การผสมผสานระหว่างช่องเสาในมอเตอร์ BLDC: เหตุใดตัวเลขจึงมีความสำคัญมากกว่าที่วิศวกรส่วนใหญ่คิด
การเลือกจำนวนขั้วและจำนวนช่องในมอเตอร์ BLDC ไม่ใช่ตัวแปรการออกแบบเดียว แต่เป็นคู่ที่กำหนดแรงบิดฟันเฟือง ปัจจัยการพัน ปริมาณฮาร์โมนิค และความซับซ้อนในการผลิตไปพร้อมๆ กัน หนังสือเรียนเกี่ยวกับยานยนต์ส่วนใหญ่จะอธิบายความสัมพันธ์ในลักษณะทั่วไป บทความนี้ให้ข้อมูลเฉพาะทางวิศวกรรม: ตัวเลขที่ใช้ ตัวเลขที่ควรหลีกเลี่ยง และข้อดีข้อเสียที่ไม่ปรากฏในการเปรียบเทียบแบบง่าย
การอภิปรายจะถือว่ามอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านแม่เหล็กถาวร (ติดตั้งบนพื้นผิวหรือภายใน) ที่มีแม่เหล็ก NdFeB เผาผนึก ซึ่งทำงานในเซอร์โว ไดรฟ์ตรง หรือการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพสูง มอเตอร์สำหรับผู้บริโภคที่มีความต้องการฟันเฟืองที่ผ่อนคลายและประสิทธิภาพเป็นไปตามตรรกะการแลกเปลี่ยนที่แตกต่างกัน
1. กฎ LCM สำหรับแรงบิด Cogging
แรงบิดฟันเฟือง - การเปลี่ยนแปลงแรงบิดฝืนเมื่อโรเตอร์เคลื่อนที่สัมพันธ์กับช่องสเตเตอร์ - มีคาบเชิงพื้นที่ที่กำหนดโดยตัวคูณร่วมน้อยที่สุด (LCM) ของจำนวนขั้วและจำนวนช่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จำนวนรอบแรงบิดฟันเฟืองต่อการปฏิวัติทางกลเท่ากับ LCM(2p, Q) โดยที่ 2p คือจำนวนขั้ว และ Q คือจำนวนช่อง
LCM ที่สูงขึ้นหมายถึงรอบการฟันเฟืองที่มากขึ้นต่อการปฏิวัติ ซึ่งหมายถึงขนาดแรงบิดของฟันเฟืองสูงสุดที่ลดลงสำหรับเรขาคณิตของวงจรแม่เหล็กเดียวกัน มอเตอร์ 6 สล็อต/4 ขั้วมีพัลส์ฟันเฟือง LCM(4,6)=12 - 12 ต่อการปฏิวัติ โดยแต่ละพัลส์มีขนาดค่อนข้างใหญ่ มอเตอร์ 12 ช่อง/10 ขั้วมีพัลส์ LCM(10,12)=60 - 60 ต่อการปฏิวัติที่แอมพลิจูดแต่ละตัวที่ต่ำกว่า มอเตอร์ 24 ช่อง/22 ขั้วมี LCM(22,24)=264. นี่คือเหตุผลว่าทำไมมอเตอร์ที่มีความเข้มข้นของช่องเศษส่วนที่มีจำนวนขั้วสูง (FSCW) จึงกลายเป็นมาตรฐานสำหรับการใช้งานเซอร์โวแบบขับเคลื่อนโดยตรง
ข้อเสีย: จำนวนขั้วสูงที่ความเร็วที่กำหนดหมายถึงความถี่ไฟฟ้าสูง ซึ่งจะเพิ่มการสูญเสียแกนกลาง ที่ 3,000 รอบต่อนาที ด้วย 10 ขั้ว (5 ขั้วคู่) ความถี่ไฟฟ้า=3000 × 5 / 60=250 Hz มี 22 ขั้ว ความถี่ 550 Hz. ฮิสเทรีซิสของเหล็กซิลิคอนและระดับการสูญเสียของกระแสไหลวนด้วยความถี่ - การเคลือบที่บางกว่า (0.20 มม. หรือน้อยกว่า) กลายเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้สามารถจัดการการสูญเสียของแกนที่สูงกว่า 400 Hz ได้ งบประมาณเพิ่มเติม 15–25% สำหรับต้นทุนวัสดุเคลือบเมื่อย้ายจากเหล็ก 0.35 มม. เป็น 0.20 มม. ในรูปแบบที่มีเสาสูง
