هسته استاتور موتور و لمینیت های موتور الکتریکی توضیح داده شده است

هسته استاتور موتور یک ساختار مغناطیسی ثابت در قلب هر موتور الکتریکی است - و ساختار چند لایه آن تنها مهم‌ترین عامل در تعیین بازده موتور، تولید گرما و چگالی توان است. ورقه های الکتروموتور ورقه های نازکی از فولاد سیلیکونی هستند که معمولاً 0.2-0.65 میلی متر ضخامت دارند که روی هم چیده شده و برای تشکیل هسته استاتور به هم متصل می شوند. . این ساختار چند لایه به طور خاص برای سرکوب تلفات جریان گردابی وجود دارد که در غیر این صورت بخش قابل توجهی از توان ورودی موتور را به گرمای هدر می‌دهد. انتخاب مواد لمینیت مناسب، ضخامت و روش انباشتگی به طور مستقیم تعیین می کند که یک موتور در طیف بازده قرار می گیرد - از یک واحد صنعتی پایه تا یک موتور درایو EV با کارایی بالا.

هسته استاتور موتور چیست؟

هسته استاتور مدار مغناطیسی خارجی ثابت موتور الکتریکی است. عملکرد آن حمل شار مغناطیسی متناوب تولید شده توسط سیم‌پیچ‌های استاتور است، و یک مسیر کم رلوکتانس را فراهم می‌کند که میدان مغناطیسی را در سراسر شکاف هوا برای تعامل با روتور متمرکز و هدایت می‌کند. این فعل و انفعال مغناطیسی همان چیزی است که گشتاور تولید می کند - خروجی اساسی هر موتور الکتریکی.

از نظر ساختاری، یک هسته استاتور موتور از یک یوغ استوانه‌ای (آهن پشتی که مدار مغناطیسی را کامل می‌کند) و یک سری دندانه‌ای که به سمت داخل به سمت روتور بیرون زده است، تشکیل شده است که سیم‌پیچ‌های مسی بین آن‌ها در شکاف‌ها قرار دارند. هندسه این دندانه ها و شکاف ها - تعداد، عرض، عمق و نسبت بین آنها - بر ویژگی های گشتاور موتور، ضریب فضای سیم پیچ و رفتار آکوستیک حاکم است. در موتورهای القایی 4 قطبی معمولی، استاتور ممکن است 36 شیار داشته باشد. یک سروو موتور با تعداد قطب بالا ممکن است 48 یا بیشتر داشته باشد.

هسته باید به طور همزمان به دو هدف رقابتی دست یابد: نفوذپذیری مغناطیسی بالا (برای حمل شار با حداقل مقاومت) و از دست دادن هسته کم (برای به حداقل رساندن انرژی تلف شده به عنوان گرما در طول هر چرخه مغناطیسی). ساختار فولاد سیلیکونی چند لایه راه حل مهندسی است که هر دو را در محدودیت های تولید عملی بهینه می کند.

چرا لمینیت های موتور الکتریکی وجود دارد: فیزیک از دست دادن هسته

اگر یک هسته استاتور از یک بلوک جامد فولادی ماشین کاری شود، در تمام حجم خود رسانای الکتریکی خواهد بود. میدان مغناطیسی متناوب که از هسته عبور می‌کند، جریان‌های گردشی - جریان‌های گردابی - را در داخل مواد حجیم القا می‌کند، دقیقاً همانطور که شار متغیر ترانسفورماتور جریان را در یک سیم‌پیچ ثانویه القا می‌کند. این جریان‌های گردابی در حلقه‌های بسته عمود بر جهت شار مغناطیسی جریان می‌یابند، و چون فولاد مقاومت الکتریکی دارد، انرژی را به عنوان گرمای I²R تلف می‌کنند.

توان از دست رفته در جریان گردابی با مربع از ضخامت لمینیت و فرکانس کاری . نصف کردن ضخامت لمینت، تلفات جریان گردابی را تقریباً 75٪ کاهش می دهد. این رابطه ضخامت لمینیت را به یکی از مهم‌ترین متغیرهای طراحی در مهندسی موتور الکتریکی تبدیل می‌کند - به ویژه با افزایش فرکانس‌های عملیاتی در درایوهای با سرعت متغیر و برنامه‌های کاربردی با سرعت بالا.

