Les performances en matière de bruit et de vibrations constituent souvent le facteur décisif entrebobinage concentré et distribuéune fois que la conception d'un moteur va au-delà des petites applications-à grande vitesse - unenroulement concentré à fente fractionnéedisposition parfaitement acceptable dans un format légerenroulement de moteur de dronepeut produire un bruit acoustique inacceptable dans un moteur industriel ou automobile-plus gros et plus lent.
La cause fondamentale réside dans les harmoniques du champ magnétique : la disposition plus simple des bobines de l'enroulement concentré produit un champ moins sinusoïdal que l'enroulement distribué, et ces harmoniques supplémentaires se traduisent directement par une ondulation de couple et un bruit audible une fois que la taille du moteur et les demandes de couple augmentent.
Ci-dessous, nous expliquons pourquoi cela se produit, les calculs harmoniques qui se cachent derrière, un exemple concret-du mondeenroulement de moteur à flux axialconception et ce que chaque type de bobinage exige de la machine qui le produit.
I. Pourquoi le type d'enroulement affecte-t-il le bruit et les vibrations du moteur ?
Chaque disposition d'enroulement produit une forme d'onde de force magnétomotrice (MMF) qui n'est pas parfaitement sinusoïdale, et le contenu harmonique de cette forme d'onde - et pas seulement le champ fondamental - est ce qui entraîne l'ondulation du couple et le bruit audible.
un. comment les harmoniques MMF proviennent
La structure de bobine non chevauchante de l'enroulement concentré produit intrinsèquement une distribution MMF moins sinusoïdale autour de l'entrefer, introduisant des harmoniques spatiales d'ordre supérieur - que les groupes de bobines superposées de l'enroulement distribué annulent en grande partie.
b. pourquoi cela est plus important à mesure que les moteurs deviennent plus gros et plus lents
Les harmoniques d'ordre supérieur-se traduisent en pulsations de couple à des fréquences liées à la vitesse du moteur et au nombre de pôles - dans les petits moteurs à vitesse élevée-, ces pulsations se produisent à des fréquences largement en dehors de la plage audible ou en dessous du seuil de vibration perceptible, mais dans les moteurs industriels et de traction plus gros et plus lents, les mêmes harmoniques tombent carrément dans des plages acoustiques et vibratoires perceptibles.
II. Comment quantifier le contenu harmonique d’un enroulement ?
Le facteur d'enroulement n'est pas simplement un nombre unique pour le champ fondamental -, il peut être calculé pour chaque ordre harmonique, et la comparaison du facteur d'enroulement fondamental avec les facteurs d'enroulement harmoniques révèle à quel point la distribution du champ d'un enroulement est "propre".
Formule du facteur d'enroulement harmonique :
kwn=kdn × kpn
Où:
je sais= facteur d'enroulement pour l'ordre harmonique n
kdn= facteur de distribution pour l'ordre harmonique n=sin(n×q× /2) / (q×sin(n× /2))
kpn= facteur de pas pour l'ordre harmonique n=sin(n× /2), où le pas de bobine est exprimé en fraction d'angle électrique
Exemple travaillé :pour le même enroulement distribué à 24 emplacements et 4 pôles utilisé comme ligne de base (q=2,=30 degré), en comparant le fondamental (n=1) à la 5ème harmonique (n=5) :
Fondamental : kd1=sin(2×15 degrés) / (2×sin 15 degrés) ≈0.966(tel que calculé précédemment)
5ème harmonique : kd5=sin(5×2×15 degrés) / (2×sin(5×15 degrés))=sin(150 degrés) / (2×sin 75 degrés)=0.5 / (2×0,966) ≈0.259
un. ce que montre cette comparaison
Un faible facteur d'enroulement harmonique (0,259 pour la 5ème harmonique ici) signifie que l'enroulement distribué supprime activement la contribution de cette harmonique au champ - c'est la raison mathématique pour laquelle l'enroulement distribué produit un couple plus doux, pas seulement une préférence de conception générale.
b. pourquoi l'enroulement concentré n'obtient pas la même annulation
Les configurations d'enroulement concentrées à fentes fractionnaires conservent généralement des facteurs d'enroulement plus élevés sur une gamme plus large d'ordres harmoniques, car la disposition des bobines qui ne se chevauchent pas ne crée pas le même effet d'annulation de groupe de phase -, ce qui constitue un compromis direct pour ses avantages en matière de fabrication et de compacité.
III. Comment cela se joue-t-il dans la conception d’un moteur à flux axial réel ?
Enroulement moteur à flux axialla conception est une bonne illustration-du monde réel de la façon dont le compromis concentré-vs-distribué est résolu une fois que l'ondulation du couple compte réellement pour l'application.
un. exemple : une décision de conception d'un moteur de traction à flux axial
Prenons l'exemple d'un moteur à flux axial développé pour une application de VE léger ou de vélo électrique-hautes performances-, où l'équipe de conception évalue initialement un enroulement concentré à fente fractionnaire-en raison de sa courte longueur axiale et de sa fabrication simple.
Lors des tests de charge, l'ondulation du couple et le gémissement audible à certaines plages de vitesse poussent la conception vers un modèle d'enroulement distribué ou hybride modifié - échangeant une partie de l'avantage de compacité contre une fourniture de couple plus douce que les exigences de qualité de roulement et de bruit de l'application exigent.