2. Winding Factor: Integer-Slot กับ Fractional-Slot
ปัจจัยการม้วน (กิโลวัตต์) เป็นตัววัดว่าการจัดเรียงขดลวดแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นแรงบิดได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด โดยจะรวมปัจจัยการกระจายและปัจจัยระดับเสียงเข้าด้วยกัน สำหรับขดลวดแบบกระจายจำนวนเต็ม-ช่อง (การจัดเรียงแบบดั้งเดิมโดยที่ช่องต่อขั้วต่อเฟส=จำนวนเต็ม) โดยทั่วไปแล้ว kw จะอยู่ในช่วง 0.93–0.96 สำหรับค่าพื้นฐาน สำหรับขดลวดที่มีความเข้มข้นของช่องเศษส่วน (FSCW) โดยที่ช่องต่อขั้วต่อเฟสเป็นเศษส่วน กิโลวัตต์จะต่ำกว่า - โดยทั่วไปคือ 0.86–0.93 - แต่การจัดเรียงจะกำจัดส่วนยื่นของขดลวดส่วนปลาย และช่วยให้สามารถนับจำนวนขั้วที่สูงมากในมอเตอร์ที่มีความยาวตามแนวแกนสั้น
ความหมายในทางปฏิบัติ: มอเตอร์ที่มีกิโลวัตต์=0.866 ให้แรงบิดน้อยกว่าประมาณ 9% เมื่อเทียบกับมอเตอร์ที่มีกิโลวัตต์=0.933 ที่กระแสไฟฟ้าเท่ากันและมีฟลักซ์แม่เหล็ก อย่างอื่นทั้งหมดเท่ากัน สำหรับมอเตอร์ขนาด 10 กิโลวัตต์ นั่นเป็นความแตกต่างที่มีความหมาย มอเตอร์ FSCW ชดเชยด้วยการพันปลายที่สั้นกว่า (การสูญเสียทองแดงลดลง น้ำหนักรวมลดลง) และจำนวนขั้วที่สูงขึ้น (ฟันเฟืองต่ำกว่า) แต่ค่าคงที่แรงบิดพื้นฐานจะต่ำกว่า ระบุกิโลวัตต์อย่างชัดเจนในข้อกำหนดมอเตอร์ของคุณหากความหนาแน่นของแรงบิดมีความสำคัญ
สำหรับการใช้ร่วมกันแบบ 12 ช่อง/10 ขั้วโดยเฉพาะ: ค่าแฟคเตอร์การพันขดลวดคือ 0.933 สำหรับพื้นฐานที่มีการพันขดลวดชั้นเดียว การรวมกันนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมี LCM สูง (60) กิโลวัตต์ที่ยอมรับได้ และขดลวดปลายสั้น เป็นตัวเลือกแรกที่เหมาะสมสำหรับเซอร์โวมอเตอร์ขนาดกะทัดรัดและมีฟันเฟืองต่ำในช่วง 100W–5kW
3. การรวมกันทั่วไปและข้อเสียทางวิศวกรรม
แทนที่จะแสดงรายการชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ทั้งหมด ข้อมูลต่อไปนี้ครอบคลุมการกำหนดค่าที่ปรากฏบ่อยที่สุดในการออกแบบเซอร์โวและมอเตอร์ขับเคลื่อนโดยตรงที่มีความแม่นยำ โดยมีพื้นฐานทางวิศวกรรมสำหรับแต่ละรายการ
6 ช่อง / 4 เสา (6S4P):LCM=12, kw=0.866. ฟันเฟืองสูงเมื่อเทียบกับขนาดมอเตอร์ ม้วนง่าย. เหมาะสำหรับการใช้งานราคาประหยัดที่ไม่ได้ระบุฟันเฟือง หรือในกรณีที่ความแข็งทางกลและการควบคุมวงปิดชดเชย ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานแบบขับเคลื่อนโดยตรงหรือเซอร์โวใดๆ ที่มีความต้องการแรงบิดฟันเฟืองต่ำกว่า 3% ของแรงบิดพิกัด
