BLDC variklių polių lizdų deriniai: kodėl skaičiai yra svarbesni, nei mano dauguma inžinierių
BLDC variklio polių skaičiaus ir plyšių skaičiaus pasirinkimas nėra vienas konstrukcijos kintamasis – tai pora, kuri vienu metu lemia sukimo momentą, apvijų koeficientą, harmonikų turinį ir gamybos sudėtingumą. Daugumoje motorikos vadovėlių santykiai paaiškinami bendrai. Šiame straipsnyje pateikiama inžinerinė specifika: naudotini skaičiai, vengtini skaičiai ir kompromisai, kurių nėra supaprastintuose palyginimuose.
Diskusijoje daroma prielaida, kad nuolatiniai magnetai yra bešepetėliai nuolatinės srovės varikliai (montuojami ant paviršiaus arba viduje) su sukepintais NdFeB magnetais, veikiantys servo, tiesioginės pavaros arba didelio efektyvumo pramonėje. Vartotojams skirti varikliai, kuriems taikomi sušvelninti sankabos ir efektyvumo reikalavimai, vadovaujasi skirtinga kompromiso logika.
1. LCM taisyklė dėl sukimo momento
Sukimo momentas – pasipriešinimo sukimo momento pokytis, kai rotorius juda statoriaus plyšių atžvilgiu – turi erdvinį periodą, kurį nustato polių skaičiaus ir plyšių skaičiaus mažiausias bendrasis kartotinis (LCM). Tiksliau, sukimo momento ciklų skaičius per mechaninį apsisukimą yra lygus LCM(2p, Q), kur 2p yra polių skaičius, o Q yra plyšių skaičius.
Didesnis LCM reiškia daugiau traukimo ciklų per apsisukimą, o tai reiškia mažesnį didžiausio sukimo momento dydį tai pačiai magnetinės grandinės geometrijai. 6 lizdų / 4 polių variklis turi LCM(4,6)=12 - 12 santykinai didelius impulsus per apsisukimą. 12 lizdų / 10 polių variklis turi LCM(10,12)=60 - 60 impulsų vienam apsisukimui esant mažesnei individualiai amplitudei. 24 lizdų / 22 polių variklis turi LCM(22,24)=264. Štai kodėl didelio polių skaičiaus trupmeninių lizdų koncentruotos apvijos (FSCW) varikliai tapo tiesioginės pavaros servosistemų standartu.
Kompromisas: didelis polių skaičius esant tam tikram greičiui reiškia aukštą elektros dažnį, o tai padidina šerdies nuostolius. Esant 3000 aps./min. su 10 polių (5 polių poros), elektros dažnis=3000 × 5 / 60=250 Hz. Su 22 poliais tai yra 550 Hz. Silicio plieno histerezės ir sūkurinių srovių nuostolių skalė su dažniu – tampa būtini plonesni laminatai (0,20 mm arba mažiau), kad šerdies nuostoliai būtų valdomi virš 400 Hz. Perkeliant nuo 0,35 mm iki 0,20 mm plieną, naudojant didelio polių skaičiaus konstrukciją, pridėkite 15–25 % laminavimo medžiagos išlaidų.
2. Apvijos koeficientas: sveikasis skaičius, tarpas ir trupmeninis tarpas
Apvijos koeficientas (kw) kiekybiškai parodo, kaip efektyviai apvijų išdėstymas paverčia srovę į sukimo momentą. Jis sujungia pasiskirstymo koeficientą ir aukščio koeficientą. Apvijų, paskirstytų sveikųjų skaičių plyšyje (tradicinis išdėstymas, kai lizdai viename poliuje fazei=sveikasis skaičius), kw paprastai patenka į 0,93–0,96 pagrindo diapazoną. FSCW, kai plyšiai viename poliuje vienoje fazėje yra trupmena, kw yra mažesnis – paprastai 0,86–0.93 -, tačiau dėl tokio išdėstymo pašalinama galinės apvijos iškyša ir galimas labai didelis polių skaičius trumpo ašinio ilgio varikliuose.
Praktinė prasmė: variklis, kurio kw=0.866 sukuria maždaug 9 % mažiau sukimo momento nei variklis, kurio kw=0.933 esant tokiai pačiai srovei ir magneto srautui, visa kita yra vienoda. 10 kW varikliui tai reikšmingas skirtumas. FSCW varikliai kompensuoja trumpesnėmis apvijomis (mažesnis vario nuostolis, mažesnis bendras svoris) ir didesniu polių skaičiumi (mažesnis krumpliaratis), tačiau pagrindinė sukimo momento konstanta yra mažesnė. Jei sukimo momento tankis yra labai svarbus, savo variklio reikalavimuose nurodykite kw.
Konkrečiai 12 lizdų / 10 polių deriniui: apvijos koeficientas yra 0,933 pagrindinei apvijai su vieno sluoksnio apvija. Šis derinys plačiai naudojamas, nes pasiekiamas aukštas LCM (60), priimtinas kw ir trumpos galo apvijos. Tai pagrįstas pirmasis pasirinkimas kompaktiškiems, mažai slankiojantiems 100–5 kW galios servo varikliams.
