Šesť kľúčových technológií pre vysokorýchlostné motory

Šesť kľúčových technológií pre vysokorýchlostné motory

„V dôsledku snahy o menšiu veľkosť a vyšší výkon sa rýchlosť motora vyšplhala úplne hore, z dvoch alebo troch tisíc otáčok v prvých dňoch až po desaťtisíce až státisíce otáčok. vyššia rýchlosť zlepšila hustotu výkonu a využitie surovín." Vysoká rýchlosť je preto silným trendom, pričom ako príklad si vezmeme nový energetický pohon, maximálna rýchlosť prvej generácie Toyoty Prius je len 6000 ot./min a rýchlosť produktu štvrtej generácie dosahuje 17000 ot./min. V tomto vydaní sa pozrieme z vyššej perspektívy na aplikáciu rýchlostných motorov a kľúčové technológie, ktoré sa za nimi skrývajú. "

Vysoká rýchlosť a ultra vysoká rýchlosť majú široké možnosti použitia, ale zároveň prinášajú extrémne vysoké výzvy pre motor, tieto problémy spájame do rovnakej kategórie a zisťujeme, že existuje šesť kategórií: rozptyl tepla, výber, štruktúra rotora, hluk vibrácií , efektívny dizajn, ložiská.

 

01. Problém rozptylu tepla

 

Strata motora rastie s geometrickým počtom otáčok a teplo generované vysokou stratou extrémne rýchlo zvyšuje nárast teploty motora, aby sa zachovala vysokorýchlostná prevádzka, je potrebné navrhnúť spôsob chladenia s dobrým odvodom tepla. Vidíme, že bežné vysokorýchlostné spôsoby chladenia motora sú:

 

"Vnútorné nútené chladenie vzduchom", ako je znázornené na obrázku nižšie, silný studený vzduch môže priamo vháňať do motora, aby odobral teplo na vinutí a jadre, týmto spôsobom sa zvyčajne vyskytuje vo vzduchových kompresoroch, dúchadlách, leteckých motoroch a iných príležitostiach, kde je silný možno použiť vietor.

2 „vnútorné chladenie oleja“ V aplikačnom prostredí, kde musí byť motor uzavretý a chránený, alebo pri silnom vetre, je najpoužívanejší spôsob vnútorného chladenia oleja, ako je kombinácia chladenia oleja v drážke statora používaná vo vysoko- rýchlostný motor navrhnutý AVL. Niektoré motory tiež využívajú kombináciu chladenia vstrekovaním oleja vinutia plus chladenia statorového oleja plus chladenia rotorového oleja atď.

Aby sa dosiahla vysoká hustota výkonu, tvorba tepla a chladenie sú dôležité problémy, ktorým musia čeliť vysokorýchlostné motory.

 

02. Problém s výberom motora

 

Motor s permanentným magnetom alebo indukčný motor? Či už ide o iné typy motorov, ako je spínaná reluktancia, výber typu vysokorýchlostného motora bol vždy otázkou bez štandardnej odpovede. Vo všeobecnosti je z hľadiska hustoty výkonu a účinnosti výhodné voliť motory s permanentnými magnetmi, zatiaľ čo indukčné motory a spínané reluktančné motory sa vyberajú podľa spoľahlivosti. Avšak kvôli veľkému hluku vibrácií je aplikácia spínanej reluktancie menšia.

 

 

Na obrázku nižšie je zákon rozloženia typov vysokorýchlostných motorov pri rôznych rýchlostiach a výkonoch a „hodnota výkonu * otáčok“ motora je nakreslená ako obrysová krivka a môžeme nájsť nejaký všeobecný kontext: „V ultravysokých V aplikáciách je väčšina indukčných motorov a vo vysokorýchlostných aplikáciách koexistujú indukčné motory a motory s permanentnými magnetmi“. Pri dodržaní tohto princípu si môžeme vybrať typ motora podľa potrieb v rámci sortimentu.

03. Problémy so štruktúrou rotora

 

Odstredivé napätie, ktoré musí štruktúra rotora vysokorýchlostného motora prekonať, sa vo všeobecnosti používa v „vysokorýchlostnom“ rozsahu, kovový plášť, samotná konštrukcia rotora (ako je kostra ryby lpm, štruktúra rotora IM) , atď., a vinutie z uhlíkových vlákien sa používa v "ultra-vysokorýchlostnom" rozsahu, alebo jednoducho urobte z rotora pevnú integrovanú štruktúru, ako je motor zotrvačníka na akumuláciu energie.

Väčšina vysokorýchlostných motorov s permanentným magnetom využíva štruktúru plášťa rotora a tento dizajn je tiež veľmi špecifický, to znamená, že chráni permanentný magnet a zabraňuje zlyhaniu plášťa. Preto sa snažte vyhnúť koncentrácii napätia, ako je znázornené na obrázku nižšie, ak magnet nevyplní celý obvod, dôjde k koncentrácii napätia na plášti a magnete, a preto vysokorýchlostný motor s permanentným magnetom používa celý krúžok magnet, ak nie kompletný krúžok sa používa aj na vyplnenie obvodu.

04. Problém vibračného hluku

 

Problém vibračného hluku je hlavnou prekážkou pre vysokorýchlostné motory. V porovnaní s bežnými motormi existujú problémy s vibráciami spôsobené dynamikou rotora, ako je problém s kritickou rýchlosťou rotora a problém s vychyľovaním hriadeľa. Existuje tiež problém kvílenia spôsobeného vysokofrekvenčnou elektromagnetickou silou a frekvencia elektromagnetickej sily vysokorýchlostného motora je vyššia, rozsah distribúcie je širší a je ľahké stimulovať rezonanciu statorového systému.