9 ช่อง / 6 เสา (9S6P):LCM=18, kw=0.866. ดีกว่า 6S4P เล็กน้อยสำหรับขนาดทางกายภาพที่เท่ากัน พบได้ทั่วไปในมอเตอร์และพัดลมโดรนราคาประหยัด ขดลวด 3 เฟสตรงไปตรงมา ปัจจัยการม้วนจะเหมือนกับ 6S4P - ข้อได้เปรียบหลักของชุดค่าผสมนี้คือความกะทัดรัดทางกายภาพมากกว่าประสิทธิภาพทางแม่เหล็กไฟฟ้า
12 ช่อง / 8 เสา (12S8P):LCM=24, kw=0.933. ฟันเฟืองดีกว่า 9S6P นี่คือการผสมผสานเซอร์โวสำหรับใช้งานทั่วไปที่สมเหตุสมผลสำหรับการใช้งานที่มีข้อกำหนดการฟันเฟืองระดับปานกลาง (การฟันเฟืองสูงสุดต่ำกว่า 2% ของแรงบิดพิกัดที่สามารถทำได้ด้วยการสร้างรูปร่างแม่เหล็ก) การปรับปรุงปัจจัยการพันของขดลวดเหนือ 9S6P นั้นเป็นจริง - คาดว่าจะมีแรงบิดคงที่สูงขึ้นประมาณ 7% สำหรับการเติมทองแดงเท่าเดิม
12 ช่อง / 10 เสา (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 รอบต่อนาที) เลื่อนไปที่การเคลือบ 0.27 มม. หรือ 0.20 มม.
12 ช่อง / 14 เสา (12S14P):LCM=84, kw=0.933. ฟันเฟืองต่ำกว่า 12S10P ด้วย kw เท่าเดิม ใช้ในการใช้งานแบบขับเคลื่อนโดยตรงโดยระบุการฟันเฟืองสูงสุดต่ำกว่า 1% ของแรงบิดพิกัด จำนวนขั้วที่สูงขึ้นหมายถึงความถี่ไฟฟ้าที่สูงขึ้นที่ความเร็วเชิงกลที่กำหนด - ไม่เหมาะสำหรับการทำงานที่ความเร็วสูง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับมอเตอร์ขับเคลื่อนล้อโดยตรง โต๊ะหมุน และแกนเซอร์โวความเร็วต่ำ
18 ช่อง / 12 เสา (18S12P):LCM=36, kw=0.866 (ชั้นเดียว), 0.933 (สองชั้นพร้อมระยะพิทช์สั้น) การผสมผสานนี้ทำให้สามารถกระจายขดลวดได้ 3 ช่องต่อขั้วต่อเฟส ซึ่งให้คุณภาพฮาร์มอนิกที่สูงกว่าขดลวดแบบเข้มข้น เป็นที่ต้องการในการใช้งานที่ต้องการแรงบิดที่ราบรื่นในทุกความเร็ว รวมถึงการวางตำแหน่งที่ความเร็วต่ำ การสูญเสียแกนกลางอยู่ในระดับปานกลางเนื่องจากการกำหนดค่าแบบ 12 ขั้ว
24 ช่อง / 22 เสา (24S22P):LCM=264, kw=0.949. ฟันเฟืองต่ำมาก ความหนาแน่นของแรงบิดสูงต่อหน่วยความยาวแกน ใช้ในการใช้งานแบบขับเคลื่อนโดยตรงประสิทธิภาพสูง - ตัวกระตุ้นข้อต่อหุ่นยนต์, สเตจโรตารีที่มีความแม่นยำ ปัจจัยการม้วนจะสูงกว่าชุดค่าผสม FSCW ส่วนใหญ่ ข้อจำกัดหลักคือความซับซ้อนในการผลิต: แม่เหล็กโรเตอร์ 22 ขั้วต้องมีพิกัดความเผื่อตำแหน่งที่แคบในระหว่างการประกอบ และจำนวนขั้วที่สูงจะทำให้ความถี่ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็น 550+ เฮิร์ตซ์ที่ความเร็วเชิงกล 3,000 รอบต่อนาที โดยต้องใช้การเคลือบหนา 0.20 มม. และการซ้อนที่แม่นยำ