3. Bendrieji deriniai ir jų inžineriniai kompromisai
Užuot išvardinus visus galimus derinius, toliau pateikiamos konfigūracijos, dažniausiai pasitaikančios tiksliuose servo ir tiesioginės pavaros variklių konstrukcijose, su kiekvieno iš jų inžineriniu pagrindu.
6 lizdai / 4 poliai (6S4P):LCM=12, kw=0.866. Didelis susitraukimas, palyginti su variklio dydžiu. Paprasta apvija. Tinka nebrangioms programoms, kuriose nenurodytas krumpliaratis arba kai kompensuoja mechaninis standumas ir uždaro ciklo valdymas. Netinka tiesioginės pavaros programoms arba bet kokiam servo varikliui, kurio sukimo momento reikalavimas mažesnis nei 3 % vardinio sukimo momento.
9 lizdai / 6 poliai (9S6P):LCM=18, kw=0.866. Šiek tiek geresnis atsparumas nei 6S4P, naudojant tą patį fizinį dydį. Įprasta pigių dronų varikliuose ir ventiliatoriuose. 3 fazių apvija yra paprasta. Apvijos koeficientas yra toks pat kaip 6S4P – pagrindinis šio derinio pranašumas yra fizinis kompaktiškumas, o ne elektromagnetinės savybės.
12 lizdų / 8 poliai (12S8P):LCM=24, kw=0.933. Geresnis fiksavimas nei 9S6P. Tai yra pagrįstas bendrosios paskirties servosistemų derinys, skirtas naudoti su vidutinio sunkumo charakteristikomis (didžiausias sukimo momentas mažesnis nei 2 % vardinio sukimo momento, pasiekiamas formuojant magnetą). Apvijos koeficiento pagerėjimas, palyginti su 9S6P, yra realus – tikėkitės maždaug 7 % didesnės sukimo momento konstantos to paties vario užpildo.
12 lizdų / 10 polių (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 aps./min.), pereikite prie 0,27 mm arba 0,20 mm laminavimo.
12 lizdų / 14 polių (12S14P):LCM=84, kw=0.933. Mažesnis traukimas nei 12S10P su tuo pačiu kw. Naudojamas tiesioginės pavaros įrenginiuose, kur nurodytas didžiausias sukibimas mažesnis nei 1 % vardinio sukimo momento. Didesnis polių skaičius reiškia didesnį elektros dažnį esant tam tikram mechaniniam greičiui – mažiau tinkamas didelės spartos veikimui, puikiai tinka tiesioginės pavaros ratų varikliams, sukamiesiems stalams ir mažo greičio servo ašims.
18 lizdų / 12 polių (18S12P):LCM=36, kw=0.866 (vieno sluoksnio), 0,933 (dvisluoksnis su trumpu žingsniu). Šis derinys leidžia paskirstyti apvijas su 3 plyšiais viename poliuje fazei, o tai užtikrina geresnę harmonikų kokybę nei koncentruotos apvijos. Pageidautina tais atvejais, kai reikalingas sklandus sukimo momentas visais greičiais, įskaitant padėties nustatymą mažu greičiu. Dėl 12 polių konfigūracijos šerdies nuostoliai yra nedideli.
24 lizdai / 22 poliai (24S22P):LCM=264, kw=0.949. Labai mažas sukibimas, didelis sukimo momento tankis ašinio ilgio vienetui. Naudojamas didelio našumo tiesioginės pavaros programose – robotizuotose jungčių pavarose, tikslios sukamosios pakopos. Apvijos koeficientas yra didesnis nei daugumos FSCW derinių. Pagrindinis apribojimas yra gamybos sudėtingumas: 22 polių rotoriaus magnetai reikalauja griežtos padėties tolerancijos surinkimo metu, o didelis polių skaičius padidina elektrinį dažnį iki 550+ Hz esant 3 000 aps./min. mechaniniam greičiui, todėl reikia 0,20 mm laminavimo ir tikslaus sudėjimo.
4. Magnetinio lanko aprėptis ir jos įtaka susitraukimui
Poliaus ir plyšio derinys nustato erdvinį svirdinimo dažnį, tačiau magneto lanko aprėptis (magneto kampinio pločio ir poliaus žingsnio santykis) lemia dominuojančios traukimo harmonikos amplitudę. Dalinis lanko aprėptis – paprastai 0,80–0,87 poliaus žingsnio – sukuria srauto pokytį, kuris gali iš dalies panaikinti plyšių valdomas traukimo harmonikas, jei tinkamai sureguliuota.
