Pooluse pesa kombinatsioonid BLDC mootorites: miks numbrid on olulisemad, kui enamik insenere arvab
BLDC mootori pooluste ja pilude arvu valik ei ole üks konstruktsioonimuutuja – see on paar, mis määrab samaaegselt pöördemomendi, mähisteguri, harmoonilise sisu ja valmistamise keerukuse. Enamik motoorseid õpikuid selgitab seost üldiselt. Selles artiklis kirjeldatakse tehnilisi üksikasju: kasutatavad numbrid, välditavad numbrid ja kompromissid, mida lihtsustatud võrdlustes ei kuvata.
Arutelu eeldab püsimagnetitega harjadeta alalisvoolumootoreid (pindpaigaldus või sisemine), millel on paagutatud NdFeB magnetid ja mis töötavad servo-, otseajami- või suure tõhususega tööstuslikes rakendustes. Lõõgastunud haardumis- ja tõhususnõuetega tarbijamootorid järgivad erinevat kompromissiloogikat.
1. LCM-i pöördemomendi pidurdusreegel
Hammustusmomendil – vastumeelsuse pöördemomendi muutumisel, kui rootor liigub staatori pilude suhtes – on ruumiline periood, mille määrab pooluste ja pilude arvu vähim ühiskordaja (LCM). Täpsemalt, pöördemomendi tsüklite arv mehaanilise pöörde kohta võrdub LCM(2p, Q), kus 2p on pooluste arv ja Q on pilude arv.
Kõrgem LCM tähendab rohkem hammustustsükleid pöörde kohta, mis tähendab sama magnetahela geomeetria puhul väiksemat pöördemomendi tippväärtust. 6-pilulisel/4-pooluselisel mootoril on LCM(4,6)=12 - 12 hammustusimpulsse pöörde kohta, millest igaüks on suhteliselt suur. 12-pesalisel/10-pooluselisel mootoril on LCM(10,12)=60 - 60 impulssi pöörde kohta väiksema individuaalse amplituudiga. 24-pilulisel/22-pooluselisel mootoril on LCM(22,24)=264. Seetõttu on suure pooluste arvuga FSCW-mootoritest saanud otseajamiga servorakenduste standard.
Kompromiss: suur pooluste arv antud kiirusel tähendab kõrget elektrisagedust, mis suurendab südamiku kadusid. 3000 p/min juures 10 poolusega (5 pooluse paari), elektrisagedus=3000 × 5 / 60=250 Hz. 22 poolusega on see 550 Hz. Räniterasest hüstereesi ja pöörisvoolukaod skaalatakse sagedusega – õhemad laminaadid (0,20 mm või vähem) muutuvad vajalikuks, et hoida südamikukadusid kontrolli all üle 400 Hz. Eelarvestage täiendavalt 15–25% lamineerimismaterjali kuludele, kui liigute 0,35 mm teraselt 0,20 mm terasele suure pooluste arvuga konstruktsioonis.
2. Mähistegur: täisarv-pilu vs murdosa-pilu
Mähistegur (kw) kvantifitseerib, kui tõhusalt muudab mähise paigutus voolu pöördemomendiks. See ühendab jaotusteguri ja helikõrguse teguri. Täisarvu pilu jaotatud mähiste puhul (traditsiooniline paigutus, kus pilud pooluse kohta faasi=täisarv) puhul jääb kw tavaliselt põhiväärtuse vahemikku 0,93–0,96. FSCW-mähiste puhul, kus pilud pooluse ja faasi kohta on murdosa, on kw madalam – tavaliselt 0,86–0.93 -, kuid paigutus välistab otsamähise üleulatuse ja võimaldab lühikese telgpikkusega mootorites väga suurt pooluste arvu.
Praktiline tähendus: kw=0.866 mootor toodab umbes 9% vähem pöördemomenti kui kw=0.933 sama voolu ja magnetvoo juures, kõik muu on sama. 10 kW mootori puhul on see märkimisväärne erinevus. FSCW mootorid kompenseerivad lühemate otsamähistega (väiksem vase kadu, väiksem kogumass) ja suurema pooluste arvuga (väiksem hammustus), kuid põhiline pöördemomendi konstant on madalam. Kui pöördemomendi tihedus on kriitiline, määrake oma mootorinõuetes selgelt kw.
Spetsiaalselt 12-pilulise/10-pooluselise kombinatsiooni puhul: ühekihilise mähisega põhimähis on 0,933. Seda kombinatsiooni kasutatakse laialdaselt, kuna sellega saavutatakse kõrge LCM (60), vastuvõetav kw ja lühikese otsa mähised. See on mõistlik esimene valik 100 W–5 kW kompaktsete, vähehambuvate servomootorite jaoks.
