ترکیبات شکاف قطب در موتورهای BLDC: چرا اعداد بیشتر از آنچه مهندسان فکر می کنند اهمیت دارند
انتخاب تعداد قطب و تعداد شیارها در یک موتور BLDC یک متغیر طراحی واحد نیست - این یک جفت است که گشتاور دندانه دار، ضریب سیم پیچ، محتوای هارمونیک و پیچیدگی ساخت را به طور همزمان تعیین می کند. بیشتر کتاب های حرکتی این رابطه را به صورت کلی توضیح می دهند. این مقاله مشخصات مهندسی را ارائه می‌کند: اعدادی که باید استفاده کنید، اعدادی که باید اجتناب کنید، و معاوضه‌هایی که در مقایسه‌های ساده دیده نمی‌شوند.
این بحث موتورهای DC بدون جاروبک بدون آهنربای دائمی (منتظره سطحی یا داخلی) با آهنرباهای NdFeB متخلخل را فرض می‌کند که در کاربردهای صنعتی سروو، درایو مستقیم یا با راندمان بالا کار می‌کنند. موتورهای مصرفی با نیازهای گیره و کارآیی آرام از منطق مبادله متفاوتی پیروی می کنند.
1. قانون LCM برای چرخش گشتاور
گشتاور گیره ای - تغییر گشتاور رلوکتانس در حین حرکت روتور نسبت به شکاف های استاتور - دارای یک دوره مکانی است که توسط کمترین مضرب مشترک (LCM) تعداد قطب ها و تعداد شکاف ها تعیین می شود. به طور خاص، تعداد چرخه‌های گشتاور چرخشی در هر دور مکانیکی برابر است با LCM(2p, Q)، که در آن 2p تعداد قطب‌ها و Q تعداد شکاف‌ها است.
LCM بالاتر به معنای چرخه های چرخش بیشتر در هر دور است، که به معنای قدر گشتاور چرخش کمتر برای همان هندسه مدار مغناطیسی است. یک موتور 6 شیار/4 قطبی دارای پالس LCM(4,6)=12 - 12 در هر دور است که هر یک نسبتاً بزرگ است. یک موتور 12 شیار/10 قطبی دارای پالس های LCM(10،12)=60 - 60 در هر دور در دامنه فردی کمتر است. یک موتور 24 شیار/22 قطب دارای LCM(22،24) است=264. به همین دلیل است که موتورهای سیم پیچ متمرکز با شکاف کسری (FSCW) با تعداد قطب بالا به استانداردی برای کاربردهای سروو درایو مستقیم تبدیل شده اند.
مبادله: تعداد قطب های بالا در سرعت معین به معنای فرکانس الکتریکی بالا است که تلفات هسته را افزایش می دهد. در 3000 دور در دقیقه با 10 قطب (5 جفت قطب)، فرکانس الکتریکی=3000 × 5 / 60=250 هرتز. با 22 قطب، 550 هرتز است. پسماند فولاد سیلیکونی و مقیاس تلفات جریان گردابی با فرکانس - لایه‌های نازک‌تر (0.20 میلی‌متر یا کمتر) برای کنترل تلفات هسته بالای 400 هرتز ضروری است. زمانی که از فولاد 0.35 میلی‌متری به 0.20 میلی‌متر در طراحی با تعداد قطب بالا می‌روید، 15 تا 25 درصد اضافی برای هزینه مواد لمینیت اختصاص دهید.
2. ضریب سیم پیچ: عدد صحیح در مقابل شکاف کسری
ضریب سیم‌پیچ (kw) مقدار موثری را که آرایش سیم‌پیچ جریان را به گشتاور تبدیل می‌کند، نشان می‌دهد. ضریب توزیع و ضریب زمین را ترکیب می کند. برای سیم‌پیچ‌های توزیع شده با شیار صحیح (آرایش سنتی که در آن شکاف‌ها در هر قطب در فاز=عدد صحیح است)، kw معمولاً در محدوده 0.93-0.96 برای پایه قرار می‌گیرد. برای سیم‌پیچ‌های متمرکز با شکاف کسری (FSCW) که در آن شکاف‌ها در هر قطب در فاز یک کسری است، کیلووات کمتر است - معمولاً 0.86–0.93 -، اما این ترتیب، اورهانگ انتهای سیم‌پیچ را حذف می‌کند و تعداد قطب‌های بسیار بالا را در موتورهای با طول محوری کوتاه امکان‌پذیر می‌کند.