12S10P varikliui po LCM korekcijos dominuojanti harmonika yra 60-oji mechaninė harmonika. Magnetinio lanko optimizavimas pakeičia šios harmonikos amplitudę. Praktiškai 0,833 lanko aprėptis (5/6 polių žingsnio) užtikrina beveik nulinį fiksavimą, kad būtų idealus sinusinio magneto įmagnetinimas 12S10P konfigūracijoje. Tikrieji sukepinti NdFeB lankiniai magnetai nukrypsta nuo idealaus sinusoidinio srauto tankio, todėl tikimasi, kad naudojant standartinius lanko magnetus liekamasis sukimo momentas bus 0,3–0,8 %, o naudojant į srautą orientuotus lankinius arba iškreiptus magnetus – 0,1–0,3 %.
Magneto iškreipimas (magneto modelio sukimas ašine kryptimi išilgai variklio krūvos) gali dar labiau sumažinti sukibimą dėl gamybos sudėtingumo ir nedidelio vidutinio sukimo momento sumažėjimo (paprastai 2–5 % sukimo momento nuostoliai, kai iškrypsta viena anga). Daugumoje servo įrenginių vien tik magnetinio lanko optimizavimas pasiekia danties specifikacijas be iškreipimo. Įtraukite kreivumą tik tada, kai krumpliaračio specifikacija yra mažesnė nei 0,3 % vardinio sukimo momento ir vien magnetinio lanko optimizavimo nepakanka.
5. Atrankos kriterijų suvestinė
Praktinis atrankos procesas:
Pirma, apibrėžkite sukimo momento reikalavimą. Jei taikymui reikalingas maksimalus sukimo momentas, mažesnis nei 1 % vardinio sukimo momento (tiesioginės pavaros servosistema, tikslus padėties nustatymas), pasirinkite polių lizdo derinį su LCM didesnis nei 60. Jei reikalavimas yra 1–3 % (standartinis servo, didelio našumo judesys), paprastai pakanka LCM, didesnis arba lygus 24. Jei krumpliaratis nenurodytas (ventiliatorius, siurblys, pigus variklis), naudokite paprasčiausią derinį (6S4P, 9S6P), kad sutaupytumėte gamybos sąnaudas.
Second, define the speed range. High-speed (>6 000 aps./min.), kad būtų galima valdyti elektros dažnį, reikia mažesnio polių skaičiaus. 12S10P variklis, esant 10 000 aps./min., dirba 833 Hz dažniu – šerdies nuostoliai tampa problemiški be itin plono laminavimo (0,15–0,20 mm). Didelės spartos programoms 4 polių arba 6 polių konfigūracijos su atitinkamai mažiau lizdų yra praktiškesnės, net jei suspaudimo našumas yra prastesnis.
Trečia, apsvarstykite ašinio ilgio apribojimus. FSCW varikliai (12S10P, 12S14P, 24S22P) turi labai trumpas apvijas ir yra veiksmingi trumpos ašies formatuose. Blynų (disko tipo) varikliams arba ratų varikliams su dideliais ašiniais apribojimais pirmenybė teikiama šiems deriniams. Ilgesnio formato varikliuose, kurių galinės apvijos tūris nėra reikšmingas apribojimas, paskirstyta apvija (18S12P, 24S18P) užtikrina geresnę harmonikų kokybę ir sklandesnį sukimo momentą esant mažam greičiui.
Ketvirta, patikrinkite magneto tiekimą. Neįprastam polių skaičiui (pvz., 22 poliai) reikalingi lankiniai magnetai su tiksliais sektoriaus kampais, kurie nėra standartiniai katalogo elementai – pritaikytų lankinių magnetų pristatymo laikas yra 4–6 savaitės, palyginti su 2–3 savaitėmis 4, 6, 8 arba 10 polių standartinių lanko segmentų atsargoms. Jei kūrimo tvarkaraštis reikalauja greito prototipų kūrimo, pirmenybę teikite polių skaičiavimams, kuriems yra standartiniai lankiniai magnetai (4, 6, 8, 10 polių yra standartiniai; 12 ir 14 polių yra pusiau standartiniai; 18+ polius reikia užsakyti pagal užsakymą).
Tiesioginės pavaros servosistema, veikianti 300 aps./min. su 0,5 % vardiniu sukimo momentu ir 150 mm statoriaus išoriniu skersmeniu, aiškiai rodytų 24S22P: LCM=264, kw=0.949, o mažas greitis reiškia, kad elektros dažnis yra tik 55 Hz esant 300 aps./min. (12 aps./min.) su 0,35 mm silicio plienu. Magnetų tiekimą 22 polių lanko segmentams reikia užsakyti pagal užsakymą, o tai prailgina 3–4 savaites prie pirmojo prototipo ciklo. Atitinkamai planuokite.
Susisiekite su HIMAGNET
HIMAGNET tiekia NdFeB lankinio segmento magnetus visiems standartiniams ir pasirinktiniams polių skaičiams. Norėdami gauti 10 polių, 14 polių ir pasirinktinių konfigūracijų, susisiekite su mūsų inžinierių komanda ir nurodykite statoriaus OD, rotoriaus ID ir poliaus lanko kampą. El. paštas:info@himagnet.com