از دست دادن کل هسته در لمینیت استاتور دارای دو جزء است:

• تلفات جریان گردابی: متناسب با مجذور فرکانس و مجذور چگالی شار. در درجه اول توسط ضخامت لایه لایه و مقاومت الکتریکی فولاد کنترل می شود.
• تلفات هیسترزیس: انرژی در معکوس کردن حوزه های مغناطیسی درون فولاد با هر چرخه AC تلف می شود. متناسب با فرکانس و چگالی شار که تقریباً به توان 1.6-2.0 افزایش یافته است (نمایش Steinmetz، وابسته به مواد). با جهت گیری دانه فولاد، محتوای سیلیکون و عملیات بازپخت کنترل می شود.

با برش هسته به لایه های نازک عایق الکتریکی از یکدیگر، مسیرهای جریان گردابی به ورقه های نازک مجزا محدود می شوند. سطح مقطع موجود برای گردش جریان گردابی به طور چشمگیری کاهش می یابد و تلفات بر این اساس کاهش می یابد. مجموعه ای از ورقه های 0.35 میلی متری تقریباً نشان داده می شود 25 تا 30 برابر تلفات جریان گردابی کمتر از یک هسته جامد با همان ابعاد که در فرکانس یکسان کار می کند.

مواد لمینیت استاتور: درجه بندی و انتخاب فولاد سیلیکونی

ماده غالب برای لمینیت های استاتوری است فولاد برق - خانواده ای از آلیاژهای آهن-سیلیکون که به طور خاص برای کاربردهای مغناطیسی فرموله شده اند. محتوای سیلیکون (معمولاً 1-4.5٪ وزنی) دو هدف را دنبال می کند: مقاومت الکتریکی فولاد را افزایش می دهد (کاهش تلفات جریان گردابی) و کاهش انقباض مغناطیسی (تغییر ابعادی فولاد در طول مغناطیس شدن که منبع اصلی زمزمه موتور و صدای قابل شنیدن است).

فولاد الکتریکی غیر گرا در مقابل فولاد دانه گرا

فولاد برق در دو دسته کلی تولید می شود. فولاد الکتریکی غیر گرا (NO). دارای ساختار دانه تصادفی است که به آن خواص مغناطیسی تقریباً یکنواخت در تمام جهات در صفحه ورق می دهد. این ایزوتروپی برای استاتورهای چرخان ماشین ضروری است، جایی که شار مغناطیسی در هنگام کار موتور از طریق هسته می چرخد ​​- ماده باید بدون توجه به جهت شار به همان اندازه خوب عمل کند. تقریباً همه لمینیت های استاتور موتور از گریدهای غیر جهت دار استفاده می کنند.

فولاد الکتریکی دانه گرا (GO). در مقابل، برای تراز کردن دانه‌ها در امتداد یک محور (جهت غلتش)، پردازش می‌شود که از دست دادن هسته بسیار کم در آن جهت حاصل می‌شود. این عمدتا در هسته های ترانسفورماتور، جایی که جهت شار ثابت است، استفاده می شود و برای استاتورهای چرخان ماشین مناسب نیست.

ضخامت های استاندارد لمینیت و کاربرد آنها

انتخاب ضخامت لمینیت تعادلی بین عملکرد از دست دادن هسته و هزینه ساخت است. لمینیت های نازک تر تلفات را کاهش می دهند، اما تعداد ورق های مورد نیاز را افزایش می دهند، هزینه های مهر زنی و انباشتگی را افزایش می دهند و به تحمل ابعادی دقیق تری نیاز دارند.

مواد پیشرفته: هسته های آمورف و نانوکریستالی

برای کاربردهایی که خواهان حداقل تلفات هسته هستند - به ویژه موتورهای با فرکانس بالا بالای 1 کیلوهرتز - آلیاژهای فلزی بی شکل (مانند Metglas 2605SA1) تلفات هسته تقریباً 70 تا 80 درصد کمتر از بهترین گریدهای فولاد سیلیکونی معمولی است. فلزات آمورف با انجماد سریع از مذاب تولید می‌شوند که از تشکیل دانه‌های کریستالی جلوگیری می‌کند و ساختار اتمی شیشه‌ای با تلفات پسماند بسیار کم ایجاد می‌کند. نقطه مقابل این است که روبان آمورف در نوارهای بسیار نازک (معمولاً 0.025 میلی متر) تولید می شود، شکننده است و به طور قابل توجهی گران تر و سخت تر از فولاد الکتریکی معمولی است. آلیاژهای نانو کریستالی حد متوسطی را ارائه می دهند - اتلاف هسته کمتر از فولاد سیلیکونی، قابل پردازش تر از مواد کاملاً آمورف.

ساخت لمینیت های استاتور: مهر زنی، برش و انباشته

تولید لمینیت های استاتور شامل چندین مرحله ساخت با کنترل دقیق است که هر یک بر دقت ابعاد و عملکرد مغناطیسی هسته تمام شده تأثیر می گذارد.

