Объяснение сердечника статора двигателя и пластин электродвигателя

Сердечник статора двигателя — это стационарная магнитная структура, лежащая в основе каждого электродвигателя, а его ламинированная конструкция является единственным наиболее важным фактором, определяющим эффективность двигателя, выделение тепла и плотность мощности. Пластины электродвигателя представляют собой тонкие листы кремнистой стали, обычно толщиной 0,2–0,65 мм, сложенные друг на друга и склеенные вместе, образуя сердечник статора. . Эта ламинированная структура создана специально для подавления потерь на вихревые токи, которые в противном случае превратили бы значительную часть входной мощности двигателя в отходящее тепло. Выбор правильного материала ламинирования, толщины и метода укладки напрямую определяет, какое место в спектре эффективности займет двигатель — от простого промышленного агрегата до высокопроизводительного приводного двигателя для электромобилей.

Что такое сердечник статора двигателя?

Сердечник статора представляет собой фиксированную внешнюю магнитную цепь электродвигателя. Его функция заключается в передаче переменного магнитного потока, генерируемого обмотками статора, обеспечивая путь с низким сопротивлением, который концентрирует и направляет магнитное поле через воздушный зазор для взаимодействия с ротором. Это магнитное взаимодействие и создает крутящий момент — основную мощность любого электродвигателя.

Конструктивно сердечник статора двигателя состоит из цилиндрического ярма (заднего железа, замыкающего магнитную цепь) и ряда зубцов, выступающих внутрь ротора, между которыми в пазах расположены медные обмотки. Геометрия этих зубцов и пазов — их количество, ширина, глубина и соотношение между ними — определяет характеристики крутящего момента двигателя, коэффициент пространства обмотки и акустическое поведение. В типичном 4-полюсном асинхронном двигателе статор может иметь 36 пазов; серводвигатель с большим количеством полюсов может иметь 48 или более.

Ядро должно одновременно достичь двух конкурирующих целей: высокая магнитная проницаемость (для переноса потока с минимальным сопротивлением) и низкие потери в сердечнике (чтобы минимизировать энергию, рассеиваемую в виде тепла во время каждого магнитного цикла). Конструкция из ламинированной кремнистой стали представляет собой инженерное решение, оптимизирующее оба аспекта в рамках практических производственных ограничений.

Почему существуют пластины в электродвигателях: физика потерь в сердечнике

Если бы сердечник статора был изготовлен из цельного стального блока, он был бы электропроводным по всему объему. Переменное магнитное поле, проходящее через сердечник, будет индуцировать циркулирующие токи — вихревые токи — внутри объемного материала точно так же, как изменяющийся поток трансформатора индуцирует ток во вторичной обмотке. Эти вихревые токи текут по замкнутым контурам, перпендикулярным направлению магнитного потока, и, поскольку сталь обладает электрическим сопротивлением, они рассеивают энергию в виде тепла I²R.

Мощность, потерянная из-за вихревых токов, увеличивается с увеличением квадрат толщины ламината и рабочей частоты . Уменьшение толщины ламината вдвое снижает потери на вихревые токи примерно на 75%. Это соотношение делает толщину ламината одной из наиболее важных переменных проектирования в электродвигателях, особенно по мере увеличения рабочих частот в приводах с регулируемой скоростью и в высокоскоростных приложениях.

Общие потери сердечника в пластинах статора состоят из двух компонентов:

• Потери на вихревые токи: Пропорционально квадрату частоты и квадрату плотности потока. Контролируется в первую очередь толщиной пластин и удельным электросопротивлением стали.
• Гистерезисные потери: Энергия рассеивается при переворачивании магнитных доменов внутри стали при каждом цикле переменного тока. Пропорционально частоте и плотности потока, увеличенной примерно до степени 1,6–2,0 (показатель Штейнмеца, зависит от материала). Контролируется ориентацией зерен стали, содержанием кремния и обработкой отжига.

Путем разрезания сердечника на тонкие пластины, электрически изолированные друг от друга, пути вихревых токов ограничиваются отдельными тонкими листами. Площадь поперечного сечения, доступная для циркуляции вихревых токов, резко уменьшается, и соответственно снижаются потери. Стопка пластин толщиной 0,35 мм будет примерно демонстрировать Потери на вихревые токи в 25–30 раз ниже чем твердое ядро тех же размеров, работающее на той же частоте.