معنی عملی: موتوری با kw=0.866 حدود 9% گشتاور کمتری نسبت به موتوری با kw=0.933 در جریان و شار مغناطیسی یکسان تولید می‌کند، بقیه مساوی هستند. برای یک موتور 10 کیلووات، این یک تفاوت معنادار است. موتورهای FSCW با سیم‌پیچ‌های انتهایی کوتاه‌تر (تلفات مس کمتر، وزن کل کمتر) و تعداد قطب‌های بیشتر (دنده کمتر) جبران می‌کنند، اما ثابت گشتاور اصلی کمتر است. اگر چگالی گشتاور حیاتی است، kw را به صراحت در مورد نیاز موتور خود مشخص کنید.
برای ترکیب 12 شیار/10 قطب به طور خاص: ضریب سیم پیچی برای سیم پیچ پایه با یک لایه 0.933 است. این ترکیب به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد زیرا به LCM بالا (60)، کیلووات قابل قبول و سیم پیچ های انتهایی کوتاه دست می یابد. این اولین انتخاب معقول برای سروو موتورهای فشرده و کم گیره در محدوده 100 وات تا 5 کیلو وات است.
3. ترکیبات مشترک و مبادلات مهندسی آنها
به‌جای فهرست کردن همه ترکیب‌های ممکن، موارد زیر پیکربندی‌هایی را پوشش می‌دهند که اغلب در طراحی‌های سروو دقیق و موتورهای درایو مستقیم ظاهر می‌شوند، با مبنای مهندسی برای هر کدام.
6 اسلات / 4 قطب (6S4P):LCM=12، kw=0.866. چسبندگی بالا نسبت به اندازه موتور. سیم پیچی ساده مناسب برای کاربردهای کم‌هزینه که در آن دندان‌بندی مشخص نشده است، یا جایی که سختی مکانیکی و کنترل حلقه بسته جبران می‌شود. برای کاربردهای درایو مستقیم یا هر سروویی با گشتاور گیره ای کمتر از 3% گشتاور نامی مناسب نیست.
9 اسلات / 6 قطب (9S6P):LCM=18، kw=0.866. برای همان اندازه فیزیکی، چسبندگی کمی بهتر از 6S4P دارد. در موتورهای پهپاد و فن های ارزان قیمت رایج است. سیم پیچ 3 فاز ساده است. فاکتور سیم پیچی مانند 6S4P است - مزیت اصلی این ترکیب فشردگی فیزیکی به جای عملکرد الکترومغناطیسی است.
12 اسلات / 8 قطب (12S8P):LCM=24، kw=0.933. چسبندگی بهتر از 9S6P. این یک ترکیب سروو همه منظوره معقول برای کاربردهایی با مشخصات دندان‌بندی متوسط است (اوج گیره زیر 2% گشتاور نامی قابل دستیابی با شکل‌دهی آهنربایی). بهبود ضریب سیم پیچی نسبت به 9S6P واقعی است - انتظار می رود حدود 7٪ ثابت گشتاور بیشتر برای همان پر کردن مس.
12 اسلات / 10 قطب (12S10P): LCM = 60, kw = 0.933. The most commonly specified combination for precision servo motors in the 100W–2kW range. Very low cogging relative to motor size - LCM = 60 means 60 cogging cycles per revolution, each with low amplitude. Single-layer winding is standard. The 10-pole configuration at typical servo speeds (3,000 rpm continuous) runs at 250 Hz electrical frequency - compatible with 0.35 mm silicon steel. For higher speeds (>6000 دور در دقیقه)، به لمینیت های 0.27 میلی متر یا 0.20 میلی متر بروید.
