Šest ključnih tehnologija za motore velikih brzina

Šest ključnih tehnologija za motore velike brzine

"Potaknut težnjom za manjom veličinom i većom snagom, brzina motora se popela skroz, od dvije ili tri tisuće okretaja u ranim danima, sve do desetaka tisuća do stotina tisuća okretaja, a veća brzina je poboljšala gustoću snage i iskoristivost sirovina." Stoga je velika brzina jak trend, uzimajući novi energetski pogon kao primjer, maksimalna brzina prve generacije Toyote Prius je samo 6000 o/min, a brzina proizvoda četvrte generacije doseže 17000 o/min. U ovom izdanju gledamo iz više perspektive na primjenu brzinskih motora i ključne tehnologije iza njih. "

Velika brzina i ultra velika brzina imaju široke izglede za primjenu, ali u isto vrijeme donose iznimno velike izazove motoru, kombiniramo te probleme u istu kategoriju i nalazimo da postoji šest kategorija: rasipanje topline, odabir, struktura rotora, buka vibracija , učinkovit dizajn, ležajevi.

 

01. Problem odvođenja topline

 

Gubitak motora raste s geometrijskim brojem brzina, a toplina nastala velikim gubitkom izuzetno brzo povećava porast temperature motora, kako bi se održao rad velike brzine, potrebno je dizajnirati metodu hlađenja s dobrom disipacijom topline. Vidimo da su uobičajene metode hlađenja motora velike brzine:

 

"Unutarnje prisilno hlađenje zrakom", kao što je prikazano na donjoj slici, jak hladan zrak može izravno puhati u motor kako bi oduzeo toplinu na namotu i jezgri, ovaj se način općenito pojavljuje u zračnim kompresorima, puhalima, motorima zrakoplova i drugim prilikama gdje je jak vjetar se može koristiti.

2 "unutarnje hlađenje uljem" U okruženju primjene gdje motor mora biti zatvoren i zaštićen, ili od jakog vjetra, najčešće se koristi metoda unutarnjeg hlađenja uljem, kao što je kombinacija hlađenja uljem u utoru statora koji se koristi u visokom brzinski motor koji je dizajnirao AVL. Neki motori također koriste kombinaciju hlađenja ubrizgavanjem ulja namota plus hlađenje uljem statora plus hlađenje uljem rotora i tako dalje.

Kako bi se postigla velika gustoća snage, stvaranje topline i hlađenje važna su pitanja s kojima se motori velike brzine moraju suočiti.

 

02. Problem odabira motora

 

Motor s trajnim magnetom ili indukcijski motor? Bilo da se radi o drugim vrstama motora kao što je sklopljena otpornost, izbor tipa motora velike brzine uvijek je bio pitanje bez standardnog odgovora. Općenito, iz perspektive gustoće snage i učinkovitosti, prednost je odabrati motore s trajnim magnetima, dok se indukcijski motori i reluktantski motori biraju prema pouzdanosti. Međutim, zbog velike vibracijske buke, primjena prekidačke otpornosti je manja.

 

 

Donja slika je zakon raspodjele tipa motora velike brzine pri različitim brzinama i snagama, a "snaga * vrijednost brzine" motora nacrtana je kao konturna krivulja, a možemo pronaći opći kontekst: "U ultra-visokim primjene, indukcijski motori su većina, a indukcijski motori i motori s permanentnim magnetima koegzistiraju u primjenama velikih brzina". Sve dok se poštuje ovo načelo, možemo odabrati vrstu motora prema potrebama unutar asortimana.

03. Problemi sa strukturom rotora

 

Centrifugalni stres koji struktura rotora motora velike brzine mora savladati općenito se koristi u rasponu "velikih brzina", metalni omotač, struktura samog rotora (kao što je riblji kostur lpm, struktura rotora IM) , itd., a namot od ugljičnih vlakana koristi se u rasponu "ultra-brzina", ili jednostavno napraviti rotor u čvrstu integriranu strukturu, kao što je motor zamašnjaka za pohranu energije.

Većina brzih motora s permanentnim magnetom koristi strukturu omotača rotora, a ovaj je dizajn također vrlo poseban, odnosno štiti permanentni magnet i sprječava kvar omotača. Stoga pokušajte izbjeći koncentraciju naprezanja, kao što je prikazano na donjoj slici, ako magnet ne ispuni cijeli obod, doći će do koncentracije naprezanja na omotaču i magnetu, zbog čega motor s permanentnim magnetom velike brzine koristi cijeli prsten magnet, ako ne i cijeli prsten također se koristi za ispunjavanje opsega.

04. Problem vibracijske buke

 

Problem buke od vibracija glavna je prepreka za motore velike brzine. U usporedbi s običnim motorima, postoje problemi s vibracijama uzrokovani dinamikom rotora, kao što je problem kritične brzine rotora i problem vibracija otklona osovine. Postoji i problem zavijanja uzrokovanog visokofrekventnom elektromagnetskom silom, a frekvencija elektromagnetske sile motora velike brzine je veća, raspon distribucije je širi i lako je stimulirati rezonanciju statorskog sustava.