Материалы ламинации статора: марки и выбор кремниевой стали

Преобладающим материалом для пластин статора является электротехническая сталь — семейство железокремниевых сплавов, разработанных специально для магнитных применений. Содержание кремния (обычно 1–4,5% по весу) служит двум целям: оно увеличивает удельное электрическое сопротивление стали (уменьшая потери на вихревые токи) и уменьшает магнитострикцию (изменение размеров стали во время намагничивания, которое является основным источником шума двигателя и слышимого шума).

Неориентированная и текстурированная электротехническая сталь

Электротехническая сталь производится в двух больших категориях. Неориентированная (NO) электротехническая сталь имеет хаотическую зеренную структуру, что придает ему примерно однородные магнитные свойства во всех направлениях в пределах плоскости листа. Эта изотропия важна для статоров вращающихся машин, где магнитный поток вращается через сердечник во время работы двигателя — материал должен работать одинаково хорошо независимо от направления потока. Практически во всех пластинах статора двигателей используются неориентированные сплавы.

Электротехническая сталь с ориентированной зеренной структурой (GO) , напротив, обрабатывается для выравнивания зерен по одной оси (направлению прокатки), что обеспечивает очень низкие потери в сердечнике в этом направлении. Он в основном используется в сердечниках трансформаторов, где направление магнитного потока фиксировано, и не подходит для вращающихся статоров машин.

Стандартная толщина ламината и их применение

Выбор толщины ламината – это баланс между потерями в сердечнике и себестоимостью производства. Более тонкие ламинации уменьшают потери, но увеличивают количество требуемых листов, увеличивают затраты на штамповку и штабелирование и требуют более жестких допусков на размеры.

Передовые материалы: аморфные и нанокристаллические ядра

Для применений, требующих абсолютных минимальных потерь в сердечнике, особенно для высокочастотных двигателей с частотой выше 1 кГц. аморфные металлические сплавы (например, Metglas 2605SA1) обеспечивают потери в сердечнике примерно на 70–80% ниже, чем лучшие традиционные марки кремнистой стали. Аморфные металлы производятся путем быстрого затвердевания из расплава, что предотвращает образование кристаллических зерен и создает стекловидную атомную структуру с исключительно низкими потерями на гистерезис. Недостаток заключается в том, что аморфная лента производится в виде очень тонких полосок (обычно 0,025 мм), является хрупкой, значительно дороже и ее сложнее штамповать, чем обычную электротехническую сталь. Нанокристаллические сплавы предлагают золотую середину — меньшие потери в сердечнике, чем кремниевая сталь, и более поддающиеся обработке, чем полностью аморфные материалы.

Производство пластин статора: штамповка, резка и укладка

Производство пластин статора включает в себя несколько тщательно контролируемых этапов производства, каждый из которых влияет как на точность размеров, так и на магнитные характеристики готового сердечника.

Прогрессивная штамповка

Прогрессивная штамповка является доминирующим методом производства пластин статора в больших объемах. Рулон полосы из электротехнической стали подается через многоступенчатый пресс, который последовательно пробивает отверстия в пазах, внешний профиль, шпоночные пазы и любые другие элементы на последовательных станциях, прежде чем готовый ламинат будет вырублен на последней станции. Скорость штамповки 200–600 ударов в минуту обычна для ламинатов диаметром до 200 мм; более крупные ламинаты требуют более медленных скоростей для поддержания точности размеров.

Зазор матрицы — зазор между пуансоном и матрицей — имеет решающее значение для качества ламинирования. Чрезмерный зазор приводит к появлению заусенцев на кромке среза, что увеличивает межламинарный контакт и создает пути короткого замыкания для вихревых токов между соседними пластинами, что напрямую ухудшает характеристики потерь в сердечнике. Отраслевой стандарт требует высоты заусенцев ниже 0,05 мм для большинства применений ламинирования двигателей; более жесткие ограничения применяются к тонким высокочастотным пластинам.

Лазерная и проволочная электроэрозионная резка прототипов

Для производства прототипов и мелкосерийного ламинирования, лазерная резка и электроэрозионная обработка проволоки (EDM) являются основными альтернативами штамповке. Лазерная резка обеспечивает быстрый цикл обработки и отсутствие затрат на инструмент, но зона термического влияния вдоль кромок реза изменяет микроструктуру электротехнической стали, увеличивая локальные потери в сердечнике на 15–30% на кромках реза. Этот эффект пропорционально более значителен для узких зубов, где зона термического влияния составляет большую часть общего поперечного сечения. Отжиг после резки при температуре 750–850 ° C в контролируемой атмосфере может восстановить большую часть утраченных характеристик.

