Kombinacije polova i utora u BLDC motorima: Zašto su brojevi važniji nego što većina inženjera misli
Izbor broja polova i broja utora u BLDC motoru nije jedna varijabla dizajna - to je par koji istovremeno određuje obrtni moment zupčanika, faktor namotaja, sadržaj harmonika i složenost proizvodnje. Većina motoričkih udžbenika objašnjava odnos općenito. Ovaj članak daje inženjerske specifičnosti: brojeve koje treba koristiti, brojeve koje treba izbjegavati i kompromise koji se ne pojavljuju u pojednostavljenim poređenjima.
Diskusija pretpostavlja DC motore bez četkica s permanentnim magnetom (površinski ili unutrašnji) sa sinteriranim NdFeB magnetima, koji rade u servo, direktnim pogonom ili visokoefikasnim industrijskim aplikacijama. Potrošački motori sa opuštenim zupčanicima i zahtjevima za efikasnošću slijede različitu logiku kompromisa.
1. LCM pravilo za obrtni moment zupčanika
Moment zupčanika - varijacija momenta reluktentnosti kako se rotor kreće u odnosu na proreze statora - ima prostorni period određen najmanjim zajedničkim višekratnikom (LCM) broja polova i broja proreza. Konkretno, broj ciklusa obrtnog momenta zupčanika po mehaničkom obrtaju jednak je LCM(2p, Q), gdje je 2p broj polova, a Q broj proreza.
Veći LCM znači više ciklusa zupčanika po obrtaju, što znači nižu veličinu vršnog momenta zupčanika za istu geometriju magnetnog kola. 6-slot/4-polni motor ima LCM(4,6)=12 - 12 zupčaste impulse po obrtaju, svaki relativno velik. 12-slot/10-polni motor ima LCM(10,12)=60 - 60 impulsa po obrtaju pri nižoj individualnoj amplitudi. 24-slot/22-polni motor ima LCM(22,24)=264. To je razlog zašto su motori sa koncentrisanim namotajem sa velikim brojem polova (FSCW) postali standard za servo aplikacije sa direktnim pogonom.
Kompromis: veliki broj polova pri datoj brzini znači visoku električnu frekvenciju, što povećava gubitke u jezgri. Pri 3000 o/min sa 10 polova (5 parova polova), električna frekvencija=3000 × 5 / 60=250 Hz. Sa 22 pola, to je 550 Hz. Histereza od silikonskog čelika i skala gubitaka na vrtložne struje s frekvencijom - tanje laminacije (0,20 mm ili manje) postaju neophodne da bi gubici u jezgri bili podnošljivi iznad 400 Hz. Predvidite dodatnih 15–25% za troškove materijala za laminiranje kada prelazite sa čelika od 0,35 mm na 0,20 mm u dizajnu sa velikim brojem polova.
2. Faktor namotavanja: Integer-Slot vs Fractional-Slot
Faktor namotaja (kw) kvantifikuje koliko efikasno raspored namotaja pretvara struju u obrtni moment. Kombinira faktor distribucije i faktor visine. Za raspoređene namotaje sa cjelobrojnim utorima (tradicionalni raspored gdje su prorezi po polu po fazi=cijeli broj), kw obično pada u rasponu od 0,93–0,96 za osnovni. Za koncentrisane namotaje sa frakcijskim utorima (FSCW) gdje su prorezi po polu po fazi razlomak, kw je niži - obično 0,86–0.93 -, ali raspored eliminira previse krajnjeg namotaja i omogućava vrlo veliki broj polova u motorima kratke aksijalne dužine.
Praktično značenje: motor sa kw=0.866 proizvodi oko 9% manji obrtni moment od motora sa kw=0.933 pri istoj struji i magnetnom fluksu, sve ostalo jednako. Za motor od 10 kW, to je značajna razlika. FSCW motori kompenzuju kraćim krajnjim namotajima (manji gubitak bakra, manja ukupna težina) i većim brojem polova (manji zupčanik), ali osnovna konstanta momenta je niža. Navedite kw eksplicitno u zahtjevima vašeg motora ako je gustina momenta kritična.
Posebno za kombinaciju 12 utora/10 polova: faktor namotaja je 0,933 za osnovni sa jednoslojnim namotajem. Ova kombinacija se široko koristi jer postiže visok LCM (60), prihvatljivu kw i kratke namotaje. To je razuman prvi izbor za kompaktne servo motore sa niskim zupčanicima u rasponu od 100W–5kW.
