Il rumore e le vibrazioni del motore non sono più problemi di scarsa importanza, che possono essere mascherati dal design dell’alloggiamento. Le prestazioni NVH sono un indicatore cruciale di qualità e affidabilità nei motori elettrici moderni.
Oltre alle strategie di progettazione e controllo elettromagnetico, il processo di impilamento di statore e rotore svolge un ruolo cruciale, ma spesso trascurato, nell’influenzare il rumore e le vibrazioni del motore.
Comprensione del comportamento del rumore e delle vibrazioni nei motori elettrici
Rumore e vibrazioni nei motori elettrici sono fenomeni complessi derivanti dall’interazione di forze elettromagnetiche, strutture meccaniche e condizioni operative dinamiche. Per comprendere il ruolo dei processi di impilamento, è importante innanzitutto capire da dove provengono rumore e vibrazioni.
Fonti primarie di rumore del motore
Il rumore del motore deriva in genere da tre fonti principali:
rumore elettromagnetico
Il rumore elettromagnetico deriva da forze magnetiche variabili nel tempo tra statore e rotore, causati da armoniche di flusso, effetti di slotting e disuniformità del traferro. Quando queste forze eccitano le frequenze naturali della pila statorica, si verifica un rumore udibile.
rumore meccanico
Il rumore meccanico deriva da cuscinetti, alberi, squilibri, disallineamenti e tolleranze di assemblaggio. Sebbene spesso trattato separatamente, è strettamente correlato alla rigidità e all’integrità del sistema. pile di statore e rotore.
rumore aerodinamico
Ad alte velocità, le perturbazioni del flusso d’aria attorno alle parti rotanti generano rumore aerodinamico. Sebbene l’impilamento non influisca direttamente sul flusso d’aria, un impilamento non corretto può amplificare questo rumore aumentando le vibrazioni.
Tra queste fonti, il rumore elettromagnetico è quello più sensibile alla qualità dell’impilamento, poiché quest’ultimo regola il modo in cui le forze magnetiche vengono distribuite e trasmesse all’interno della struttura del motore.
Come vengono generate e trasmesse le vibrazioni
Le vibrazioni si verificano quando le forze di eccitazione agiscono sui componenti del motore e superano la capacità di smorzamento del sistema. Queste forze possono derivare da armoniche elettromagnetiche, squilibri del rotore o difetti meccanici.
Una volta generata, la vibrazione si propaga attraverso:
- Lamierini dello statore e interfacce dello stack
- Strati isolanti e materiali leganti
- Alloggiamento del motore e strutture di montaggio
Il pacco statorico funge spesso da principale radiatore delle vibrazioni. Se i processi di impilamento introducono rigidità irregolare o stress residuo, i livelli di vibrazione aumentano e diventano più difficili da controllare tramite smorzamento esterno.
NVH come risultato a livello di sistema
Le prestazioni NVH sono il risultato dell’interazione di molteplici fattori, non di un singolo elemento che le influenza. Sono invece il risultato delle interazioni tra:
- Progettazione elettromagnetica
- Struttura meccanica
- Processi di produzione
Il processo di impilamento si trova all’intersezione di questi domini, influenzando sia il comportamento magnetico che l’integrità meccanica. Anche un modello elettromagnetico ben progettato può non soddisfare i requisiti NVH se la qualità dell’impilamento è inadeguata.
Che cosa è lo stacking dei motori?
L’impilamento del motore si riferisce all’assemblaggio di singole lamiere elettriche in acciaio in un nucleo unificato dello statore o del rotore con una lunghezza assiale definita e stabilità meccanica.
Il processo di impilamento svolge diverse funzioni critiche:
- Stabilisce il percorso del circuito magnetico
- Definisce la geometria e la consistenza del traferro
- Fornisce rigidità strutturale
- Consente l’integrazione con alberi, alloggiamenti e avvolgimenti
Mentre stampaggio di laminazionedetermina la precisione di ogni foglio, l’impilamento determina il comportamento complessivo di questi fogli sotto carichi elettromagnetici e meccanici.
Impilamento dello statore rispetto al rotore
Sebbene i principi di base siano simili, l’impilamento di statore e rotore ha implicazioni NVH diverse.
Impilamento dello statore
Lo statore è fissato rispetto all’alloggiamento, il che lo rende il principale radiatore del rumore. Qualsiasi vibrazione generata nel pacco statorico viene trasmessa efficacemente all’ambiente esterno.
Impilamento del rotore
L’impilamento del rotore influisce indirettamente sull’NVH, influenzando l’equilibrio, l’eccentricità e l’attrazione magnetica. Un inadeguato impilamento del rotore può generare vibrazioni nello statore, anche se quest’ultimo è ben progettato.
Entrambi devono essere attentamente controllati per ottenere un funzionamento silenzioso.