Соединение, склеивание и сварка стопки

Отдельные пластины должны быть объединены в жесткую стопку сердцевин. Основными методами являются:

• Блокировка (клинч): Небольшие выступы, образующиеся во время штамповки, сцепляются с соответствующими выемками в соседних пластинах, механически скрепляя стопку. Быстро и недорого, но блокировки создают локализованные концентрации напряжений, которые могут увеличить потери в сердечнике на 3–8% по сравнению с несклеенными стопками.
• Лазерная сварка: Сварные швы по внешнему диаметру или в области заднего хомута сплавляют пакет. Сварочное тепло создает зону магнитной деградации вдоль линии сварного шва, обычно увеличивая общие потери в сердечнике на 5–15%. Используется там, где механическая прочность является приоритетом.
• Клеевое соединение (склеенные стопки ламинатов): Перед укладкой каждая пластина покрывается тонким слоем термореактивного клея; сборка отверждается под давлением. Склеенные пакеты обладают лучшими показателями потерь в сердечнике среди всех методов консолидации (без механического напряжения и термического повреждения) и все чаще используются в высокоэффективных электродвигателях. Толщина клеевого покрытия — обычно 2–5 мкм — также служит межламинарной изоляцией.
• Болты/сквозные болты: Болты проходят через совмещенные отверстия в стопке. Простой и надежный для больших промышленных двигателей, но он создает сжимающее напряжение и потенциальное магнитное короткое замыкание в местах расположения болтов.

Конструкция пластин статора: геометрия пазов и ее влияние на производительность двигателя

Геометрия пазов и зубьев пластин статора является одним из наиболее важных проектных решений в автомобилестроении. Это одновременно влияет на коэффициент заполнения медью, распределение плотности магнитного потока, индуктивность рассеяния, зубчатый момент и звуковой шум, что делает проектирование пазов проблемой оптимизации, которая уравновешивает множество конкурирующих требований.

Открытые, полузакрытые и закрытые слоты

Отверстие паза — зазор между кончиками соседних зубьев на поверхности воздушного зазора — является ключевым параметром конструкции. Открытые слоты позволяют легко вставлять предварительно сформированные катушки, но создают большие изменения плотности потока в воздушном зазоре (щелевые гармоники), увеличивая пульсации крутящего момента и слышимый шум. Полузакрытые слоты (частично соединенные кончики зубьев) уменьшают эффект прорезей за счет немного более сложной установки намотки. Закрытые слоты полностью минимизировать щелевые гармоники, но требует продевания обмоточного провода через небольшие отверстия, что ограничивает размер проводника и снижает достижимый коэффициент заполнения.

Для синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM), используемых в электромобилях, стандартной практикой являются полузакрытые пазы с шириной кончика зуба, выбранной для минимизации взаимодействия зубчатого момента с магнитами ротора. Отверстие слота обычно установлено на В 1–2 раза больше шага полюсов магнита, разделенного на номер паза. , соотношение, полученное на основе гармонического анализа плотности потока воздушного зазора.

Фактор суммирования и его влияние

Коэффициент укладки (также называемый коэффициентом заполнения пластин) представляет собой отношение фактического объема магнитной стали к общему геометрическому объему сердечника с учетом изолирующего покрытия между пластинами. Типичный коэффициент накопления для хорошо изготовленных пластин двигателя составляет 0,95–0,98 — это означает, что 95–98% сечения сердечника составляет активный магнитный материал.

Коэффициент укладки ниже ожидаемого, вызванный чрезмерными заусенцами, толстым изоляционным покрытием или плохой практикой укладки, уменьшает эффективное поперечное сечение сердечника, несущее поток, вынуждая утюг работать при более высоких плотностях потока, чем предполагалось. Это толкает сердечник дальше по кривой B-H к насыщению, увеличивая как потери в сердечнике, так и ток намагничивания, а также ухудшая коэффициент мощности и эффективность.

Пластины статора в электромобилях и высокоэффективных двигателях: современные тенденции

Быстрый рост электромобилей и ужесточение глобальных стандартов эффективности двигателей (IEC 60034-30-1, определяющий классы эффективности IE3 и IE4) привели к значительному прогрессу в технологии ламинирования статора за последнее десятилетие.

