O desempenho de ruído e vibração é muitas vezes o fator decisivo entreenrolamento concentrado e distribuídouma vez que o projeto de um motor vai além de aplicações pequenas e{0}}de alta velocidade -enrolamento concentrado de slot fracionáriolayout que é perfeitamente aceitável em um ambiente leveenrolamento do motor do dronepode produzir ruído acústico inaceitável em um motor industrial ou automotivo-maior e de giro mais lento.
A causa raiz são os harmônicos do campo magnético: o layout mais simples da bobina do enrolamento concentrado produz um campo menos senoidal do que o enrolamento distribuído, e esses harmônicos extras se traduzem diretamente em ondulação de torque e ruído audível quando o tamanho do motor e as demandas de torque aumentam.
Abaixo, explicamos por que isso acontece, a matemática harmônica por trás disso, um exemplo do-mundo real deenrolamento do motor de fluxo axialprojeto e o que cada tipo de enrolamento exige da máquina que o produz.
I. Por que o tipo de enrolamento afeta o ruído e a vibração do motor?
Cada layout de enrolamento produz uma forma de onda de força magnetomotriz (MMF) que não é perfeitamente senoidal, e o conteúdo harmônico nessa forma de onda - e não apenas o campo fundamental - é o que impulsiona a ondulação de torque e o ruído audível.
um. como os harmônicos MMF se originam
A estrutura de bobina não{0}}sobreposta do enrolamento concentrado produz inerentemente uma distribuição MMF menos senoidal ao redor do entreferro, introduzindo harmônicos espaciais de-ordem mais alta que os grupos de bobinas sobrepostas do enrolamento distribuído cancelam em grande parte.
b. por que isso é mais importante à medida que os motores ficam maiores e mais lentos
Harmônicos de{0}}ordem mais alta se traduzem em pulsações de torque em frequências relacionadas à velocidade do motor e à contagem de pólos - em motores pequenos e de alta-velocidade, essas pulsações ocorrem em frequências em grande parte fora da faixa audível ou abaixo do limite de vibração perceptível, mas em motores industriais e de tração maiores e mais lentos, os mesmos harmônicos caem diretamente nas faixas acústicas e de vibração perceptíveis.
II. Como você quantifica o conteúdo harmônico de um enrolamento?
O fator de enrolamento não é apenas um número único para o campo fundamental - ele pode ser calculado para cada ordem harmônica, e a comparação do fator de enrolamento fundamental com os fatores de enrolamento harmônicos revela quão "limpa" é realmente a distribuição de campo de um enrolamento.
Fórmula do fator de enrolamento harmônico:
kwn=kdn × kpn
Onde:
sei= fator de enrolamento para ordem harmônica n
kdn= fator de distribuição para ordem harmônica n=sin(n×q× /2) / (q×sin(n× /2))
kpn= fator de passo para ordem harmônica n=sin(n× /2), onde é o passo da bobina expresso como uma fração de ângulo elétrico
Exemplo trabalhado:para o mesmo enrolamento distribuído de 24 slots e 4 polos usado como linha de base (q=2,=30 grau), comparando a fundamental (n=1) com o 5º harmônico (n=5):
Fundamental: kd1=sin(2×15 graus) / (2×sen 15 graus) ≈0.966(conforme calculado anteriormente)
5º harmônico: kd5=sin(5×2×15 graus) / (2×sin(5×15 graus))=sin(150 graus) / (2×sin 75 graus)=0.5 / (2×0,966) ≈0.259
um. o que esta comparação mostra
Um fator de enrolamento harmônico baixo (0,259 para o 5º harmônico aqui) significa que o enrolamento distribuído suprime ativamente a contribuição desse harmônico para o campo - esta é a razão matemática pela qual o enrolamento distribuído produz um torque mais suave, não apenas uma preferência geral de projeto.
b. por que o enrolamento concentrado não obtém o mesmo cancelamento
Layouts de enrolamento concentrado de-slot fracionário normalmente retêm fatores de enrolamento mais altos em uma faixa mais ampla de ordens harmônicas, uma vez que o arranjo de bobina não{1}}sobreposta não cria o mesmo efeito de cancelamento de grupo-de fase -, que é a compensação direta por suas vantagens de fabricação e compactação.
III. Como isso funciona no projeto de motor de fluxo axial real?
Enrolamento do motor de fluxo axialO design é uma boa ilustração-do mundo real de como a compensação concentrada-vs-distribuída é resolvida quando a ondulação de torque realmente importa para o aplicativo.
um. exemplo: uma decisão de projeto de motor de tração de fluxo axial
Considere um motor de fluxo axial desenvolvido para um EV leve ou uma aplicação de-e{1}}bicicleta elétrica de alto desempenho, onde a equipe de projeto avalia inicialmente um enrolamento concentrado de-slot fracionário por seu comprimento axial curto e fabricação simples.
Sob testes de carga, a ondulação de torque e o zumbido audível em determinadas faixas de velocidade levam o projeto em direção a um padrão de enrolamento distribuído ou híbrido modificado - trocando algumas das vantagens de compactação pela entrega de torque mais suave que a qualidade de condução e os requisitos de ruído da aplicação exigem.
Esse tipo de mudança de enrolamento de{0}}desenvolvimento intermediário é muito mais fácil de absorver quando o próprio equipamento de enrolamento é flexível o suficiente para lidar com ambas as topologias sem uma reformulação completa.