مهر زنی پیشرونده

مهر زنی پیشرونده روش تولید غالب برای لمینیت های استاتوری با حجم بالا است. یک سیم پیچ از نوار فولادی الکتریکی از طریق یک ابزار پرس چند مرحله ای تغذیه می شود که به تدریج دهانه های شکاف، نمایه بیرونی، راه های کلید و هر ویژگی دیگر را در ایستگاه های متوالی قبل از اینکه لایه لایه نهایی در ایستگاه نهایی خالی شود، منگنه می کند. سرعت مهر زنی 200 تا 600 ضربه در دقیقه برای لمینیت های تا قطر 200 میلی متر معمول است. لمینیت های بزرگتر برای حفظ دقت ابعادی به سرعت کمتری نیاز دارند.

فاصله قالب - فاصله بین پانچ و قالب - برای کیفیت لمینیت بسیار مهم است. فاصله بیش از حد باعث ایجاد سوراخ در لبه برش می شود، که تماس بین لایه ای را افزایش می دهد و مسیرهای اتصال کوتاه را برای جریان های گردابی بین لایه های مجاور ایجاد می کند که به طور مستقیم عملکرد تلفات هسته را کاهش می دهد. استانداردهای صنعتی ارتفاع فرهای زیر را می طلبد 0.05 میلی متر برای بیشتر کاربردهای لمینیت موتور؛ محدودیت های سخت تری برای لمینیت های نازک با فرکانس بالا اعمال می شود.

برش لیزر و سیم EDM برای نمونه های اولیه

برای تولید لمینیت نمونه اولیه و دسته کوچک، برش لیزری و ماشینکاری تخلیه الکتریکی سیم (EDM) جایگزین های اولیه برای مهر زنی هستند. برش لیزری چرخش سریع و بدون هزینه ابزار را ارائه می دهد، اما منطقه متاثر از حرارت در امتداد لبه های برش خورده، ریزساختار فولاد الکتریکی را اصلاح می کند - 15 تا 30 درصد از دست دادن هسته محلی را در لبه های برش افزایش می دهد. این اثر در دندان‌های باریک، جایی که ناحیه متاثر از گرما بخش بزرگ‌تری از سطح مقطع کل را نشان می‌دهد، به نسبت قابل توجه‌تر است. بازپخت پس از برش در دمای 750 تا 850 درجه سانتی گراد در یک اتمسفر کنترل شده می تواند بیشتر عملکرد از دست رفته را بازیابی کند.

در هم تنیدگی، اتصال، و جوش دادن پشته

لایه های جداگانه باید در یک پشته هسته سفت و سخت ادغام شوند. روشهای اصلی عبارتند از:

• در هم قفل شدن (چنگ زدن): زبانه‌های کوچکی که در حین مهر زنی با فرورفتگی‌های مربوطه در لایه‌های مجاور ایجاد می‌شوند و پشته را به صورت مکانیکی کنار هم نگه می‌دارند. سریع و کم‌هزینه، اما اینترلاک‌ها غلظت‌های تنش موضعی ایجاد می‌کنند که می‌تواند اتلاف هسته را در مقایسه با پشته‌های بدون پیوند 3 تا 8 درصد افزایش دهد.
• جوش لیزری: جوش های درز در امتداد قطر بیرونی یا ناحیه پشتی، پشته را فیوز می کنند. گرمای جوش یک ناحیه مغناطیسی تخریب شده در امتداد خط جوش ایجاد می کند، که معمولاً تلفات کل هسته را 5-15٪ افزایش می دهد. در جایی استفاده می شود که مقاومت مکانیکی در اولویت است.
• اتصال چسب (پشته های لمینیت چسب): هر لمینیت قبل از انباشته شدن با یک لایه نازک از چسب ترموست پوشانده می شود. مجموعه تحت فشار پخت می شود. پشته های باند شده بهترین عملکرد از دست دادن هسته را نسبت به هر روش یکپارچه سازی دارند (بدون تنش مکانیکی، بدون آسیب حرارتی) و به طور فزاینده ای در موتورهای EV با راندمان بالا استفاده می شوند. ضخامت پوشش چسب - معمولاً 2 تا 5 میکرومتر - همچنین به عنوان عایق بین لایه ای عمل می کند.
• پیچ و مهره / پیچ و مهره از طریق پیچ و مهره: پیچ ها از سوراخ های هم تراز در پشته عبور می کنند. برای موتورهای صنعتی بزرگ ساده و قوی است، اما تنش فشاری و مدارهای کوتاه مغناطیسی بالقوه را در مکان‌های پیچ و مهره معرفی می‌کند.