Oltre le prestazioni magnetiche
La qualità dell’impilamento non influisce solo sull’efficienza magnetica. Determina anche:
- Smorzamento strutturale
- Distribuzione dello stress
- Frequenze naturali
Questi fattori influenzano direttamente il modo in cui il motore risponde alle forze di eccitazione e se tali forze si trasformano in rumore udibile o in vibrazioni dannose.
Parametri di impilamento chiave che influenzano il rumore e le vibrazioni
Diversi parametri correlati all’impilamento hanno un impatto diretto e misurabile sulle prestazioni NVH.
Allineamento e concentricità della pila
L’allineamento preciso delle lamiere garantisce un traferro uniforme tra statore e rotore. Il disallineamento causa:
- Forze magnetiche irregolari
- Aumento delle vibrazioni radiali
- Rumore elettromagnetico più elevato
Anche piccole deviazioni nella concentricità possono aumentare notevolmente il rumore, soprattutto nei motori ad alta velocità.
Coerenza della lunghezza dello stack e compressione assiale
Le variazioni nella lunghezza dello stack causano un carico magnetico non uniforme lungo l’asse del motore. Un’eccessiva compressione assiale può:
- Ridurre lo smorzamento interlaminante
- Aumentare la risonanza correlata alla rigidità
Una compressione insufficiente consente micromovimenti tra le laminazioni, generando vibrazioni a bassa frequenza e ronzii udibili.
Contatto interlaminante e micro-gap
I microinterstizi tra le lamine riducono la rigidità strutturale e consentono il movimento relativo sotto l’azione delle forze magnetiche. Questo movimento:
- Converte l’energia elettromagnetica in vibrazione
- Produce rumore tonale a frequenze specifiche
I processi di impilamento che garantiscono un contatto completo della superficie generalmente offrono risultati migliori nei test NVH.
Stress residuo introdotto durante l’impilamento
Le tensioni residue derivano da deformazioni meccaniche, apporto termico o pressione non uniforme durante l’impilamento. Queste tensioni:
- Alterare la permeabilità magnetica
- Spostare le frequenze naturali
- Aumentare la suscettibilità alla risonanza
La gestione dello stress residuo è fondamentale per le applicazioni con motori a bassa rumorosità.
Spiegazione dei processi comuni di impilamento dei motori
Diversi processi di impilamento determinano comportamenti meccanici e acustici distinti. Comprenderne le caratteristiche è essenziale per una scelta consapevole del processo.
Impilamento ad incastro (autobloccante)
L’impilamento ad incastro utilizza elementi stampati come linguette, denti o tacche per bloccare meccanicamente le laminazioni tra loro.
Influenza sul rumore e sulle vibrazioni
L’interblocco garantisce una buona stabilità assiale senza l’aggiunta di materiali. Tuttavia, la deformazione localizzata nei punti di bloccaggio introduce concentrazioni di sollecitazioni che possono distorcere i percorsi del flusso magnetico. Se non progettati con cura, questi punti di sollecitazione possono aumentare il rumore elettromagnetico.
Applicazioni tipiche
Elettrodomestici, motori industriali con requisiti NVH moderati e applicazioni sensibili ai costi.
Saldatura a strati (laser o saldatura a punti)
Le lamiere vengono saldate in punti specifici, spesso sul diametro esterno o sul foro interno. La saldatura laser è comunemente utilizzata per applicazioni di precisione.
Influenza sul rumore e sulle vibrazioni
La saldatura aumenta significativamente la rigidità del pacco, ma introduce zone termicamente alterate e tensioni residue. Queste tensioni possono aumentare la trasmissione delle vibrazioni e alterare le proprietà magnetiche se non adeguatamente controllate.
Applicazioni tipiche
Motori ad alta velocità, motori di trazione per autoveicoli, applicazioni che richiedono elevata resistenza strutturale.
Impilamento incollato (incollaggio con adesivo o vernice)
Le laminazioni vengono incollate utilizzando vernice isolante o adesivo strutturale, solitamente polimerizzati a pressione e temperatura controllate.
Influenza sul rumore e sulle vibrazioni
L’impilamento incollato garantisce un eccellente smorzamento e una distribuzione uniforme delle sollecitazioni. Lo strato incollato assorbe l’energia delle vibrazioni, riducendo la propagazione del rumore. Tuttavia, una resistenza insufficiente dell’incollaggio può compromettere la rigidità.
Applicazioni tipiche
Servomotori, apparecchiature mediche, robotica, motori di precisione a basso rumore.
Rivettatura e fissaggio meccanico
I fissaggi meccanici o i rivetti fissano insieme le lamine, garantendo una compressione assiale.
Influenza sul rumore e sulle vibrazioni
La rivettatura offre una compressione stabile, ma introduce punti di rigidità discreti. Nel tempo, le vibrazioni possono allentare gli elementi di fissaggio se non progettati correttamente, compromettendo la stabilità NVH a lungo termine.
Applicazioni tipiche
Grandi motori industriali, progetti legacy, applicazioni a bassa velocità.