4. การครอบคลุมส่วนโค้งของแม่เหล็กและผลกระทบต่อการ Cogging
การรวมกันของช่องขั้วและช่องจะกำหนดความถี่เชิงพื้นที่ของการฟันเฟือง แต่การครอบคลุมส่วนโค้งของแม่เหล็ก (อัตราส่วนของความกว้างเชิงมุมของแม่เหล็กต่อระยะพิทช์ของขั้ว) จะกำหนดความกว้างของฮาร์โมนิคฟันเฟืองที่โดดเด่น การครอบคลุมส่วนโค้งแบบเศษส่วน - โดยทั่วไปคือ 0.80–0.87 ของระยะพิทช์ของขั้ว - ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์ที่สามารถยกเลิกฮาร์โมนิกฟันเฟืองที่ขับเคลื่อนด้วยสล็อตบางส่วนได้ หากปรับอย่างถูกต้อง
สำหรับมอเตอร์ 12S10P ฮาร์มอนิกฟันเฟืองหลักหลังจากการแก้ไข LCM คือฮาร์มอนิกเชิงกลลำดับที่ 60 การเพิ่มประสิทธิภาพส่วนโค้งแม่เหล็กจะเปลี่ยนความกว้างของฮาร์มอนิกนี้ ในทางปฏิบัติ ความครอบคลุมส่วนโค้งที่ 0.833 (5/6 ของระยะพิทช์ของขั้ว) ทำให้มีฟันเฟืองใกล้ศูนย์สำหรับการสร้างสนามแม่เหล็กแบบไซน์ซอยด์ในอุดมคติในการกำหนดค่า 12S10P แม่เหล็กส่วนโค้ง NdFeB เผาจริงเบี่ยงเบนไปจากความหนาแน่นฟลักซ์ไซน์ซอยด์ในอุดมคติ ดังนั้นคาดว่าฟันเฟืองที่เหลือจะอยู่ที่ 0.3–0.8% ของแรงบิดพิกัดด้วยแม่เหล็กส่วนโค้งมาตรฐาน และ 0.1–0.3% ด้วยแม่เหล็กส่วนโค้งที่เน้นฟลักซ์หรือแม่เหล็กที่เอียง
การเอียงของแม่เหล็ก (การหมุนรูปแบบแม่เหล็กในแนวแกนตามแนวแกนของมอเตอร์) สามารถลดฟันเฟืองได้อีก โดยต้นทุนของความซับซ้อนในการผลิต และลดแรงบิดเฉลี่ยลงเล็กน้อย (โดยทั่วไปจะสูญเสียแรงบิด 2–5% สำหรับการเอียงแบบช่องเดียว) สำหรับการใช้งานเซอร์โวส่วนใหญ่ การเพิ่มประสิทธิภาพส่วนโค้งของแม่เหล็กเพียงอย่างเดียวจะทำให้บรรลุข้อกำหนดของฟันเฟืองโดยไม่บิดเบือน เพิ่มการเอียงเฉพาะเมื่อข้อกำหนดจำเพาะของฟันเฟืองต่ำกว่า 0.3% ของแรงบิดพิกัดและการปรับส่วนโค้งแม่เหล็กเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ
5. สรุปเกณฑ์การคัดเลือก
กระบวนการคัดเลือกในทางปฏิบัติ:
ขั้นแรก ให้กำหนดข้อกำหนดแรงบิดของฟันเฟือง หากการใช้งานต้องการฟันเฟืองสูงสุดที่ต่ำกว่า 1% ของแรงบิดที่กำหนด (เซอร์โวแบบขับเคลื่อนโดยตรง การวางตำแหน่งที่แม่นยำ) ให้เลือกการรวมขั้ว-สล็อตกับ LCM มากกว่าหรือเท่ากับ 60 หากข้อกำหนดคือ 1–3% (เซอร์โวมาตรฐาน การเคลื่อนที่ที่มีประสิทธิภาพสูง) โดยทั่วไป LCM มากกว่าหรือเท่ากับ 24 ก็เพียงพอแล้ว หากไม่ได้ระบุฟันเฟือง (พัดลม ปั๊ม มอเตอร์ราคาประหยัด) ให้ใช้การผสมที่ง่ายที่สุด (6S4P, 9S6P) เพื่อประหยัดต้นทุนการผลิต