طراحی لمینیت استاتور: هندسه شکاف و تأثیر آن بر عملکرد موتور

هندسه شیار و دندان لمینیت استاتور یکی از مهم ترین تصمیمات طراحی در مهندسی موتور است. این به طور همزمان بر ضریب پر شدن مس، توزیع چگالی شار مغناطیسی، اندوکتانس نشتی، گشتاور دندانه دار و نویز قابل شنیدن تأثیر می گذارد - طراحی اسلات را به یک مشکل بهینه سازی تبدیل می کند که چندین مورد رقیب را متعادل می کند.

شکاف های باز در مقابل نیمه بسته در مقابل شکاف های بسته

شکاف - شکاف بین نوک دندان مجاور در سطح شکاف هوا - یک متغیر کلیدی طراحی است. شکاف ها را باز کنید اجازه می دهد سیم پیچ های از پیش ساخته شده به راحتی وارد شوند، اما تغییرات چگالی شار زیادی در شکاف هوا ایجاد می کنند (هارمونیک های شکاف)، افزایش موج گشتاور و نویز قابل شنیدن. اسلات های نیمه بسته (نوک های دندان تا حدی بریج شده) اثرات شکاف را به قیمت قرار دادن سیم پیچ کمی دشوارتر کاهش می دهد. اسلات های بسته هارمونیک های شکاف را به طور کامل به حداقل برسانید، اما نیاز دارید که سیم سیم پیچ از طریق دهانه های کوچک عبور داده شود، اندازه هادی محدود شده و ضریب پر شدن قابل دستیابی کاهش می یابد.

برای موتورهای سنکرون آهنربای دائمی (PMSM) که در کاربردهای برق الکتریکی استفاده می‌شوند، شکاف‌های نیمه بسته با عرض نوک دندان انتخاب شده برای به حداقل رساندن تعامل گشتاور گیره با آهن‌رباهای روتور، روش استاندارد است. دهانه شکاف معمولاً روی تنظیم می شود 1-2 برابر گام قطب آهنربا تقسیم بر عدد شکاف رابطه ای که از تجزیه و تحلیل هارمونیک چگالی شار شکاف هوا بدست می آید.

فاکتور انباشتگی و تاثیر آن

ضریب انباشتگی (همچنین ضریب پرکننده ورقه‌ای نیز نامیده می‌شود) نسبت حجم واقعی فولاد مغناطیسی به کل حجم هندسی هسته است که پوشش عایق بین لایه‌ها را به حساب می‌آورد. یک فاکتور انباشتگی معمولی برای لمینیت های موتوری با تولید خوب است 0.95-0.98 - به این معنی که 95-98٪ از سطح مقطع هسته مواد مغناطیسی فعال است.

یک ضریب انباشتگی کمتر از حد انتظار - ناشی از سوراخ‌های زیاد، پوشش‌های عایق ضخیم، یا عمل ضعیف روی هم چیدن - باعث کاهش سطح مقطع انتقال شار موثر هسته می‌شود و آهن را مجبور می‌کند در چگالی شار بالاتر از آنچه طراحی شده است کار کند. این هسته را بیشتر به سمت منحنی B-H به سمت اشباع سوق می دهد و هم از دست دادن هسته و هم جریان مغناطیسی را افزایش می دهد و ضریب توان و راندمان را کاهش می دهد.

لایه‌بندی استاتور در موتورهای برقی و با راندمان بالا: روندهای فعلی

رشد سریع وسایل نقلیه الکتریکی و سخت‌تر شدن استانداردهای جهانی بازده موتور (IEC 60034-30-1، که کلاس‌های کارایی IE3 و IE4 را تعریف می‌کند) باعث پیشرفت چشمگیری در فناوری لایه‌بندی استاتور در دهه گذشته شده است.

