Šest ključnih tehnologij za motorje z visokimi hitrostmi

Šest ključnih tehnologij za visokohitrostne motorje

»Zaradi prizadevanja za manjšo velikostjo in večjo močjo je hitrost motorja vseskozi naraščala, od dva ali tri tisoč vrtljajev v prvih dneh, vse do deset tisoč do sto tisoč vrtljajev, in večja hitrost je izboljšala gostoto moči in izkoristek surovin." Zato so visoke hitrosti močan trend, če vzamemo za primer nov energetski pogon, je največja hitrost prve generacije Toyote Prius le 6000 vrt/min, hitrost izdelka četrte generacije pa doseže 17000 vrt/min. V tej številki gledamo z višje perspektive na uporabo vrtilnih motorjev in ključne tehnologije, ki stojijo za njimi. "

Visoke hitrosti in ultravisoke hitrosti imajo široke možnosti uporabe, vendar hkrati prinašajo izjemno visoke izzive za motor, te težave združujemo v isto kategorijo in ugotavljamo, da obstaja šest kategorij: odvajanje toplote, izbira, struktura rotorja, hrup vibracij , učinkovita zasnova, ležaji.

 

01. Problem odvajanja toplote

 

Izguba motorja se poveča z geometrijskim številom vrtljajev, toplota, ki nastane zaradi velike izgube, pa izjemno hitro poveča dvig temperature motorja; da bi ohranili delovanje pri visoki hitrosti, je treba oblikovati način hlajenja z dobrim odvajanjem toplote. Vidimo lahko, da so običajne metode hlajenja motorja z visoko hitrostjo:

 

"Notranje prisilno hlajenje z zrakom", kot je prikazano na spodnji sliki, lahko močan hladen zrak neposredno piha v motor, da odvzame toploto na navitju in jedru, ta način se običajno pojavi v zračnih kompresorjih, puhalih, letalskih motorjih in drugih primerih, kjer je močan veter se lahko uporablja.

2 "notranje oljno hlajenje" V okolju uporabe, kjer mora biti motor zaprt in zaščiten ali pred močnim vetrom, se najpogosteje uporablja metoda notranjega hlajenja olja, kot je kombinacija hlajenja olja v utoru statorja, ki se uporablja pri visoki vrtilni motor, ki ga je oblikoval AVL. Nekateri motorji uporabljajo tudi kombinacijo hlajenja z vbrizgavanjem olja za navijanje, hlajenja statorskega olja in hlajenja olja rotorja itd.

Da bi dosegli visoko gostoto moči, sta proizvodnja toplote in hlajenje pomembni vprašanji, s katerimi se morajo soočiti motorji z visokimi hitrostmi.

 

02. Težava pri izbiri motorja

 

Motor s trajnim magnetom ali indukcijski motor? Ne glede na to, ali gre za druge vrste motorjev, kot je preklopni upor, je bila izbira vrste motorja z visoko hitrostjo vedno vprašanje brez standardnega odgovora. Na splošno je z vidika gostote moči in učinkovitosti prednostno izbrati motorje s trajnimi magneti, medtem ko so indukcijski motorji in reluktančni motorji izbrani glede na zanesljivost. Vendar pa je zaradi velikega hrupa vibracij uporaba preklopnega odpora manjša.

 

 

Spodnja slika prikazuje zakon porazdelitve vrste visokohitrostnih motorjev pri različnih hitrostih in močeh, "moč * vrednost hitrosti" motorja pa je narisana kot konturna krivulja in lahko najdemo nekaj splošnega konteksta: "V ultravisokih aplikacij, indukcijski motorji so večina, indukcijski motorji in motorji s trajnimi magneti pa soobstajajo v aplikacijah z visoko hitrostjo. Dokler upoštevamo to načelo, lahko izberemo vrsto motorja glede na potrebe znotraj ponudbe.

03. Težave s strukturo rotorja

 

Centrifugalna napetost, ki jo mora premagati struktura rotorja visokohitrostnega motorja, se na splošno uporablja v območju "visokih hitrosti", kovinski ovoj, struktura samega rotorja (kot je ribje okostje lpm, struktura rotorja IM) , itd., in navitje iz ogljikovih vlaken se uporablja v območju "ultra-visokih hitrosti" ali preprosto naredite rotor v trdno integrirano strukturo, kot je motor vztrajnika za shranjevanje energije.

Večina visokohitrostnih motorjev s trajnim magnetom uporablja strukturo ovoja rotorja, ta zasnova pa je tudi zelo posebna, to je za zaščito trajnega magneta in preprečevanje okvare ovoja. Zato se poskušajte izogniti koncentraciji napetosti, kot je prikazano na spodnji sliki, če magnet ne zapolni celotnega oboda, bo koncentracija napetosti na ovoju in magnetu, zato motor s trajnim magnetom visoke hitrosti uporablja celoten obroč magnet, če ne celoten obroč, se uporablja tudi za zapolnitev oboda.

04. Problem vibracijskega hrupa

 

Problem hrupa tresljajev je velika ovira za visokohitrostne motorje. V primerjavi z navadnimi motorji obstajajo težave z vibracijami, ki jih povzroča dinamika rotorja, kot je problem kritične hitrosti rotorja in problem deformacijskih vibracij gredi. Obstaja tudi problem zavijanja, ki ga povzroča visokofrekvenčna elektromagnetna sila, in frekvenca elektromagnetne sile hitrega motorja je višja, razpon porazdelitve je širši in enostavno je spodbuditi resonanco statorskega sistema.