Second, define the speed range. High-speed (>การใช้งานที่ 6,000 รอบต่อนาที) ต้องใช้จำนวนขั้วที่ต่ำกว่าเพื่อให้สามารถจัดการความถี่ไฟฟ้าได้ มอเตอร์ 12S10P ที่ 10,000 รอบต่อนาทีทำงานที่ 833 Hz - การสูญเสียแกนจะกลายเป็นปัญหาหากไม่มีการเคลือบบางพิเศษ (0.15–0.20 มม.) สำหรับการใช้งานความเร็วสูง การกำหนดค่าแบบ 4 ขั้วหรือ 6 ขั้วที่มีช่องน้อยกว่าตามลำดับจะใช้งานได้จริงมากกว่า แม้ว่าประสิทธิภาพการทำงานของฟันเฟืองจะแย่ลงก็ตาม
ประการที่สาม พิจารณาข้อจำกัดด้านความยาวแกน มอเตอร์ FSCW (12S10P, 12S14P, 24S22P) มีขดลวดปลายที่สั้นมากและมีประสิทธิภาพในรูปแบบแกนสั้น สำหรับมอเตอร์แพนเค้ก (แบบดิสก์) หรือมอเตอร์แบบล้อที่มีข้อจำกัดด้านแกนอย่างรุนแรง ควรใช้การผสมผสานเหล่านี้ สำหรับมอเตอร์ที่มีอัตราส่วนกว้างยาวขึ้น โดยที่ปริมาตรการม้วนปลายไม่ได้เป็นข้อจำกัดที่สำคัญ การม้วนแบบกระจาย (18S12P, 24S18P) จะให้คุณภาพฮาร์โมนิคที่ดีขึ้น และแรงบิดที่นุ่มนวลขึ้นที่ความเร็วต่ำ
ประการที่สี่ ตรวจสอบแหล่งจ่ายแม่เหล็ก จำนวนขั้วที่ผิดปกติ (เช่น 22 ขั้ว) ต้องใช้แม่เหล็กส่วนโค้งที่มีมุมเซกเตอร์ที่แม่นยำซึ่งไม่ใช่รายการแคตตาล็อกมาตรฐาน - ระยะเวลารอคอยสินค้าคือ 4–6 สัปดาห์สำหรับแม่เหล็กส่วนโค้งแบบกำหนดเอง เทียบกับ 2–3 สัปดาห์สำหรับสต็อกส่วนโค้งมาตรฐานขนาด 4, 6, 8 หรือ 10 ขั้ว หากกำหนดการพัฒนาจำเป็นต้องมีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว ควรเลือกใช้การนับขั้วแม่เหล็กอาร์คมาตรฐาน (4, 6, 8, 10 ขั้วเป็นแบบมาตรฐานทั้งหมด; 12 และ 14 ขั้วเป็นแบบกึ่งมาตรฐาน; 18+ ขั้วต้องการคำสั่งที่กำหนดเอง)
เซอร์โวแบบขับเคลื่อนโดยตรงที่ทำงานที่ 300 รอบต่อนาทีโดยมีข้อกำหนดฟันเฟืองแรงบิดพิกัด 0.5% และเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกสเตเตอร์ 150 มม. จะชี้ไปที่ 24S22P อย่างชัดเจน: LCM=264, kw=0.949 และความเร็วต่ำหมายถึงความถี่ไฟฟ้าเพียง 55 Hz ที่ 300 รอบต่อนาที (12 เสาคู่ × 5 รอบ/วินาที) - จัดการได้อย่างสมบูรณ์ด้วยเหล็กซิลิคอน 0.35 มม. การจ่ายแม่เหล็กสำหรับส่วนโค้ง 22 ขั้วจำเป็นต้องสั่งซื้อแบบกำหนดเอง ซึ่งจะเพิ่มเวลา 3-4 สัปดาห์ให้กับวงจรต้นแบบแรก วางแผนตามนั้น
ติดต่อ HIMAGNET
HIMAGNET จัดหาแม่เหล็กส่วนโค้ง NdFeB สำหรับการนับจำนวนขั้วมาตรฐานและแบบกำหนดเองทั้งหมด สำหรับการกำหนดค่า 10 ขั้ว 14 ขั้ว และแบบกำหนดเอง โปรดติดต่อทีมวิศวกรของเราพร้อมแจ้ง OD สเตเตอร์ รหัสโรเตอร์ และมุมส่วนโค้งของขั้วเพื่อขอใบเสนอราคา อีเมล:info@himagnet.com