3. Ühised kombinatsioonid ja nende tehnilised kompromissid
Selle asemel, et loetleda kõiki võimalikke kombinatsioone, hõlmab järgnev konfiguratsioone, mis esinevad kõige sagedamini täppisservo- ja otseajamiga mootorite konstruktsioonides, koos nende tehniliste alustega.
6 pesa / 4 poolust (6S4P):LCM=12, kw=0.866. Suur haarduvus võrreldes mootori suurusega. Lihtne mähis. Sobib odavate rakenduste jaoks, kus hambumist ei ole ette nähtud või kus mehaaniline jäikus ja suletud ahela juhtimine kompenseerivad. Ei sobi otseajamiga rakendustele ega muudele servodele, mille pöördemomendi nõue on alla 3% nimipöördemomendist.
9 pesa / 6 poolust (9S6P):LCM=18, kw=0.866. Sama füüsilise suuruse puhul veidi parem haarduvus kui 6S4P. Levinud odavate droonimootorite ja ventilaatorite puhul. 3-faasiline mähis on lihtne. Mähistegur on sama mis 6S4P-l – selle kombinatsiooni peamine eelis on pigem füüsiline kompaktsus kui elektromagnetiline jõudlus.
12 pesa / 8 poolust (12S8P):LCM=24, kw=0.933. Parem haarduvus kui 9S6P. See on mõistlik üldotstarbeline servokombinatsioon rakenduste jaoks, millel on mõõdukad haardumisspetsifikatsioonid (maksimaalne haarduvus on alla 2% nimipöördemomendist, mis on saavutatav magneti kujundamisega). Mähisteguri paranemine võrreldes 9S6P-ga on reaalne – sama vasktäidise puhul oodake umbes 7% suuremat pöördemomendi konstanti.
12 pesa / 10 poolust (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 p/min), liikuge 0,27 mm või 0,20 mm lamineerimisele.
12 pesa / 14 poolust (12S14P):LCM=84, kw=0.933. Madalam koefitsient kui 12S10P sama kw-ga. Kasutatakse otseajamiga rakendustes, kus on ette nähtud maksimaalne haarduvus alla 1% nimipöördemomendist. Suurem pooluste arv tähendab kõrgemat elektrilist sagedust antud mehaanilisel kiirusel – vähem sobiv kiireks tööks, sobib hästi otseveoga rattamootoritele, pöördlaudadele ja madala kiirusega servotelgedele.
18 pesa / 12 poolust (18S12P):LCM=36, kw=0.866 (ühekihiline), 0,933 (kahekihiline lühikese sammuga). See kombinatsioon võimaldab hajutatud mähist 3 piluga pooluse kohta faasi kohta, mis annab parema harmoonilise kvaliteedi kui kontsentreeritud mähised. Eelistatud rakendustes, mis nõuavad sujuvat pöördemomenti kõigil kiirustel, sealhulgas väikese kiirusega positsioneerimine. Tuumakaod on 12-pooluselise konfiguratsiooni tõttu mõõdukad.
24 pesa / 22 poolust (24S22P):LCM=264, kw=0.949. Väga väike hammustus, suur pöördemomendi tihedus teljesuunalise pikkuse ühiku kohta. Kasutatakse suure jõudlusega otseajamiga rakendustes – robotliigendi täiturmehhanismid, täpsed pöörlevad astmed. Mähistegur on suurem kui enamikul FSCW kombinatsioonidel. Peamine piirang on tootmise keerukus: 22-pooluselised rootormagnetid nõuavad kokkupanemisel ranget positsioonitolerantsi ja kõrge pooluste arv tõstab elektrilise sageduse 550+ Hz-ni kiirusel 3000 p/min mehaaniliselt, mis nõuab 0,20 mm lamineerimist ja täpset virnastamist.
4. Magnetkaare katvus ja selle mõju haardumisele
Pooluse-pilu kombinatsioon määrab koondumise ruumilise sageduse, kuid magnetkaare katvus (magneti nurga laiuse ja pooluse sammu suhe) määrab domineeriva hammustusharmooniku amplituudi. Fraktsiooniline kaare katvus – tavaliselt 0,80–0,87 pooluse sammust – toob kaasa voo variatsiooni, mis võib õige häälestamise korral osaliselt tühistada pilupõhised hammustusharmoonikud.
12S10P mootori puhul on pärast LCM-i korrigeerimist domineeriv koonduv harmooniline 60. mehaaniline harmooniline. Magnetkaare optimeerimine nihutab selle harmoonilise amplituudi. Praktikas annab kaare katvus 0,833 (5/6 pooluse sammust) nullilähedase koondumise ideaalse sinusoidse magneti magnetiseerimiseks 12S10P konfiguratsioonis. Tõelised paagutatud NdFeB kaaremagnetid erinevad ideaalsest siinusvoo tihedusest, seega eeldage, et standardsete kaaremagnetite puhul on jääkhambumine 0,3–0,8% nimipöördemomendist ja voofookusega kaaremagnetite või kaldmagnetite puhul 0,1–0,3%.