Da bi se izognili tresljajem pri kritični hitrosti, je zasnova rotorja visokohitrostnih motorjev zelo kritična in zahteva strogo modalno analizo in testiranje. Razmerje med dolžino in premerom je treba uporabiti kot optimizacijsko spremenljivko pri zasnovi: zasnova rotorja je predebela in kratka, kar lahko poveča zgornjo mejo kritične hitrosti in ni nagnjeno k resonanci, vendar je težava rotorja za premagovanje povečanja centrifugalne napetosti. Po drugi strani je zasnova rotorja vitka, problem centrifugalne trdnosti je izboljšan, vendar se kritična hitrost premakne, poveča se verjetnost resonance in zmanjša se tudi elektromagnetna moč. Zato je treba zasnovo rotorja večkrat uravnotežiti, kar je glavna prednostna naloga zasnove visokohitrostnega motorja.

 

 

05. Učinkovita vprašanja

 

Izguba motorja se povečuje z geometrijskim številom vrtljajev, zaradi visokih izgub se učinkovitost motorja hitro zmanjša, da bi dosegli visoko učinkovitost, je treba upravljati z vsemi vrstami izgub. Če na primer vzamemo porabo železa, se za zmanjšanje izgube zaradi vrtinčnih tokov običajno uporabljajo ultratanke pločevine iz silicijevega jekla 0.10 mm in 0,08 mm. Izjemno tanke rezine lahko zmanjšajo izgube zaradi vrtinčnih tokov, ne morejo pa izboljšati izgub zaradi histereze, zato izguba železne histereze ultratankih plošč predstavlja večino, medtem ko izguba zaradi vrtinčnih tokov pri običajnih ploščah predstavlja večino. Za izboljšanje histerezne izgube lahko začnete na naslednje tri načine:

 

1. Optimizirajte zasnovo magnetnega vezja, da izboljšate sinusoidnost magnetnega polja in zmanjšate harmonično porabo železa;

2. Zmanjšajte magnetno obremenitev, povečajte toplotno obremenitev in zmanjšajte osnovno porabo železa;

3. Izhajajoč iz izbire materiala, izberite silicijeve jeklene pločevine z majhno izgubo zaradi histereze.

Poleg porabe železa motorji z visokimi hitrostmi namenjajo posebno pozornost tudi izgubam izmeničnega toka, ki jih povzroča prodiranje suhih visokofrekvenčnih izmeničnih magnetnih polj, ki se pogosto pojavljajo zunaj magneta, kovinskega ovoja in površin navitja statorja. Če za primer vzamemo AC izgubo magneta, je običajno uporabljena metoda razdelitev magneta na več segmentov, ki so lahko radialni segmenti ali aksialni segmenti. Segmentacija lahko zmanjša območje kroženja vrtinčnega toka in zmanjša izgubo izmeničnega toka, spodnja slika je simulacija polja vrtinčnega toka po segmentaciji, razvidno je, da bolj kot so segmentirani delci, manjša je izguba izmeničnega toka. Več je rešitev kot segmentacija, ki so prostorsko omejene in se ne širijo.

Komponento magnetnega polja z najvišjo frekvenco v visokohitrostnem motorju uvede nosilec PWM pretvornika, ker načelo delovanja impulzne modulacije neizogibno proizvaja visokofrekvenčne tokovne harmonike, ki nadalje proizvajajo visokofrekvenčno magnetno polje , in visokofrekvenčno magnetno polje prodre v površino magneta ter statorja in rotorja, da povzroči visokofrekvenčno izgubo. Nekateri visokohitrostni motorji uporabljajo večnivojsko pogonsko strukturo za izboljšanje harmonikov stranskega pasu PWM.

06. Težave z ležaji

Izbira ležajev motorjev z visokimi hitrostmi je ključno vprašanje in na splošno obstajajo štiri kategorije magnetne levitacije, zračni ležaji, drsni mehanski ležaji in kroglični mehanski ležaji. Magnetni ležaji se uporabljajo v aplikacijah z večjo močjo, zračni ležaji pa v aplikacijah z manjšo močjo in velikostjo. Mehanski ležaji pogosto zahtevajo mazanje z oljem in so omejeni pri številnih aplikacijah brez olja.

Še vedno je veliko ključnih problemov in tehnologij visokohitrostnih motorjev, te probleme pa je treba obvladovati hkrati, kar je relativno veliko in težko v primerjavi z navadnimi motorji. Potreba po sprejetju zasnove multifizičnega sklopa sila-magnetno-termično-NVH je nov izziv in nova priložnost.

Ta članek predstavlja osem kategorij aplikacij in šest ključnih tehnologij visokohitrostnih motorjev. Na splošno so visokohitrostni motorji obetavna in tehnično zahtevna aplikacija. Nekatere tehnologije se zdijo daleč stran od nas, a z vidika razvoja vidimo, da se je razvijala žilica »plitke visoke hitrosti – srednje visoke hitrosti – ultra ultra visoke hitrosti«. V primerjavi s pred desetimi leti so 10,000 ali 20,000 rotacijski motorji zdaj običajni. Zato je visoka hitrost "dolgoročnost" in bo počasi spremenila vzorec industrije. Ne glede na to, ali gre za iskanje priložnosti na novih področjih ali za izboljšanje konkurenčnosti obstoječih izdelkov, je tehnologija visokih hitrosti področje, vredno dolgoročne naložbe.