3. Zajedničke kombinacije i njihovi inženjerski kompromisi
Umjesto nabrajanja svih mogućih kombinacija, sljedeće pokriva konfiguracije koje se najčešće pojavljuju u dizajnu preciznih servo motora i motora s direktnim pogonom, sa inženjerskom osnovom za svaku.
6 utora / 4 pola (6S4P):LCM=12, kw=0.866. Visoki zupčanik u odnosu na veličinu motora. Jednostavno namotavanje. Prikladno za jeftine aplikacije gdje zupčanje nije specificirano ili gdje mehanička krutost i kontrola zatvorene petlje kompenziraju. Nije prikladno za aplikacije s direktnim pogonom ili bilo koji servo sa zahtjevom za okretnim momentom na zupcu ispod 3% nazivnog momenta.
9 utora / 6 polova (9S6P):LCM=18, kw=0.866. Nešto bolji zupčanik od 6S4P za istu fizičku veličinu. Uobičajeno kod jeftinih dronova i ventilatora. 3-fazni namotaj je jednostavan. Faktor namotaja je isti kao 6S4P - glavna prednost ove kombinacije je fizička kompaktnost, a ne elektromagnetne performanse.
12 utora / 8 polova (12S8P):LCM=24, kw=0.933. Bolji zupčanik od 9S6P. Ovo je razumna servo kombinacija opće namjene za aplikacije sa umjerenim specifikacijama zupčanika (vršni zupčanik ispod 2% nazivnog momenta koji se može postići pomoću magnetnog oblikovanja). Poboljšanje faktora namotaja u odnosu na 9S6P je stvarno - očekujte oko 7% veću konstantu obrtnog momenta za isto punjenje bakra.
12 utora / 10 polova (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 (>6.000 o/min), prijeđite na laminacije od 0,27 mm ili 0,20 mm.
12 utora / 14 polova (12S14P):LCM=84, kw=0.933. Niži zupčanik od 12S10P sa istim kw. Koristi se u aplikacijama s direktnim pogonom gdje je specificirano vršno zupčanje ispod 1% nazivnog momenta. Veći broj polova znači višu električnu frekvenciju pri datoj mehaničkoj brzini - manje pogodno za rad pri velikim brzinama, dobro je pogodno za motore kotača s direktnim pogonom, rotacione stolove i servo osi male brzine.
18 utora / 12 polova (18S12P):LCM=36, kw=0.866 (jednoslojni), 0,933 (dvoslojni sa kratkim korakom). Ova kombinacija omogućava distribuirano namotavanje sa 3 utora po polu po fazi, dajući viši kvalitet harmonika od koncentrisanih namotaja. Poželjan u aplikacijama koje zahtijevaju glatki obrtni moment pri svim brzinama, uključujući pozicioniranje pri malim brzinama. Gubici jezgre su umjereni zbog 12-polne konfiguracije.
24 utora / 22 pola (24S22P):LCM=264, kw=0.949. Veoma nizak zupčanik, velika gustina obrtnog momenta po jedinici aksijalne dužine. Koristi se u aplikacijama sa direktnim pogonom visokih performansi - robotski zglobni aktuatori, precizne rotacione stepenice. Faktor namotaja je veći od većine FSCW kombinacija. Glavno ograničenje je složenost proizvodnje: 22-polni magneti rotora zahtijevaju čvrstu toleranciju položaja tokom montaže, a veliki broj polova podiže električnu frekvenciju na 550+ Hz pri 3.000 rpm mehanički, što zahtijeva laminaciju od 0,20 mm i precizno slaganje.
4. Pokrivenost magnetnim lukom i njegov učinak na zupčanje
Kombinacija polova i proreza određuje prostornu frekvenciju zupčanika, ali pokrivenost magnetnog luka (odnos ugaone širine magneta i nagiba pola) određuje amplitudu dominantnog harmonika zupčanika. Djelomično pokrivenost luka - obično 0,80–0,87 koraka polova - uvodi varijaciju fluksa koja može djelomično poništiti harmonike zupčanika vođene prorezima ako su pravilno podešeni.
Za motor 12S10P, dominantni zupčasti harmonik nakon LCM korekcije je 60. mehanički harmonik. Optimizacija magnetnog luka pomera amplitudu ovog harmonika. U praksi, pokrivenost luka od 0,833 (5/6 koraka polova) daje zupčanje skoro nule za idealnu sinusoidnu magnetizaciju magneta u konfiguraciji 12S10P. Pravi sinterovani NdFeB lučni magneti odstupaju od idealne sinusoidalne gustine fluksa, tako da očekujte zaostalo zupčanje od 0,3–0,8% nazivnog momenta sa standardnim lučnim magnetima i 0,1–0,3% sa magnetima sa fluksom fokusiranim ili kosim magnetima.