• لمینیت های نازک تر برای عملکرد با سرعت بالا: موتورهای کششی EV به طور فزاینده ای در سرعت های پایه 6000-12000 RPM با کاهش میدان تا 18000-20000 RPM کار می کنند و فرکانس های الکتریکی اساسی 400-1000 هرتز تولید می کنند. در این فرکانس‌ها، لایه‌بندی‌های 0.35 میلی‌متری - برای موتورهای صنعتی 50/60 هرتز کافی است - تلفات هسته غیرقابل قبولی ایجاد می‌کنند. سازندگان پیشرو خودروهای برقی، از جمله تسلا، بی‌ای‌دی و بی‌ام‌و، به لمینیت‌های 0.25-0.27 میلی‌متری برای موتورهای کششی اولیه مهاجرت کرده‌اند و برخی از طرح‌های نسل بعدی از 0.20 میلی‌متر استفاده می‌کنند.
• نمرات با سیلیکون بالا و غیر گرا: گریدهایی مانند M250-35A و M270-35A (نام اروپایی) یا 35H270 (JIS) با تلفات هسته 2.5 تا 3.5 W/kg در 1.5T، 50 هرتز در برنامه های کاربردی با درجه های بسیار کم تلفات کمتر از 1 جایگزین می شوند. JFE Steel، Nippon Steel و Voestalpine دارای گریدهای تجاری با محتوای سیلیکون نزدیک به 4.5٪ هستند - نزدیک به حد عملی که فراتر از آن فولاد بسیار شکننده می شود و نمی توان به طور قابل اعتماد مهر زنی کرد.
• طرح های استاتور قطعه بندی شده و مدولار: برای بهبود ضریب پر شدن سیم پیچ و فعال کردن سیم پیچ خودکار سیم پیچ های متمرکز، برخی از طراحی های موتور از هسته های استاتور تقسیم شده استفاده می کنند - بخش های دندانه و شکاف جداگانه ای که به طور جداگانه پیچ می شوند و سپس در حلقه کامل استاتور مونتاژ می شوند. تقسیم بندی فاکتورهای پرکننده مس 70-75 درصد را در مقایسه با 40-55 درصد برای سیم پیچ های توزیع شده در هسته های پیوسته فعال می کند.
• معماری موتورهای شار محوری: موتورهای شار محوری (پنکیک) به جای هسته های استوانه ای از پشته های لایه لایه استاتور دیسکی شکل استفاده می کنند. مسیر شار مغناطیسی کوتاه‌تر و چگالی گشتاور بالاتر در واحد حجم، آن‌ها را برای کاربردهای موتورهای درایو مستقیم و درون چرخ جذاب می‌کند و هندسه لایه‌بندی آن‌ها - پشته‌های دیسکی با سیم پیچی یا قطعه‌بندی شده - به روش‌های مهر زنی و شکل‌دهی متفاوتی نسبت به طرح‌های شار شعاعی معمولی نیاز دارد.

کنترل کیفیت و تست لمینیت های استاتور موتور

عملکرد مغناطیسی یک هسته تمام شده استاتور می تواند به طور قابل توجهی از خواص ورق فولادی الکتریکی خام به دلیل آسیب های تولید - تنش های مهر زنی، سوراخ ها، گرمای جوش و جابجایی، منحرف شود. کنترل کیفیت دقیق در هر مرحله برای اطمینان از اینکه هسته کارایی طراحی شده خود را ارائه می دهد ضروری است.

• تست فریم اپشتین: روش استاندارد آزمایشگاهی (IEC 60404-2) برای اندازه گیری تلفات هسته در نوارهای فولادی الکتریکی. نمونه های بریده شده از سیم پیچ تولید قبل از مهر زنی آزمایش می شوند تا بررسی شود که مواد ورودی مطابق با مشخصات است.
• تستر تک برگ (SST): ضایعات هسته را روی ورق‌های جداگانه یا لایه‌های مهر شده اندازه‌گیری می‌کند و امکان تأیید پس از مهر کردن را فراهم می‌کند. برای تشخیص تلفات اضافی وارد شده توسط خود فرآیند مهر زنی مفید است.
• اندازه گیری ارتفاع سوهان: سیستم‌های بینایی خودکار یا پروفیلومترهای تماسی ارتفاع سوراخ‌ها را روی لایه‌های مهر شده اندازه‌گیری می‌کنند. ارتفاع سوراخ بیش از 0.05 میلی متر باعث رد یا کار مجدد می شود، زیرا فرزهای بیش از حد عایق بین لایه ای و فاکتور انباشتگی را به خطر می اندازد.
• اندازه گیری فاکتور پشته ای: پشته هسته مونتاژ شده وزن شده و با وزن نظری محاسبه شده از ناحیه لایه لایه، تعداد و چگالی فولاد مقایسه می شود. انحراف قابل توجه نشان دهنده سوراخ شدن غیر طبیعی، تغییر ضخامت پوشش یا لایه های آسیب دیده است.
• تست مقاومت بین لایه ای (تست فرانکلین): یک آزمایش استاندارد (IEC 60404-11) که مقاومت الکتریکی بین لایه های مجاور را با فشار دادن یک آرایه کاوشگر بر روی سطح هسته تحت نیروی کنترل شده اندازه گیری می کند. مقادیر مقاومت پایین نشان دهنده پوشش عایق آسیب دیده یا ناکافی است و تلفات جریان گردابی در سرویس را پیش بینی می کند.