12 اسلات / 14 قطب (12S14P):LCM=84، kw=0.933. چسبندگی کمتر از 12S10P با همان کیلووات. در کاربردهای درایو مستقیم که در آن پیک گیره زیر 1% گشتاور نامی مشخص شده است استفاده می شود. تعداد قطب های بالاتر به معنای فرکانس الکتریکی بالاتر در یک سرعت مکانیکی معین است - کمتر برای عملکرد با سرعت بالا مناسب است، برای موتورهای چرخ مستقیم، میزهای دوار و محورهای سروو با سرعت پایین مناسب است.
18 اسلات / 12 قطب (18S12P):LCM=36، kw=0.866 (تک لایه)، 0.933 (دو لایه با گام کوتاه). این ترکیب اجازه می دهد تا سیم پیچ توزیع شده با 3 شیار در هر قطب در هر فاز، کیفیت هارمونیک بالاتری نسبت به سیم پیچ های متمرکز ارائه دهد. در کاربردهایی که نیاز به گشتاور صاف در همه سرعت‌ها، از جمله موقعیت‌یابی در سرعت کم دارند، ترجیح داده می‌شود. تلفات هسته به دلیل پیکربندی 12 قطبی متوسط است.
24 اسلات / 22 قطب (24S22P):LCM=264، kw=0.949. چسبندگی بسیار کم، تراکم گشتاور بالا در واحد طول محوری. مورد استفاده در برنامه های درایو مستقیم با عملکرد بالا - محرک های مشترک رباتیک، مراحل چرخشی دقیق. ضریب سیم پیچی بیشتر از اکثر ترکیبات FSCW است. محدودیت اصلی پیچیدگی ساخت است: آهنرباهای روتور 22 قطبی به تحمل موقعیتی محکم در طول مونتاژ نیاز دارند و تعداد قطب های بالا فرکانس الکتریکی را تا 550+ هرتز در 3000 دور در دقیقه مکانیکی بالا می برد که به لایه بندی 0.20 میلی متری و انباشته شدن دقیق نیاز دارد.
4. پوشش قوس مغناطیسی و تاثیر آن بر گیره
ترکیب قطب - شکاف فرکانس فضایی گیره را تعیین می کند، اما پوشش قوس آهنربایی (نسبت عرض زاویه ای آهنربا به زمین قطب) دامنه هارمونیک گیره غالب را تعیین می کند. پوشش قوس کسری - معمولاً 0.80-0.87 گام قطب - یک تغییر شار را معرفی می کند که در صورت تنظیم صحیح می تواند تا حدی هارمونیک های دندانه دار مبتنی بر شکاف را لغو کند.
برای یک موتور 12S10P، هارمونیک گیره غالب پس از تصحیح LCM 60مین هارمونیک مکانیکی است. بهینه سازی قوس مغناطیسی دامنه این هارمونیک را تغییر می دهد. در عمل، پوشش قوس 0.833 (5/6 گام قطب) گیره ای نزدیک به صفر را برای مغناطیس سینوسی ایده آل در پیکربندی 12S10P ایجاد می کند. آهنرباهای قوس NdFeB متخلخل واقعی از چگالی شار سینوسی ایده‌آل منحرف می‌شوند، بنابراین انتظار می‌رود که گیره باقی‌مانده ۰.۳ تا ۰.۸ درصد از گشتاور نامی با آهنرباهای قوس استاندارد و ۰.۱ تا ۰.۳ درصد با آهنرباهای قوس متمرکز بر شار یا آهنرباهای اریب وجود داشته باشد.
انحراف آهنربایی (چرخش الگوی آهنربا به صورت محوری در امتداد پشته موتور) می‌تواند به قیمت پیچیدگی ساخت و کاهش جزئی در گشتاور متوسط (معمولاً 2 تا 5 درصد از دست دادن گشتاور برای شیار یک شکاف) باعث کاهش بیشتر چرخش شود. برای اکثر کاربردهای سروو، بهینه سازی قوس آهنربایی به تنهایی به مشخصات دندانه زنی بدون انحراف دست می یابد. چولگی را فقط زمانی اضافه کنید که مشخصات دندانه دار کمتر از 0.3 درصد گشتاور نامی باشد و بهینه سازی قوس آهنربایی به تنهایی کافی نیست.