Ce type de changement de bobinage à mi--développement est beaucoup plus facile à absorber lorsque l'équipement de bobinage lui-même est suffisamment flexible pour gérer les deux topologies sans un réoutillage complet.
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b. pourquoi la géométrie du flux axial amplifie ce compromis
Les moteurs à flux axial ont un chemin magnétique plus court et une zone d'entrefer efficace plus grande par rapport aux conceptions à flux radial, ce qui tend à rendre l'ondulation harmonique du couple entraînée - plus perceptible -, une raison structurelle pour laquelle cette topologie voit plus d'expérimentations de type enroulement - pendant le développement que les moteurs à flux radial conventionnels.
IV. Quand la conception d'un moteur BLDC doit-elle donner la priorité à l'enroulement distribué ?
Pour la plupartEnroulement du moteur BLDCapplications, l'enroulement distribué devient le meilleur choix une fois qu'une ou plusieurs de ces conditions s'appliquent.
| Condition | Pourquoi le bobinage distribué aide |
|---|---|
| Limites de bruit audible (grand public ou automobile) | Un contenu harmonique plus faible réduit le bruit acoustique perceptible |
| Contrôle de couple de haute-précision (robotique, CNC) | Une sortie de couple plus fluide améliore la précision du positionnement |
| Grande taille de cadre / faible vitesse | Les harmoniques tombent dans des gammes de fréquences plus perceptibles |
| Utilisation industrielle à long cycle de service- | La réduction des vibrations améliore la longévité des roulements et de la mécanique |
un. quand le bobinage concentré reste le meilleur compromis
Les applications donnant la priorité à la densité de puissance, à la longueur axiale compacte et à l'efficacité de fabrication en grand volume - des moteurs de drones, des -moteurs de moyeu de vélo électrique, des petits actionneurs - favorisent généralement toujours l'enroulement concentré, car les problèmes de bruit et d'ondulation provoqués par les harmoniques-ont beaucoup moins de conséquences à leur échelle et à leur plage de vitesse.
b. pourquoi les approches hybrides sont de plus en plus courantes
Certaines conceptions de moteurs modernes utilisent des modèles d'enroulement modifiés ou hybrides qui empruntent des caractéristiques aux deux approches, dans le but de conserver une grande partie de la simplicité de fabrication des enroulements concentrés tout en supprimant les ordres harmoniques spécifiques les plus responsables du bruit audible.
V. Qu'est-ce que cela signifie pour les exigences des bobineuses ?
Étant donné que les performances harmoniques dépendent fondamentalement du placement de la bobine et de la précision des tours, la précision de la bobineuse affecte directement la mesure dans laquelle un moteur fini correspond à son facteur d'enroulement conçu - pour les configurations concentrées et distribuées.
| Capacité de la machine | Pourquoi c'est important pour le contrôle harmonique |
|---|---|
| Précision du comptage des tours- | Des tours inégaux entre les bobines introduisent une asymétrie qui ajoute des harmoniques involontaires |
| Contrôle constant de la tension | La forme inégale de la bobine fausse la distribution prévue du MMF |
| Pas de bobine programmable (enroulement distribué) | La précision du facteur de pas dépend du placement précis et reproductible de la bobine |
| Outillage flexible pour les deux types de bobinage | Prend en charge l'itération de conception sans changement de ligne complet |
un. pourquoi une bobineuse de stator automatique est plus importante que prévu ici
Unbobineuse automatique de statoravec des tours serrés et répétables et un contrôle de tension n'améliore pas seulement la cohérence de la fabrication -, il protège directement les performances harmoniques pour lesquelles l'enroulement a été conçu, puisque même une petite variation de tour à-entre les bobines peut réintroduire des harmoniques que le modèle d'enroulement a été spécialement conçu pour annuler.
b. pourquoi cela est le plus important lors de la validation de la conception
Les conceptions de moteurs soumises au type d'évaluation du type d'enroulement- décrit dans l'exemple de flux axial ci-dessus bénéficient d'un équipement capable de produire des prototypes concentrés et distribués avec la même précision, car une qualité d'enroulement incohérente peut masquer ou exagérer la véritable différence de performances harmoniques entre les deux approches lors des tests.
VI. Quelle machine KIOXIA prend en charge les deux approches de bobinage ?
Étant donné que les décisions concernant le type de bobinage-évoluent souvent au cours du développement du moteur, la capacité de produire des bobines à la fois concentrées et distribuées avec des spires et une précision de tension constantes présente une réelle valeur pratique au-delà de la chaîne de production finale.
KIOXIELes plates-formes de bobinage de stator de Light Ring Equipment Group sont construites avec la précision du comptage des tours et la cohérence de la tension nécessaires pour protéger les performances harmoniques prévues d'une conception de bobinage, que la disposition finale soit concentrée en fentes fractionnaires ou entièrement distribuée.
Les fabricants travaillant selon les exigences de performance décrites dansCEI 60034-1, la norme internationale relative aux caractéristiques et aux performances des machines électriques tournantes, dépend de ce type de répétabilité des enroulements pour atteindre la sortie nominale de manière cohérente tout au long d'un cycle de production.
Pour les programmes moteurs évaluant encore la topologie des enroulements, en travaillant directement avec unfabricant de bobineusesL'utilisation d'outils flexibles constitue souvent le moyen le plus pratique de conserver les options de conception ouvertes jusqu'à la validation.
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