Zakrivljenost magneta (rotiranje uzorka magneta aksijalno duž sklopa motora) može dodatno smanjiti zupčanje po cijenu složenosti proizvodnje i malog smanjenja prosječnog obrtnog momenta (obično 2–5% gubitka obrtnog momenta za jedan prorez). Za većinu servo aplikacija, samo optimizacija magnetnog luka postiže specifikaciju zupčanika bez iskošenja. Dodajte kos samo kada je specifikacija zupčanika ispod 0,3% nazivnog momenta i samo optimizacija magnetnog luka nije dovoljna.
5. Sažetak kriterija odabira
Proces selekcije u praksi:
Prvo, definirajte zahtjev za okretnim momentom zupčanika. Ako aplikacija zahtijeva vršni zupčanik ispod 1% nazivnog momenta (servo s direktnim pogonom, precizno pozicioniranje), odaberite kombinaciju polova i proreza sa LCM većim ili jednakim 60. Ako je zahtjev 1–3% (standardni servo, kretanje visokih performansi), obično je dovoljan LCM veći ili jednak 24. Ako zupčanik nije specificiran (ventilator, pumpa, jeftin motor), koristite najjednostavniju kombinaciju (6S4P, 9S6P) za uštedu troškova proizvodnje.
Second, define the speed range. High-speed (>6.000 o/min) aplikacije zahtijevaju manji broj polova kako bi se električna frekvencija mogla upravljati. Motor 12S10P pri 10.000 o/min radi na 833 Hz - gubici u jezgri postaju problematični bez ultra tankih laminacija (0,15–0,20 mm). Za aplikacije velike brzine, 4-polne ili 6-polne konfiguracije s odgovarajućim manje utora su praktičnije čak i ako su performanse zupčanika lošije.
Treće, razmotrite ograničenja aksijalne dužine. FSCW motori (12S10P, 12S14P, 24S22P) imaju vrlo kratke namotaje i efikasni su u kratko-aksijalnim formatima. Za motore u obliku palačinke (diskova) ili motore na kotačima sa teškim aksijalnim ograničenjima, ove kombinacije su poželjnije. Za motore sa dužim omjerom širine i visine kod kojih zapremina krajnjeg namotaja nije značajno ograničenje, raspoređeni namotaj (18S12P, 24S18P) daje bolji harmonijski kvalitet i glatkiji obrtni moment pri maloj brzini.
Četvrto, provjerite napajanje magneta. Za neuobičajeno brojanje polova (npr. 22 pola) potrebni su lučni magneti sa preciznim sektorskim uglovima koji nisu standardne kataloške stavke - vrijeme isporuke je 4-6 sedmica za prilagođene lučne magnete, u poređenju sa 2-3 sedmice za 4-, 6-, 8- ili 10-polne standardne lučne segmente. Ako plan razvoja zahtijeva brzu izradu prototipa, favorizirajte broj polova za koje su dostupni standardni elektrolučni magneti (4, 6, 8, 10 polova su svi standardni; 12 i 14 polova su polustandardni; 18+ polovi zahtijevaju prilagođene narudžbe).
Servo s direktnim pogonom koji radi pri 300 o/min sa specifikacijom zupčanika od 0,5% nazivnog momenta i vanjskim promjerom statora od 150 mm jasno bi ukazivao na 24S22P: LCM=264, kw=0.949, a mala brzina znači da je električna frekvencija samo 55 Hz pri 310 Hz/5 okretaja u minuti (100 Hz/5 rpm). upravljiv sa 0,35 mm silikonskim čelikom. Nabavka magneta za 22-polne lučne segmente zahtijeva naručivanje po narudžbi, što dodaje 3-4 sedmice prvom ciklusu prototipa. Planirajte u skladu s tim.
Kontaktirajte HIMAGNET
HIMAGNET isporučuje NdFeB lučne segmentne magnete za sve standardne i prilagođene polove. Za 10-polne, 14-polne i prilagođene konfiguracije, kontaktirajte naš inženjerski tim s OD statora, ID-om rotora i kutom polarnog luka za ponudu. Email:info@himagnet.com
