گشتاور گیره در موتورهای مگنت دائمی: علل، اندازه گیری و راه حل های طراحی آهنربا

مشکلی که در سرعت پایین ظاهر می شود

گشتاور گیره ای موج گشتاور دوره ای است که در موتورهای آهنربای دائم حتی زمانی که جریانی در جریان نیست اتفاق می افتد. این از تعامل بین آهنرباهای روتور و دندانه‌های استاتور می‌آید - شار آهنربا می‌خواهد با کمترین مسیر رلوکتانس هماهنگ شود، به این معنی که می‌خواهد با دندان استاتور به جای شکاف همسو شود. همانطور که روتور می چرخد، شار به طور متناوب با دندانه های متوالی هم تراز و ناهماهنگ می شود و یک شکل موج گشتاور با قله ها و دره ها در فرکانس تعیین شده توسط تعداد قطب و شکاف ایجاد می کند.

برای اکثر کاربردها، گشتاور گیره‌ای یک مزاحم جزئی است. برای سیستم‌های سروو دقیق، موتورهای درایو مستقیم و اتصالات روباتی که به حرکت صاف در سرعت‌های پایین نیاز دارند، این یک محدودیت طراحی اولیه است. یک بازوی ربات مشارکتی که با سرعت 5 دور در دقیقه از طریق یک عملیات مونتاژ دقیق حرکت می کند، هر پیک گشتاور گیره ای را به صورت موج سرعت در خطای موقعیت قابل مشاهده می کند - و این موج سرعت در هر چیزی که ربات در حال مونتاژ است به عنوان خطای ابعادی ظاهر می شود.

این مقاله به این موضوع می‌پردازد که چه چیزی باعث ایجاد گشتاور گیره‌ای می‌شود، چگونه آن را اندازه‌گیری کنیم، و کدام رویکردهای طراحی آهنربایی در واقع آن را کاهش می‌دهند در مقابل کدامیک که مشکل را جابجا می‌کنند.

1. چه چیزی فرکانس و دامنه Cogging را تنظیم می کند

فرکانس گشتاور گیره با کمترین مضرب مشترک (LCM) تعداد قطب و تعداد شکاف تعیین می شود. یک موتور 10 قطبی 12 شیار دارای LCM(10, 12)=60 است، بنابراین 60 پیک گشتاور گیره دار در هر دور وجود دارد. یک موتور 10 قطبی و 15 شیار دارای LCM(10, 15)=30 است، بنابراین در هر دور فقط 30 پیک وجود دارد. LCM بالاتر به معنای پیک‌های بیشتر در هر دور در هر یک از دامنه‌های پایین‌تر است - انرژی کل در شکل موج دندانه‌دار تقریباً ثابت است، اما به پیک‌های کوچک‌تر و بیشتر توزیع می‌شود.

به همین دلیل است که پیکربندی‌های سیم‌پیچ شیار کسری - که در آن نسبت شیار به قطب در فاز یک عدد صحیح نیست - در برنامه‌های سروو درایو مستقیم و سرعت پایین محبوب هستند. پیکربندی 10 قطبی و 12 شیار (0.4 اسلات در هر قطب در هر فاز) دارای LCM بالاتری نسبت به پیکربندی 10 قطبی و 9 شیار (0.3 اسلات در هر قطب در هر فاز) است که به معنای دامنه گیرش کمتر در هر چرخه به قیمت فرکانس بالاتر است.

دامنه گیره با چگالی شار مغناطیسی، نسبت قوس آهنربایی به قطب، طول شکاف هوا، و هندسه شکاف استاتور تعیین می‌شود. از این میان، نسبت قوس آهنربایی همانی است که تامین کننده آهنربا می تواند آن را کنترل کند. بقیه با طراحی لمینیت موتور ثابت می شوند.

2. نسبت قوس آهنربایی: تنها پارامتر آهنربایی که مستقیماً بر گیر کردن تأثیر می گذارد

برای موتور آهنربایی نصب شده روی سطح، نسبت قوس آهنربایی بهینه - نسبت طول قوس آهنربایی به زمین قطب - وجود دارد که گشتاور گیره را به حداقل می رساند. این بهینه به این دلیل وجود دارد که گشتاور گیره با مشتق کل انرژی مغناطیسی شکاف هوا با توجه به موقعیت روتور مرتبط است و مشتق در نسبت های قوس خاص از صفر عبور می کند.

