come il compromesso tra concentrazione-v-distribuito viene risolto una volta che l'ondulazione della coppia è davvero importante per l'applicazione.
UN. esempio: una decisione progettuale di un motore di trazione a flusso assiale
Prendiamo in considerazione un motore a flusso assiale sviluppato per un veicolo elettrico leggero o un'applicazione per bici elettriche-ad alte prestazioni, in cui il team di progettazione valuta inizialmente un avvolgimento concentrato a slot frazionario-per la sua lunghezza assiale ridotta e la fabbricazione semplice.
Durante i test di carico, l'ondulazione della coppia e il sibilo udibile a determinati intervalli di velocità spingono il progetto verso un modello di avvolgimento distribuito o ibrido modificato - scambiando parte del vantaggio di compattezza con l'erogazione di coppia più fluida richiesta dai requisiti di qualità di guida e rumore dell'applicazione.
Questo tipo di modifica dell'avvolgimento a metà-sviluppo è molto più facile da assorbire quando l'apparecchiatura di avvolgimento stessa è sufficientemente flessibile da gestire entrambe le topologie senza una riorganizzazione completa.
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B. perché la geometria del flusso assiale amplifica questo compromesso
I motori a flusso assiale hanno un percorso magnetico più breve e un'area di traferro effettiva più ampia rispetto ai modelli a flusso radiale, che tende a rendere più percepibile l'ondulazione della coppia armonica-guidata - un motivo strutturale per cui questa topologia prevede una maggiore sperimentazione del tipo di avvolgimento-durante lo sviluppo rispetto ai motori a flusso radiale convenzionali.
IV. Quando la progettazione di un motore BLDC dovrebbe dare priorità all'avvolgimento distribuito?
Per la maggior parteAvvolgimento motore BLDCapplicazioni, l'avvolgimento distribuito diventa la scelta migliore quando si verificano una o più di queste condizioni.
| Condizione | Perché l'avvolgimento distribuito aiuta |
|---|---|
| Limiti di rumore udibile (di consumo o automobilistico) | Il contenuto armonico inferiore riduce il rumore acustico percettibile |
| Controllo della coppia ad alta-precisione (robotica, CNC) | L'erogazione di coppia più fluida migliora la precisione del posizionamento |
| Telaio di grandi dimensioni/bassa velocità | Le armoniche rientrano nelle gamme di frequenza più percepibili |
| Uso industriale con ciclo di lavoro lungo- | La riduzione delle vibrazioni migliora i cuscinetti e la longevità meccanica |
UN. quando l'avvolgimento concentrato rimane il compromesso migliore
Le applicazioni che danno priorità alla densità di potenza, alla lunghezza assiale compatta e all'efficienza di produzione di volumi elevati - motori di droni,-motori di mozzi per biciclette elettriche, piccoli attuatori - generalmente preferiscono ancora l'avvolgimento concentrato, poiché i problemi di rumore e ondulazione dovuti alle armoniche-sono molto meno consequenziali alla loro scala e gamma di velocità.
B. perché gli approcci ibridi stanno diventando più comuni
Alcuni progetti di motori moderni utilizzano modelli di avvolgimento modificati o ibridi che prendono in prestito caratteristiche da entrambi gli approcci, con l'obiettivo di mantenere gran parte della semplicità di produzione dell'avvolgimento concentrato sopprimendo al contempo gli ordini armonici specifici maggiormente responsabili del rumore udibile.
V. Cosa significa questo per i requisiti delle macchine avvolgitrici?
Poiché le prestazioni armoniche sono fondamentalmente una funzione del posizionamento della bobina e della precisione delle spire, la precisione dell'avvolgitore influisce direttamente sulla precisione con cui un motore finito corrisponde al fattore di avvolgimento progettato - sia per layout concentrati che distribuiti.
| Capacità della macchina | Perché è importante per il controllo armonico |
|---|---|
| Precisione del conteggio dei giri- | Le spire irregolari tra le bobine introducono un'asimmetria che aggiunge armoniche indesiderate |
| Controllo costante della tensione | La forma irregolare della bobina distorce la distribuzione MMF prevista |
| Passo della bobina programmabile (avvolgimento distribuito) | La precisione del fattore di intonazione dipende dal posizionamento preciso e ripetibile della bobina |
| Utensili flessibili per entrambi i tipi di avvolgimento | Supporta l'iterazione del progetto senza un cambio completo della linea |
UN. perché qui una macchina avvolgitrice automatica per statori è più importante del previsto
UNavvolgitrice automatica per statoricon giri stretti e ripetibili e il controllo della tensione non solo migliora l'uniformità della produzione - ma protegge direttamente le prestazioni armoniche per cui l'avvolgimento è stato progettato, poiché anche una piccola variazione da giro-a-giro tra le bobine può reintrodurre armoniche che il modello di avvolgimento è stato specificamente progettato per annullare.
B. perché questo è particolarmente importante durante la convalida del progetto
I progetti di motori sottoposti al tipo di valutazione del tipo-di avvolgimento descritto nell'esempio del flusso assiale sopra traggono vantaggio da apparecchiature in grado di produrre prototipi concentrati e distribuiti con uguale precisione, poiché una qualità incoerente dell'avvolgimento può mascherare o esagerare la reale differenza di prestazioni armoniche tra i due approcci durante i test.
VI. Quale macchina KIOXIA supporta entrambi gli approcci di avvolgimento?
Poiché le decisioni relative al tipo di avvolgimento- spesso evolvono durante lo sviluppo del motore, la capacità di produrre bobine concentrate e distribuite con spire costanti e precisione di tensione ha un valore pratico reale oltre la linea di produzione finale.
KIOXIALe piattaforme di avvolgimento statore di Light Ring Equipment Group sono costruite con la precisione-del conteggio delle spire e la coerenza della tensione necessarie per proteggere le prestazioni armoniche previste dal progetto di un avvolgimento, indipendentemente dal fatto che il layout finale sia concentrato-in slot frazionari o completamente distribuito.
I produttori che lavorano secondo i requisiti prestazionali delineati inCEI 60034-1, lo standard internazionale per la potenza nominale e le prestazioni delle macchine elettriche rotanti, dipendono da questo tipo di ripetibilità dell'avvolgimento per soddisfare costantemente la potenza nominale durante un ciclo di produzione.
Per i programmi motore si valuta ancora la topologia degli avvolgimenti, lavorando direttamente con un espertoproduttore di macchine per l'avvolgimento di bobinesugli strumenti flessibili è spesso il modo più pratico per mantenere aperte le opzioni di progettazione attraverso la convalida.
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