Magneti kallutamine (magneti mustri telgsuunas pööramine piki mootorikihti) võib veelgi vähendada haardumist tootmise keerukuse ja keskmise pöördemomendi vähese vähenemise arvelt (tavaliselt 2–5% pöördemomendi kadu ühe pilu kalde korral). Enamiku servorakenduste puhul saavutab ainuüksi magnetkaare optimeerimine hammustusspetsifikatsiooni ilma kaldumiseta. Lisage viltu ainult siis, kui hammustusspetsifikatsioon on alla 0,3% nimipöördemomendist ja magnetkaare optimeerimisest üksi ei piisa.
5. Valikukriteeriumide kokkuvõte
Valikuprotsess praktikas:
Esmalt määratlege pöördemomendi nõue. Kui rakendus nõuab maksimaalset haardumist alla 1% nimipöördemomendist (otseajamiga servo, täppispositsioneerimine), valige pooluste pesa kombinatsioon, mille LCM on suurem või võrdne 60. Kui nõue on 1–3% (standardservo, suure jõudlusega liikumine), piisab tavaliselt väärtusest LCM Suurem või võrdne 24. Kui hambumist pole määratud (ventilaator, pump, odav mootor), kasutage tootmiskulude kokkuhoiuks kõige lihtsamat kombinatsiooni (6S4P, 9S6P).
Second, define the speed range. High-speed (>6000 p/min) rakendused nõuavad väiksemat pooluste arvu, et hoida elektrisagedust juhitavusena. 12S10P mootor kiirusel 10 000 p/min töötab 833 Hz - südamikukaod muutuvad problemaatiliseks ilma üliõhukeste laminaatideta (0,15–0,20 mm). Kiirete rakenduste jaoks on 4- või 6-pooluselised konfiguratsioonid, millel on vastavalt vähem pilusid, praktilisemad isegi siis, kui hammustusjõudlus on halvem.
Kolmandaks kaaluge aksiaalse pikkuse piiranguid. FSCW mootoritel (12S10P, 12S14P, 24S22P) on väga lühikese otsa mähised ja need on tõhusad lühiteljelistes vormingutes. Pannkoogi (ketas-tüüpi) mootorite või tõsiste aksiaalsete piirangutega rattamootorite puhul eelistatakse neid kombinatsioone. Pikema kuvasuhtega mootorite puhul, kus otsamähise maht ei ole oluline piirang, annab hajutatud mähis (18S12P, 24S18P) parema harmoonilise kvaliteedi ja sujuvama pöördemomendi madalatel kiirustel.
Neljandaks kontrollige magneti toiteallikat. Ebatavaliste pooluste loenduste jaoks (nt 22 poolust) on vaja täpse sektorinurgaga kaaremagneteid, mis ei ole standardsed kataloogiartiklid – kohandatud kaaremagnetite puhul on tarneaeg 4–6 nädalat, võrreldes 4-, 6-, 8- või 10-pooluselise standardse kaare segmendiga 2–3 nädalaga. Kui arendusgraafik nõuab kiiret prototüüpimist, eelistage pooluste loendeid, mille jaoks on saadaval standardsed kaaremagnetid (kõik 4, 6, 8, 10 poolust on standardsed; 12 ja 14 poolused on poolstandardsed; 18+ poolused nõuavad kohandatud tellimust).
Otseajamiga servo, mis töötab kiirusel 300 p/min 0,5% nimipöördemomendi ja 150 mm staatori välisläbimõõduga, viitab selgelt 24S22P-le: LCM=264, kw=0.949 ja madal kiirus tähendab, et elektriline sagedus on ainult 55 Hz 300 pooluse juures (12 pööret/min) 0,35 mm räniterasega. 22-pooluseliste kaare segmentide magnetvarustus nõuab eritellimust, mis lisab esimese prototüübi tsüklile 3–4 nädalat. Planeerige vastavalt.
Võtke ühendust HIMAGNETiga
HIMAGNET tarnib NdFeB kaare segmendi magneteid kõigi standardsete ja kohandatud pooluste arvu jaoks. 10-pooluselise, 14-pooluselise ja kohandatud konfiguratsiooni puhul võtke pakkumise saamiseks ühendust meie insenerimeeskonnaga ja teatage oma staatori välisläbimõõt, rootori ID ja pooluse kaarenurk. Meil:info@himagnet.com