Come i diversi processi di impilamento influenzano il rumore del motore
La generazione di rumore è strettamente legata al modo in cui l’impilamento influisce sulla distribuzione della forza magnetica e sulla risposta strutturale.
Armoniche di forza elettromagnetica
Le irregolarità di impilamento distorcono la geometria del traferro, aumentando il contenuto armonico delle forze elettromagnetiche. Queste armoniche eccitano le modalità dello statore, producendo rumore udibile.
Gli stack incollati mostrano in genere un’amplificazione armonica inferiore a causa della rigidità e dello smorzamento uniformi.
Deformazione della pila e rumore udibile
I processi che comportano un’elevata forza meccanica o un elevato apporto termico possono deformare le lamine. Anche una minima deformazione può causare rumori tonali, spesso percepiti come sibili o ronzii durante il funzionamento.
Sensibilità alla velocità e al carico
A velocità più elevate, le piccole imperfezioni di impilamento si amplificano. Gli stack saldati e interbloccati richiedono un controllo preciso per evitare picchi di rumore in determinati punti operativi.
Come i processi di impilamento influenzano le vibrazioni del motore
Mentre il rumore influisce sulla percezione dell’utente, le vibrazioni incidono sulla durata, sull’affidabilità e sulle prestazioni.
Rigidità strutturale e trasmissione delle vibrazioni
I pacchi saldati sono rigidi e trasmettono le vibrazioni in modo efficiente. I pacchi incollati offrono un migliore smorzamento ma una minore rigidità. La scelta del giusto equilibrio dipende dalla velocità operativa e dal carico.
Squilibrio di stress ed eccentricità del rotore
Le sollecitazioni di impilamento non uniformi possono causare eccentricità del rotore, con conseguente sbilanciamento dell’attrazione magnetica. Ciò produce vibrazioni cicliche difficili da eliminare con il solo bilanciamento.
Risonanza e spostamenti di frequenza naturali
I processi di impilamento influenzano le frequenze naturali del nucleo dello statore. Una rigidità non adeguata può causare risonanza nell’intervallo di velocità di esercizio, aumentando drasticamente i livelli di vibrazione.
Analisi comparativa
| Processo di impilamento | Tendenza del livello di rumore | Smorzamento delle vibrazioni | Rigidità strutturale | Stabilità NVH |
| Interblocco | Medio | Basso | Medio | Moderare |
| Saldatura | Medio-Alto | Basso | Alto | Variabile |
| Legato | Basso | Alto | Medio | Eccellente |
| Avvitante | Medio | Medio | Medio-Alto | Bene |
Considerazioni sull’impilamento specifiche dell’applicazione
Le diverse applicazioni dei motori impongono requisiti NVH distinti.
Motori di trazione per veicoli elettrici
I motori dei veicoli elettrici richiedono:
- Rumore molto basso a basse velocità
- Elevata rigidità ad alta coppia
Per bilanciare resistenza e smorzamento vengono sempre più utilizzati approcci ibridi che combinano saldatura e incollaggio.
Servomotori e robotica
Un movimento di precisione richiede vibrazioni minime. L’impilamento incollato è spesso preferito per le sue eccellenti proprietà di smorzamento e uniformità.
Riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria ed elettrodomestici
La percezione del rumore influenza notevolmente la soddisfazione del consumatore. L’interblocco ottimizzato con sollecitazioni controllate viene comunemente applicato per bilanciare costi e prestazioni NVH.
Motori industriali ad alta velocità
L’integrità strutturale è fondamentale. L’impilamento saldato è predominante, ma è necessaria un’attenta gestione termica e delle sollecitazioni per controllare le vibrazioni.
Come i produttori controllano il rumore e le vibrazioni durante l’impilamento
I principali produttori utilizzano molteplici strategie per ridurre i rischi NVH.
Progettazione di utensili di precisione e stampi
Gli stampi ad alta precisione riducono al minimo le sbavature e le deformazioni, migliorando la consistenza della pila fin dal primo passaggio.
Pressione controllata e stagionatura
Una pressione uniforme garantisce un contatto costante tra le lamine, mentre la polimerizzazione controllata riduce lo stress residuo.
Misurazione e ispezione in linea
I sistemi laser e di visione rilevano in tempo reale l’allineamento, la planarità e le deviazioni della lunghezza della pila.
Trattamenti post-impilamento
La riduzione delle sollecitazioni, l’impregnazione e l’equilibratura dinamica riducono ulteriormente il potenziale di vibrazione.
Scelta del giusto processo di impilamento per motori a basso rumore
Per selezionare il processo di impilamento ottimale è necessario bilanciare prestazioni, costi e scala di produzione.
| Priorità di progettazione | Metodo di impilamento consigliato |
| Rumore più basso | Impilamento incollato |
| Durata ad alta velocità | Saldatura o ibrido |
| Efficienza dei costi | Interblocco |
| Stabilità NVH a lungo termine | Incollato o rivettato |
| Flessibilità del prototipo | Incollato o assistito da laser |