برای یک موتور 10 قطبی 12 شیار با دهانه شکاف استاتور معمولی 2 تا 3 میلی متر در یک سوراخ استاتور 80 میلی متری، نسبت قوس آهنربایی به حداقل رساندن دندانه تقریباً 0.833 (پنج ششم گام قطب) است. استفاده از نسبت قوس 0.75 - یک گام کامل قطب منهای یک شیار - همچنین باعث ایجاد گیره تقریباً صفر برای این ترکیب می شود. بهینه دقیق به عرض شکاف و طول شکاف هوا بستگی دارد. یک شبیه سازی با هندسه لایه لایه سازی واقعی برای بهینه سازی دقیق مورد نیاز است.

آنچه که نسبت قوس نمی تواند برطرف کند: اگر دهانه شکاف لمینیت نسبت به گام آهنربا گسترده باشد، بدون در نظر گرفتن نسبت قوس، گیرش زیاد خواهد بود. با چرخش روتور، دهانه‌های شکاف عریض باعث تغییر ریلانس زیاد می‌شوند. آهنربا هر بار که شکافی از کنار آن عبور می کند یک "برآمدگی" می بیند. در صورتی که دهانه شکاف بیش از 20 درصد گام شیار باشد، هیچ بهینه سازی نسبت قوس این مورد را از بین نمی برد.

Reducing cogging torque in permanent magnet motors with arc ratio and step skewing

3. کج کردن: موثر اما پرهزینه

انحراف محوری - چرخاندن آهنربا یا لایه های استاتور با یک شیار در امتداد جهت محوری - مطمئن ترین روش برای کاهش گشتاور گیره است. هنگامی که آهنربا توسط یک شیار منحرف می‌شود، قله‌های گیره در هر موقعیت محوری نسبت به یکدیگر تغییر فاز می‌دهند، و قله‌ها وقتی به صورت محوری جمع می‌شوند لغو می‌شوند. در تئوری، انحراف کامل دقیقاً با یک زمین شیار، چرخش را به صفر می‌رساند. در عمل، تغییر تولید در زاویه انحراف باعث می‌شود که گیره‌های باقی‌مانده در 10 تا 20 درصد از مقدار غیرخویشی باقی بماند.

هزینه کج کردن واقعی است. ساخت آهنرباهای اریب گران تر است - هندسه زاویه دار به وسایل سفارشی نیاز دارد و ضایعات مواد را افزایش می دهد. لمینیت های اریب محوری به یک پشته لمینیت چرخشی نیاز دارند که مونتاژ آن سخت تر است و طول موتور را اندکی افزایش می دهد. متداول‌ترین مصالحه، کج‌کردن پله‌ای است: استفاده از دو یا سه بخش آهنربای محوری در هر قطب، که هر کدام با کسری از گام شیار جابجا می‌شوند. کج شدن پله‌ای دو بخش، حدود 70 درصد کاهش چسبندگی را در مقایسه با حالت غیر اریب به دست می‌آورد. سه بخش به 85-90٪ می رسد.

برای یک موتور با طول محوری 60 میلی‌متری، انحراف پله‌ای دو بخش به این معنی است که هر بخش آهنربا 30 میلی‌متر طول دارد و فاصله زاویه‌ای گام شیار 1/2 بین آنهاست. در 12 شکاف و قطر سوراخ 80 میلی متر، یک شیار 20.9 میلی متر طول قوس یا حدود 9.4 درجه در سطح روتور است. بنابراین افست زاویه ای بین بخش ها 4.7 درجه است. این امر با وسایل مغناطیسی استاندارد قابل دستیابی است و نیازی به هندسه آهنربایی غیر معمول ندارد.

4. لبه آهنربایی پخ و شکل دهی قوس قطبی

پخ زدن لبه های آهنربا - کاهش ضخامت شعاعی در نزدیکی انتهای آهنربا - یک توزیع چگالی شار شعاعی سینوسی به جای ذوزنقه ایجاد می کند. این امر باعث کاهش محتوای هارمونیک EMF پشتی و گشتاور چرخشی به طور همزمان می شود.

اثر کمی به عمق پخ نسبت به ضخامت آهنربا بستگی دارد. عمق پخ برابر با 20 درصد ضخامت شعاعی آهنربا، دامنه گیرش را 35 تا 50 درصد در مقایسه با آهنربای صفحه تخت کاهش می دهد، در حالی که EMF پشتی را تنها 3 تا 5 درصد کاهش می دهد. زمانی که هدف طراحی، چسبندگی کم و کیفیت شکل موج پشتی EMF قابل قبول باشد، مبادله مطلوب است.