Aby sa predišlo vibráciám pri kritických otáčkach, je konštrukcia rotora vysokorýchlostných motorov veľmi kritická a vyžaduje si prísnu modálnu analýzu a testovanie. Pomer dĺžky k priemeru je potrebné použiť ako optimalizačnú premennú v návrhu: konštrukcia rotora je príliš hrubá a krátka, čo môže zvýšiť hornú hranicu kritickej rýchlosti a nie je náchylné na rezonanciu, ale je ťažké rotor na prekonanie odstredivého namáhania sa zvyšuje. Na druhej strane je konštrukcia rotora štíhla, problém odstredivej sily je zlepšený, ale kritická rýchlosť je posunutá, pravdepodobnosť rezonancie sa zvyšuje a elektromagnetický výkon sa tiež znižuje. Preto je potrebné konštrukciu rotora opakovane vyvažovať, čo je najvyššia priorita konštrukcie vysokorýchlostného motora.

 

 

05. Efektívne otázky

 

Strata motora sa zvyšuje s geometrickým počtom otáčok, vysoké straty rýchlo znižujú účinnosť motora, aby sa dosiahla vysoká účinnosť, musia sa zvládnuť všetky druhy strát. Ak si vezmeme ako príklad spotrebu železa, na zníženie strát vírivými prúdmi sa všeobecne používajú ultratenké plechy z kremíkovej ocele s hrúbkou 0,10 mm a 0,08 mm. Ultratenké doštičky môžu znížiť straty vírivými prúdmi, ale nemôžu zlepšiť straty hysterézy, takže strata hysterézy železa ultratenkých plechov predstavuje väčšinu, zatiaľ čo strata vírivým prúdom v bežných plechoch predstavuje väčšinu. Ak chcete zlepšiť stratu hysterézy, môžete začať týmito tromi spôsobmi:

 

1. Optimalizujte dizajn magnetického obvodu, aby ste zlepšili sínusoidu magnetického poľa a znížili spotrebu harmonického železa;

2. Znížte magnetické zaťaženie, zvýšte tepelné zaťaženie a znížte základnú spotrebu železa;

3. Začnite výberom materiálu a vyberte plechy z kremíkovej ocele s malou hysteréznou stratou.

Rýchlobežné motory okrem spotreby železa venujú zvýšenú pozornosť aj stratám striedavého prúdu, ktoré sú spôsobené prenikaním suchých vysokofrekvenčných striedavých magnetických polí, často sa vyskytujúcich mimo magnetu, kovového plášťa a plôch vinutia statora. Ak vezmeme ako príklad AC stratu magnetu, bežne používanou metódou je rozdelenie magnetu na viacero segmentov, ktorými môžu byť radiálne segmenty alebo axiálne segmenty. Segmentácia môže znížiť oblasť cirkulácie vírivých prúdov a znížiť stratu striedavého prúdu, obrázok nižšie je simulácia poľa vírivých prúdov po segmentácii, je možné vidieť, že čím viac segmentovaných častíc, tým menšia strata striedavého prúdu. Existuje viac riešení ako segmentácia, ktoré sú obmedzené priestorom a nerozširujú sa.

Zložka magnetického poľa s najvyššou frekvenciou vo vysokorýchlostnom motore je zavedená nosičom PWM meniča, pretože pracovný princíp pulznej modulácie nevyhnutne vytvára vysokofrekvenčné prúdové harmonické, ktoré ďalej vytvárajú vysokofrekvenčné magnetické pole. a vysokofrekvenčné magnetické pole preniká do povrchu magnetu a statora a rotora a vytvára vysokofrekvenčnú stratu. Niektoré vysokorýchlostné motory používajú viacúrovňovú štruktúru pohonu na zlepšenie harmonických v bočnom pásme PWM.

06. Problémy s ložiskami

Výber ložísk vysokorýchlostných motorov je kľúčovou otázkou a vo všeobecnosti existujú štyri kategórie magnetickej levitácie, vzduchových ložísk, klzných mechanických ložísk a guľkových mechanických ložísk. Magnetické ložiská sa používajú v aplikáciách s vyšším výkonom a vzduchové ložiská sa používajú v aplikáciách s menším výkonom a veľkosťou. Mechanické ložiská často vyžadujú mazanie olejom a v mnohých bezolejových aplikáciách sú obmedzené.

Kľúčových problémov a technológií vysokootáčkových motorov je stále veľa a tieto problémy je potrebné zároveň zvládať, čo je v porovnaní s bežnými motormi pomerne vysoké a náročné. Potreba prijať dizajn multifyzikálnej väzby sily-magnetickej-tepelnej-NVH je novou výzvou a novou príležitosťou.

Tento článok predstavuje osem kategórií aplikácií a šesť kľúčových technológií vysokorýchlostných motorov. Vo všeobecnosti sú vysokorýchlostné motory sľubnou a technicky náročnou aplikáciou. Niektoré technológie sa nám zdajú byť vzdialené, no z pohľadu vývoja vidíme, že sa rozvíjala línia „plytká vysoká rýchlosť – stredná vysoká rýchlosť – ultra-ultra vysoká rýchlosť“. V porovnaní s pred desiatimi rokmi sú dnes 10,{9}} alebo 20{11}} rotačné motory bežné. Preto je vysoká rýchlosť „dlhodobým prístupom“ a pomaly zmení štruktúru odvetvia. Preto, či už ide o hľadanie príležitostí v nových oblastiach alebo zlepšenie konkurencieschopnosti existujúcich produktov, vysokorýchlostná technológia je oblasťou hodnou dlhodobej investície.