Sự kết hợp khe cực trong động cơ BLDC: Tại sao các con số lại quan trọng hơn hầu hết các kỹ sư nghĩ
Việc lựa chọn số cực và số khe trong động cơ BLDC không phải là một biến số thiết kế duy nhất - đó là một cặp xác định đồng thời mômen xoắn, hệ số cuộn dây, hàm lượng sóng hài và độ phức tạp trong sản xuất. Hầu hết các sách giáo khoa về vận động đều giải thích mối quan hệ này bằng những thuật ngữ chung. Bài viết này cung cấp các chi tiết kỹ thuật cụ thể: những con số nên sử dụng, những con số nên tránh và những đánh đổi không xuất hiện trong những so sánh đơn giản.
Cuộc thảo luận giả định về động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu (gắn trên bề mặt hoặc bên trong) với nam châm NdFeB thiêu kết, hoạt động trong các ứng dụng công nghiệp servo, truyền động trực tiếp hoặc hiệu suất cao. Động cơ tiêu dùng với các yêu cầu về hiệu suất và bánh răng thoải mái tuân theo logic đánh đổi khác nhau.
1. Quy tắc LCM cho mô men xoắn
Mômen xoắn - sự thay đổi mômen từ trở khi rôto di chuyển so với các khe stato - có chu kỳ không gian được xác định bởi bội số chung nhỏ nhất (LCM) của số cực và số khe. Cụ thể, số chu kỳ mô-men xoắn bánh răng trên mỗi vòng quay cơ học bằng LCM(2p, Q), trong đó 2p là số cực và Q là số khe.
LCM cao hơn có nghĩa là nhiều chu kỳ bánh răng hơn trên mỗi vòng quay, có nghĩa là cường độ mô-men xoắn cực đại thấp hơn đối với cùng một hình dạng mạch từ. Động cơ 6 khe/4 cực có xung bánh răng LCM(4,6)=12 - 12 trên mỗi vòng quay, mỗi xung tương đối lớn. Động cơ 12 khe/10 cực có xung LCM(10,12)=60 - 60 trên mỗi vòng quay ở biên độ riêng thấp hơn. Động cơ 24 khe/22 cực có LCM(22,24)=264. Đây là lý do tại sao động cơ cuộn dây tập trung (FSCW) có số cực cao đã trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng servo truyền động trực tiếp.
Sự đánh đổi: số cực cao ở tốc độ nhất định có nghĩa là tần số điện cao, làm tăng tổn thất lõi. Ở tốc độ 3.000 vòng/phút với 10 cực (5 cặp cực), tần số điện=3000 × 5 / 60=250 Hz. Với 22 cực, nó là 550 Hz. Độ trễ của thép silicon và thang tổn thất dòng điện xoáy với tần số - các lớp mỏng hơn (0,20 mm trở xuống) trở nên cần thiết để duy trì tổn thất lõi ở mức có thể kiểm soát được trên 400 Hz. Dự trù thêm 15–25% chi phí vật liệu cán khi chuyển từ thép 0,35 mm sang 0,20 mm trong thiết kế có số lượng cực cao.
2. Hệ số cuộn: Khe số nguyên và Khe phân số
Hệ số cuộn dây (kw) xác định mức độ hiệu quả của cách bố trí cuộn dây chuyển đổi dòng điện thành mô-men xoắn. Nó kết hợp hệ số phân phối và hệ số cao độ. Đối với cuộn dây phân bố theo khe số nguyên (cách sắp xếp truyền thống trong đó các khe trên mỗi cực trên mỗi pha=số nguyên), kw thường nằm trong khoảng 0,93–0,96 đối với cuộn dây cơ bản. Đối với cuộn dây tập trung có khe phân đoạn (FSCW) trong đó số khe trên cực trên mỗi pha là một phần nhỏ, kw thấp hơn - thường là 0,86–0.93 - nhưng cách bố trí này giúp loại bỏ phần nhô ra ở cuối cuộn dây và cho phép số cực rất cao trong động cơ có chiều dài trục ngắn.