Enfrentando uma compensação semelhante em seu próprio programa motor? Entre em contato com nossa equipe de engenharia para discutir configurações de bobinadeiras que suportam layouts concentrados e distribuídos na mesma linha.
b. por que a geometria do fluxo axial amplifica essa compensação
Os motores de fluxo axial têm um caminho magnético mais curto e uma área de entreferro efetiva maior em relação aos projetos de fluxo radial, o que tende a tornar a ondulação de torque-acionada por harmônicos mais perceptível - uma razão estrutural pela qual esta topologia vê mais experimentação do tipo-de enrolamento durante o desenvolvimento do que os motores de fluxo radial convencionais.
4. Quando um projeto de motor BLDC deve priorizar o enrolamento distribuído?
Para a maioriaEnrolamento do motor BLDCaplicações, o enrolamento distribuído torna-se a melhor escolha quando uma ou mais dessas condições se aplicam.
| Doença | Por que o enrolamento distribuído ajuda |
|---|---|
| Limites de ruído audível (consumidor ou automotivo) | O conteúdo harmônico mais baixo reduz o ruído acústico perceptível |
| Controle de torque de alta-precisão (robótica, CNC) | A saída de torque mais suave melhora a precisão do posicionamento |
| Quadro grande/baixa velocidade | Harmônicos caem em faixas de frequência mais perceptíveis |
| Uso industrial-de longo ciclo de trabalho | A vibração reduzida melhora o rolamento e a longevidade mecânica |
um. quando o enrolamento concentrado continua sendo a melhor compensação
Aplicações que priorizam densidade de potência, comprimento axial compacto e eficiência de fabricação de alto{0}}volume - motores drone,-motores de cubo de bicicleta, pequenos atuadores - geralmente ainda favorecem o enrolamento concentrado, já que as preocupações com ruído-acionado por harmônicos e ondulação têm muito menos consequências em sua escala e faixa de velocidade.
b. por que as abordagens híbridas estão se tornando mais comuns
Alguns projetos de motores modernos usam padrões de enrolamento modificados ou híbridos que emprestam características de ambas as abordagens, com o objetivo de reter grande parte da simplicidade de fabricação do enrolamento concentrado enquanto suprimem as ordens harmônicas específicas mais responsáveis pelo ruído audível.
V. O que isso significa para os requisitos da máquina bobinadeira?
Como o desempenho harmônico é fundamentalmente uma função do posicionamento da bobina e da precisão das voltas, a precisão da bobinadeira afeta diretamente o quão próximo um motor acabado corresponde ao seu fator de enrolamento projetado - para layouts concentrados e distribuídos.
| Capacidade da máquina | Por que é importante para o controle harmônico |
|---|---|
| Precisão da-contagem de turnos | Voltas irregulares entre as bobinas introduzem assimetria que adiciona harmônicos não intencionais |
| Controle de tensão consistente | O formato irregular da bobina distorce a distribuição pretendida do MMF |
| Passo de bobina programável (enrolamento distribuído) | A precisão do fator de pitch depende do posicionamento preciso e repetível da bobina |
| Ferramentas flexíveis para ambos os tipos de enrolamento | Suporta iteração de design sem uma mudança completa de linha |
um. por que uma máquina de enrolamento automático de estator é mais importante do que o esperado aqui
Ummáquina de enrolamento automático do estatorcom curvas estreitas e repetíveis e controle de tensão não apenas melhora a consistência de fabricação -, ela protege diretamente o desempenho harmônico que o enrolamento foi projetado para alcançar, já que mesmo pequenas variações de volta-a{2}}espira entre as bobinas podem reintroduzir harmônicos que o padrão de enrolamento foi projetado especificamente para cancelar.
b. por que isso é mais importante durante a validação do projeto
Projetos de motores que passam pelo tipo de avaliação-de enrolamento descrito no exemplo de fluxo axial acima se beneficiam de equipamentos que podem produzir protótipos concentrados e distribuídos com igual precisão, já que a qualidade inconsistente do enrolamento pode mascarar ou exagerar a verdadeira diferença de desempenho harmônico entre as duas abordagens durante os testes.
VI. Qual máquina KIOXIA suporta ambas as abordagens de enrolamento?
Como as decisões-do tipo de enrolamento geralmente evoluem durante o desenvolvimento do motor, a capacidade de produzir bobinas concentradas e distribuídas com voltas consistentes e precisão de tensão tem valor prático real além da linha de produção final.
QUIÓXIAAs plataformas de enrolamento de estator da Light Ring Equipment Group são construídas com a precisão de contagem de voltas-e a consistência de tensão necessárias para proteger o desempenho harmônico pretendido de um projeto de enrolamento, seja o layout final fracionário-concentrado em slots ou totalmente distribuído.
Os fabricantes que trabalham de acordo com os requisitos de desempenho descritos emCEI 60034-1, o padrão internacional para classificação e desempenho de máquinas elétricas rotativas, depende desse tipo de repetibilidade do enrolamento para atender à produção nominal de forma consistente durante toda a produção.
Para programas motores que ainda avaliam a topologia do enrolamento, trabalhando diretamente com um técnico experientefabricante de máquina de enrolamento de bobinaA utilização de ferramentas flexíveis costuma ser a maneira mais prática de manter abertas as opções de projeto por meio da validação.
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