• Более тонкие пластины для высокоскоростной работы: Тяговые двигатели электромобилей все чаще работают на базовой скорости 6 000–12 000 об/мин с ослаблением поля до 18 000–20 000 об/мин, создавая основные электрические частоты 400–1 000 Гц. На этих частотах пластины толщиной 0,35 мм, достаточные для промышленных двигателей с частотой 50/60 Гц, приводят к неприемлемым потерям в сердечнике. Ведущие производители электромобилей, в том числе Tesla, BYD и BMW, перешли на ламинацию толщиной 0,25–0,27 мм для основных тяговых двигателей, а в некоторых конструкциях следующего поколения используется толщина 0,20 мм.
• Высококремнистые и неориентированные марки: Такие марки, как М250-35А и M270-35A (европейское обозначение) или 35H270 (JIS) с потерями в сердечнике 2,5–3,5 Вт/кг при 1,5 Т, 50 Гц, в приложениях премиум-класса заменяются марками со сверхнизкими потерями, достигающими менее 1,5 Вт/кг. JFE Steel, Nippon Steel и Voestalpine выпускают на рынок марки с содержанием кремния, приближающимся к 4,5% — это близко к практическому пределу, за которым сталь становится слишком хрупкой для надежной штамповки.
• Сегментированные и модульные конструкции статора: Чтобы улучшить коэффициент заполнения обмотки и обеспечить автоматическую намотку сконцентрированных катушек, в некоторых конструкциях двигателей используются сегментированные сердечники статора — отдельные сегменты с зубьями и пазами, которые наматываются отдельно, а затем собираются в целое статорное кольцо. Сегментация обеспечивает коэффициент заполнения медью 70–75% по сравнению с 40–55% для распределенных обмоток в непрерывных сердечниках.
• Архитектура двигателей с осевым магнитным потоком: В двигателях с осевым магнитным потоком (блинчик) используются пакеты пластин статора в форме дисков, а не цилиндрические сердечники. Их более короткий путь магнитного потока и более высокая плотность крутящего момента на единицу объема делают их привлекательными для применения в двигателях с прямым приводом и в колесных двигателях, а их геометрия ламинирования — спирально-навитые или сегментированные пакеты дисков — требует иных подходов к штамповке и формованию, чем традиционные конструкции с радиальным потоком.

Контроль качества и испытания пластин статора двигателя

Магнитные характеристики готового сердечника статора могут значительно отличаться от свойств необработанного листа электротехнической стали из-за производственных повреждений — штамповочных напряжений, заусенцев, нагрева сварки и неправильного обращения. Строгий контроль качества на каждом этапе необходим для обеспечения того, чтобы ядро ​​обеспечивало заданную эффективность.

• Тестирование рамы Эпштейна: Стандартный лабораторный метод (IEC 60404-2) измерения потерь в сердечнике в полосах электротехнической стали. Образцы, вырезанные из производственной бухты, проверяются перед штамповкой, чтобы убедиться, что поступающий материал соответствует спецификациям.
• Однолистовой тестер (SST): Измеряет потери в сердечнике на отдельных листах или штампованных пластинах, обеспечивая возможность проверки после штамповки. Полезно для обнаружения дополнительных потерь, вызванных самим процессом штамповки.
• Измерение высоты заусенцев: Автоматизированные системы технического зрения или контактные профилометры измеряют высоту заусенцев на штампованных пластинах. Высота заусенцев более 0,05 мм. вызывают отказ или доработку, поскольку чрезмерные заусенцы ухудшают межламинарную изоляцию и коэффициент укладки.
• Измерение коэффициента суммирования: Собранную стопку стержней взвешивают и сравнивают с теоретической массой, рассчитанной на основе площади пластин, количества и плотности стали. Значительное отклонение указывает на ненормальные заусенцы, изменение толщины покрытия или повреждение пластин.
• Тестирование межламинарного сопротивления (тест Франклина): Стандартизированный тест (IEC 60404-11), при котором измеряется электрическое сопротивление между соседними пластинами путем прижатия набора датчиков к поверхности сердечника с контролируемой силой. Низкие значения сопротивления указывают на поврежденное или недостаточное изоляционное покрытие и прогнозируют повышенные потери на вихревые токи при эксплуатации.