Ý nghĩa thực tế: động cơ có kw=0.866 tạo ra mô-men xoắn ít hơn khoảng 9% so với động cơ có kw=0.933 ở cùng dòng điện và từ thông, tất cả các yếu tố khác đều bằng nhau. Đối với động cơ 10 kW, đó là một sự khác biệt có ý nghĩa. Động cơ FSCW bù lại bằng các cuộn dây ở đầu ngắn hơn (tổn thất đồng thấp hơn, tổng trọng lượng thấp hơn) và số cực cao hơn (bánh răng thấp hơn), nhưng hằng số mô-men xoắn cơ bản thấp hơn. Chỉ định rõ ràng kw trong yêu cầu động cơ của bạn nếu mật độ mô-men xoắn là quan trọng.
Cụ thể đối với tổ hợp 12 khe/10 cực: hệ số cuộn dây là 0,933 đối với cuộn dây cơ bản với cuộn dây một lớp. Sự kết hợp này được sử dụng rộng rãi vì nó đạt được LCM cao (60), kw chấp nhận được và cuộn dây ngắn. Đây là lựa chọn hợp lý đầu tiên dành cho động cơ servo nhỏ gọn, có độ bám thấp trong phạm vi 100W–5kW.
3. Những sự kết hợp phổ biến và sự đánh đổi về mặt kỹ thuật của chúng
Thay vì liệt kê tất cả các kết hợp có thể có, phần sau đây đề cập đến các cấu hình xuất hiện thường xuyên nhất trong các thiết kế động cơ dẫn động trực tiếp và servo chính xác, cùng với cơ sở kỹ thuật cho từng kết hợp.
6 khe/4 cực (6S4P):LCM=12, kw=0.866. Bánh răng cao so với kích thước động cơ. Cuộn dây đơn giản. Thích hợp cho các ứng dụng chi phí thấp trong đó bánh răng không được chỉ định hoặc khi độ cứng cơ học và điều khiển vòng kín bù đắp. Không thích hợp cho các ứng dụng truyền động trực tiếp hoặc bất kỳ servo nào có yêu cầu mô-men xoắn bánh răng dưới 3% mô-men xoắn định mức.
9 khe/6 cực (9S6P):LCM=18, kw=0.866. Cogging tốt hơn một chút so với 6S4P cho cùng kích thước vật lý. Phổ biến trong động cơ và quạt bay không người lái giá rẻ. Cuộn dây 3 pha rất đơn giản. Hệ số cuộn dây giống như 6S4P - ưu điểm chính của sự kết hợp này là sự nhỏ gọn về mặt vật lý hơn là hiệu suất điện từ.
12 khe/8 cực (12S8P):LCM=24, kw=0.933. Cogging tốt hơn 9S6P. Đây là sự kết hợp servo có mục đích chung hợp lý dành cho các ứng dụng có thông số kỹ thuật bánh răng vừa phải (độ bám cực đại dưới 2% mô-men xoắn định mức có thể đạt được khi tạo hình bằng nam châm). Sự cải thiện hệ số cuộn dây so với 9S6P là có thật - mong đợi hằng số mô-men xoắn cao hơn khoảng 7% cho cùng một lớp đồng.
12 khe/10 cực (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 vòng/phút), chuyển sang cán mỏng 0,27 mm hoặc 0,20 mm.
12 khe/14 cực (12S14P):LCM=84, kw=0.933. Bánh răng thấp hơn 12S10P có cùng kw. Được sử dụng trong các ứng dụng truyền động trực tiếp trong đó chỉ định độ co cực đại dưới 1% mô-men xoắn định mức. Số cực cao hơn có nghĩa là tần số điện cao hơn ở tốc độ cơ học nhất định - ít phù hợp hơn cho hoạt động tốc độ cao, rất phù hợp cho động cơ bánh xe truyền động trực tiếp, bàn quay và trục servo tốc độ thấp.