شکل دهی قوس قطبی - تغییر شکاف هوا در امتداد قوس آهنربایی با استفاده از آهنربا با سطح خارجی منحنی که با روتور متحدالمرکز نیست - موثرتر است اما نیاز به ماشینکاری دقیق تری دارد. سطح منحنی یک تغییر سینوسی در طول شکاف هوا ایجاد می کند که یک توزیع چگالی شار نزدیک به سینوسی ایجاد می کند. در ترکیب با نسبت قوس بهینه، این می‌تواند چرخش را به زیر 0.5 درصد گشتاور نامی بدون انحراف کاهش دهد.

5. مشخصات و اندازه گیری گشتاور Cogging

گشتاور گیره ای به عنوان درصدی از گشتاور نامی مشخص می شود. برای کاربردهای عمومی سروو صنعتی، 2-3٪ قابل قبول است. برای روبات های مشارکتی و سیستم های درایو مستقیم، 1٪ هدف معمولی است. برای تصویربرداری پزشکی، حمل و نقل نیمه هادی و موقعیت یابی نوری دقیق، 0.3-0.5٪ مورد نیاز است.

اندازه گیری با چرخش آهسته شفت موتور (معمولاً در 1 تا 5 دور در دقیقه بدون اعمال جریان) در حالی که گشتاور شفت با سنسور گشتاور دقیق اندازه گیری می شود، انجام می شود. گشتاور چرخشی پیک به پیک در یک سیکل الکتریکی مقدار گزارش شده است. اندازه‌گیری باید با سرعتی آهسته انجام شود که اثرات اینرسی ناچیز باشد - در 5 RPM، برای موتوری با اینرسی روتور 50 گرم در سانتی‌متر مربع، گشتاور اینرسی در فرکانس الکتریکی 1 هرتز کمتر از 0.01 N·m است که در مقایسه با موتور گشتاور نامی 0.1 N·m ناچیز است.

هنگام مشخص کردن الزامات گشتاور چرخشی برای تامین کننده آهنربا، موارد زیر را ارائه دهید: تعداد قطب، تعداد شکاف، نسبت قوس آهنربایی، طول شکاف هوا، و چرخش هدف را به عنوان درصدی از گشتاور نامی. تأمین‌کننده می‌تواند تأیید کند که آیا هندسه آهن‌ربایی با هدف شما سازگار است، یا تنظیمات نسبت قوس و پیکربندی‌های انحرافی را توصیه کند که به آن دست یابد.

6. آنچه را نمی توان به تنهایی با آهنربا رفع کرد

گشتاور گیره از دهانه های شکاف استاتور عریض را نمی توان با طراحی آهنربا ثابت کرد. تنها راه‌حل‌ها عبارتند از: بستن دهانه‌های شکاف با گوه‌های شیار مغناطیسی (افزایش هزینه و پیچیدگی مونتاژ)، استفاده از طرح لمینیت با دهانه‌های شکاف باریک‌تر (نیاز به طراحی مجدد لمینیت)، یا پذیرش سطح دندان‌بندی و استفاده از تزریق جریان (جبران فعال در درایو) برای لغو عملیات بسته‌شده.

جبران چرخش فعال با تزریق یک فرمان گشتاور پیشخور که معکوس مشخصات گشتاور دندانه دار اندازه گیری شده است، با موقعیت رمزگذار هماهنگ می شود، کار می کند. این موثر است و به طور گسترده در سروو درایوهای با کارایی بالا استفاده می شود. این چرخش را از فیزیک موتور حذف نمی کند - آن را به صورت الکتریکی جبران می کند. دقت جبران بستگی به این دارد که پروفیل دندانه دار اندازه گیری شده چقدر با موتور واقعی مطابقت دارد و هرگونه تغییر در موتورهای تولیدی نیاز به کالیبراسیون فردی دارد.

برای کاربردهای با حجم کم با دقت بالا، کالیبراسیون فردی امکان پذیر است. برای تولید حجم، هزینه و پیچیدگی را اضافه می کند. راه حل بلندمدت بهتر این است که از طریق لمینیت و طراحی آهنربا، گیره را به اندازه کافی کم کنید که جبران فعال اختیاری باشد تا الزامی.

HIMAGNET آهنرباهای بخش قوس را با نسبت های قوس بهینه، پیکربندی های گام به انحراف و پروفیل های لبه پخ برای کاهش گشتاور گیره دار عرضه می کند. برای پشتیبانی از تجزیه و تحلیل دندانه دار در طراحی موتور شما،با تیم مهندسی ما تماس بگیریدبا تعداد قطب، تعداد اسلات، و هدف دندانه دار.