5. خلاصه معیارهای انتخاب
فرآیند انتخاب در عمل:
ابتدا، نیاز گشتاور گیره را تعریف کنید. اگر برنامه به پیک گیرکردن زیر 1% گشتاور نامی نیاز دارد (سرو درایو مستقیم، موقعیت یابی دقیق)، یک ترکیب شکاف قطب با LCM بزرگتر یا مساوی 60 را انتخاب کنید. اگر نیاز 1 تا 3٪ باشد (سرو استاندارد، حرکت با کارایی بالا)، LCM بیشتر یا مساوی 24 معمولاً کافی است. اگر دندانه زنی مشخص نشده است (پنکه، پمپ، موتور کم هزینه)، از ساده ترین ترکیب (6S4P، 9S6P) برای صرفه جویی در هزینه ساخت استفاده کنید.
Second, define the speed range. High-speed (>6000 دور در دقیقه) برنامه های کاربردی به تعداد قطب های کمتری نیاز دارند تا فرکانس الکتریکی قابل کنترل باشد. یک موتور 12S10P در 10000 دور در دقیقه در 833 هرتز کار می کند - تلفات هسته بدون لایه های بسیار نازک (0.15-0.20 میلی متر) مشکل ساز می شود. برای برنامه‌های پرسرعت، پیکربندی‌های 4 یا 6 قطبی با اسلات‌های مربوطه کمتر عملی‌تر هستند، حتی اگر عملکرد چرخش بدتر باشد.
سوم، محدودیت های طول محوری را در نظر بگیرید. موتورهای FSCW (12S10P، 12S14P، 24S22P) سیم پیچ انتهایی بسیار کوتاهی دارند و در فرمت های محوری کوتاه کارآمد هستند. برای موتورهای پنکیک (نوع دیسکی) یا موتورهای چرخ با محدودیت های محوری شدید، این ترکیب ها ترجیح داده می شوند. برای موتورهای با نسبت تصویر طولانی‌تر که در آنها حجم سیم‌پیچ انتهایی محدودیت قابل‌توجهی نیست، سیم‌پیچ توزیع شده (18S12P، 24S18P) کیفیت هارمونیک بهتر و گشتاور نرم‌تری را در سرعت کم ارائه می‌دهد.
چهارم، منبع آهنربا را بررسی کنید. شمارش قطب‌های غیرمعمول (مثلاً 22 قطب) به آهنرباهای قوسی با زوایای بخش دقیق نیاز دارد که از اقلام کاتالوگ استاندارد نیستند - زمان تحویل برای آهنرباهای قوسی سفارشی 4 تا 6 هفته است، در مقایسه با 2 تا 3 هفته برای سهام قطعه قوس استاندارد 4، 6، 8 یا 10 قطبی. اگر برنامه توسعه نیاز به نمونه‌سازی سریع دارد، تعداد قطب‌های طرفدار که آهنرباهای قوس استاندارد در دسترس هستند (قطب‌های 4، 6، 8، 10 همه استاندارد هستند؛ قطب‌های 12 و 14 نیمه استاندارد هستند؛ 18+ قطب‌ها به سفارش‌های سفارشی نیاز دارند).
یک سروو درایو مستقیم که در 300 دور در دقیقه کار می کند با مشخصات چرخشی 0.5٪ گشتاور نامی و قطر بیرونی استاتور 150 میلی متر به وضوح به 24S22P اشاره می کند: LCM=264، kw=0.949، و سرعت پایین به این معنی است که فرکانس الکتریکی تنها 55 هرتز (1200 rpm - 5/s) کاملاً در 300 rpm است. قابل کنترل با فولاد سیلیکونی 0.35 میلی متری منبع آهنربا برای قطعات قوس 22 قطبی نیاز به سفارش سفارشی دارد که 3 تا 4 هفته به اولین چرخه نمونه اولیه اضافه می کند. بر این اساس برنامه ریزی کنید.
با HIMAGNET تماس بگیرید
HIMAGNET آهنرباهای بخش قوس NdFeB را برای تمام تعداد قطب های استاندارد و سفارشی فراهم می کند. برای پیکربندی‌های 10 قطبی، 14 قطبی و سفارشی، با تیم مهندسی ما با OD استاتور، شناسه روتور و زاویه قوس قطب خود تماس بگیرید تا قیمت را دریافت کنید. ایمیل:info@himagnet.com