18 khe/12 cực (18S12P):LCM=36, kw=0.866 (một lớp), 0,933 (hai lớp có bước sóng ngắn). Sự kết hợp này cho phép cuộn dây phân tán có 3 khe trên mỗi cực trên mỗi pha, cho chất lượng sóng hài cao hơn so với cuộn dây tập trung. Được ưu tiên trong các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn mượt mà ở mọi tốc độ, bao gồm cả định vị tốc độ thấp. Tổn thất lõi vừa phải do cấu hình 12 cực.
24 khe/22 cực (24S22P):LCM=264, kw=0.949. Bánh răng rất thấp, mật độ mô-men xoắn cao trên một đơn vị chiều dài trục. Được sử dụng trong các ứng dụng truyền động trực tiếp hiệu suất cao - bộ truyền động khớp robot, các giai đoạn quay chính xác. Hệ số cuộn dây cao hơn hầu hết các kết hợp FSCW. Hạn chế chính là độ phức tạp trong sản xuất: nam châm rôto 22 cực yêu cầu dung sai vị trí chặt chẽ trong quá trình lắp ráp và số cực cao làm tăng tần số điện lên 550+ Hz ở tốc độ cơ học 3.000 vòng/phút, yêu cầu các lớp mỏng 0,20 mm và xếp chồng chính xác.
4. Bao phủ hồ quang nam châm và ảnh hưởng của nó đến tắc nghẽn
Sự kết hợp giữa khe cực và cực xác định tần số không gian của răng cưa, nhưng độ bao phủ hồ quang nam châm (tỷ lệ giữa chiều rộng góc nam châm và bước cực) xác định biên độ của sóng hài chiếm ưu thế. Phạm vi bao phủ hồ quang phân số - thường là 0,80–0,87 bước cực - đưa ra một biến thể từ thông có thể hủy bỏ một phần các sóng hài điều khiển theo khe nếu được điều chỉnh chính xác.
Đối với động cơ 12S10P, sóng hài chủ đạo sau khi hiệu chỉnh LCM là sóng hài cơ học thứ 60. Tối ưu hóa hồ quang nam châm làm thay đổi biên độ của sóng hài này. Trong thực tế, độ bao phủ hồ quang là 0,833 (5/6 bước cực) tạo ra độ bám gần như bằng 0 để tạo từ hóa nam châm hình sin lý tưởng trong cấu hình 12S10P. Nam châm hồ quang NdFeB thiêu kết thực có mật độ từ thông hình sin lý tưởng, do đó dự đoán độ bám cặn dư là 0,3–0,8% mô-men xoắn định mức với nam châm hồ quang tiêu chuẩn và 0,1–0,3% với nam châm hồ quang tập trung từ thông hoặc nam châm lệch.
Độ lệch nam châm (xoay mô hình nam châm dọc theo ngăn xếp động cơ) có thể làm giảm hiện tượng ăn khớp hơn nữa với cái giá phải trả là độ phức tạp trong sản xuất và giảm một chút mô-men xoắn trung bình (thường là mất 2–5% mô-men xoắn đối với độ lệch một khe). Đối với hầu hết các ứng dụng servo, chỉ riêng việc tối ưu hóa hồ quang nam châm đã đạt được thông số kỹ thuật về bánh răng mà không bị lệch. Chỉ thêm độ lệch khi thông số kỹ thuật bánh răng dưới 0,3% mô-men xoắn định mức và chỉ tối ưu hóa hồ quang nam châm là không đủ.
5. Tóm tắt tiêu chí lựa chọn
Quá trình lựa chọn trong thực tế:
Đầu tiên, xác định yêu cầu mô-men xoắn bánh răng. Nếu ứng dụng yêu cầu độ bám cực đại dưới 1% mô-men xoắn định mức (servo truyền động trực tiếp, định vị chính xác), hãy chọn kết hợp khe cực với LCM Lớn hơn hoặc bằng 60. Nếu yêu cầu là 1–3% (servo tiêu chuẩn, chuyển động hiệu suất cao), LCM Lớn hơn hoặc bằng 24 thường là đủ. Nếu không xác định được bánh răng (quạt, máy bơm, động cơ giá rẻ), hãy sử dụng tổ hợp đơn giản nhất (6S4P, 9S6P) để tiết kiệm chi phí sản xuất.
Second, define the speed range. High-speed (>6.000 vòng/phút) yêu cầu số cực thấp hơn để duy trì tần số điện có thể quản lý được. Động cơ 12S10P ở tốc độ 10.000 vòng/phút chạy ở tần số 833 Hz - tổn hao lõi sẽ trở thành vấn đề nếu không có các lớp mỏng siêu mỏng (0,15–0,20 mm). Đối với các ứng dụng tốc độ cao, cấu hình 4 cực hoặc 6 cực với ít khe cắm tương ứng sẽ thực tế hơn ngay cả khi hiệu suất bánh răng kém hơn.
Thứ ba, xem xét các ràng buộc về chiều dài trục. Động cơ FSCW (12S10P, 12S14P, 24S22P) có cuộn dây đầu cuối rất ngắn và hoạt động hiệu quả ở dạng trục ngắn. Đối với động cơ pancake (loại đĩa) hoặc động cơ bánh xe có giới hạn trục nghiêm trọng, những kết hợp này được ưu tiên. Đối với động cơ có tỷ số khung hình dài hơn trong đó thể tích cuộn dây cuối không phải là hạn chế đáng kể, cuộn dây phân tán (18S12P, 24S18P) mang lại chất lượng hài hòa tốt hơn và mô-men xoắn mượt mà hơn ở tốc độ thấp.
Thứ tư, kiểm tra nguồn cung cấp nam châm. Số lượng cực bất thường (ví dụ: 22 cực) yêu cầu nam châm hồ quang có góc cung chính xác không nằm trong mục danh mục tiêu chuẩn - thời gian thực hiện là 4–6 tuần đối với nam châm hồ quang tùy chỉnh, so với 2–3 tuần đối với phân khúc hồ quang tiêu chuẩn 4, 6-, 8- hoặc 10 cực. Nếu tiến độ phát triển yêu cầu tạo mẫu nhanh, hãy ưu tiên số lượng cực mà nam châm hồ quang tiêu chuẩn có sẵn (4, 6, 8, 10 cực đều là tiêu chuẩn; 12 và 14 cực là bán tiêu chuẩn; 18+ cực yêu cầu đơn đặt hàng tùy chỉnh).
Một servo truyền động trực tiếp hoạt động ở tốc độ 300 vòng/phút với thông số bánh răng là 0,5% mô-men xoắn định mức và đường kính ngoài stato 150 mm sẽ chỉ rõ ràng đến 24S22P: LCM=264, kw=0.949 và tốc độ thấp có nghĩa là tần số điện chỉ 55 Hz tại 300 vòng/phút (12 cặp cực × 5 vòng/giây) - hoàn toàn có thể quản lý được bằng thép silicon 0,35 mm. Việc cung cấp nam châm cho các đoạn hồ quang 22 cực yêu cầu đặt hàng tùy chỉnh, điều này làm tăng thêm 3–4 tuần cho chu kỳ nguyên mẫu đầu tiên. Lập kế hoạch cho phù hợp.
Liên hệ HIMAGNET
HIMAGNET cung cấp nam châm đoạn hồ quang NdFeB cho tất cả số lượng cực tiêu chuẩn và tùy chỉnh. Để biết cấu hình 10 cực, 14 cực và tùy chỉnh, hãy liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi về đường kính ngoài của stato, ID rôto và góc cung cực của bạn để được báo giá. E-mail:info@himagnet.com