Kako bi se izbjegle vibracije kritične brzine, dizajn rotora motora velike brzine je vrlo kritičan i zahtijeva rigoroznu modalnu analizu i testiranje. Omjer duljine i promjera treba se koristiti kao optimizacijska varijabla u dizajnu: dizajn rotora je predebeo i kratak, što može povećati gornju granicu kritične brzine i nije sklon rezonanciji, ali poteškoća s rotora za prevladavanje centrifugalnog naprezanja raste. S druge strane, dizajn rotora je vitak, problem centrifugalne čvrstoće je poboljšan, ali kritična brzina je pomaknuta, vjerojatnost rezonancije se povećava, a elektromagnetska snaga će se također smanjiti. Stoga dizajn rotora treba više puta balansirati, što je glavni prioritet dizajna motora velike brzine.

 

 

05. Učinkovita pitanja

 

Gubitak motora raste s geometrijskim brojem brzina, veliki gubici čine da učinkovitost motora brzo opada, kako bi se postigla visoka učinkovitost, potrebno je upravljati svim vrstama gubitaka. Uzimajući potrošnju željeza kao primjer, kako bi se smanjio gubitak vrtložnih struja, općenito se koriste ultra-tanki silikonski čelični limovi od 0.10 mm i 0.08 mm. Ultra-tanke pločice mogu smanjiti gubitke vrtložne struje, ali ne mogu poboljšati gubitke histereze, tako da gubitak željezne histereze ultratankih limova čini većinu, dok gubitak vrtložnih struja u običnim limovima čini većinu. Da biste poboljšali gubitak histereze, možete krenuti od sljedeća tri načina:

 

1. Optimizirajte dizajn magnetskog kruga kako biste poboljšali sinusoidnost magnetskog polja i smanjili harmonijsku potrošnju željeza;

2. Smanjite magnetsko opterećenje, povećajte toplinsko opterećenje i smanjite temeljnu potrošnju željeza;

3. Polazeći od odabira materijala, odaberite silikonske čelične ploče s malim gubitkom histereze.

Uz potrošnju željeza, motori velike brzine također obraćaju posebnu pozornost na AC gubitke, koji su uzrokovani prodorom suhih visokofrekventnih izmjeničnih magnetskih polja, koja se često pojavljuju izvan magneta, metalnog plašta i površina namota statora. Uzimajući AC gubitak magneta kao primjer, uobičajeno korištena metoda je podjela magneta na više segmenata, koji mogu biti radijalni segmenti ili aksijalni segmenti. Segmentacija može smanjiti područje kruženja vrtložnih struja i smanjiti gubitak izmjenične struje, slika ispod je simulacija polja vrtložne struje nakon segmentacije, može se vidjeti da što je više segmentiranih čestica, manji je gubitak izmjenične struje. Postoji više rješenja od segmentacije, koja su ograničena prostorom i ne šire se.

Komponentu magnetskog polja s najvećom frekvencijom u brzom motoru uvodi PWM nosač pretvarača, jer princip rada pulsne modulacije neizbježno proizvodi visokofrekventne strujne harmonike, koji zauzvrat dalje proizvode visokofrekventno magnetsko polje , a visokofrekventno magnetsko polje prodire u površinu magneta i statora i rotora stvarajući visokofrekventni gubitak. Neki motori velike brzine koriste pogonsku strukturu s više razina za poboljšanje PWM bočnih harmonika.

06. Problemi s ležajem

Odabir ležaja motora velike brzine ključno je pitanje, a općenito postoje četiri kategorije magnetske levitacije, zračni ležajevi, klizni mehanički ležajevi i kuglični mehanički ležajevi. Magnetski ležajevi koriste se u aplikacijama veće snage, a zračni ležajevi koriste se u aplikacijama manje snage i veličine. Mehanički ležajevi često zahtijevaju podmazivanje uljem i ograničeni su u mnogim primjenama bez ulja.

Još uvijek postoje mnogi ključni problemi i tehnologije motora velikih brzina, a tim problemima treba upravljati u isto vrijeme, što je relativno visoko i teško u usporedbi s običnim motorima. Potreba za usvajanjem dizajna multifizičke sprege sila-magnetsko-termalno-NVH novi je izazov i nova prilika.

Ovaj članak uvodi osam kategorija primjena i šest ključnih tehnologija motora velike brzine. Općenito, motori velike brzine su obećavajuća i tehnički zahtjevna primjena. Neke tehnologije se čine daleko od nas, ali iz perspektive razvoja vidimo da se žila kucavica "plitke velike brzine - srednje velike brzine - ultra ultra velike brzine" razvija. U usporedbi s prije deset godina, 10,000 ili 20,000 rotacijski motori sada su uobičajeni. Stoga je velika brzina "dugoročnost" i polako će promijeniti obrazac industrije. Stoga, bilo da se radi o traženju prilika u novim područjima ili poboljšanju konkurentnosti postojećih proizvoda, tehnologija velike brzine je područje vrijedno dugoročnog ulaganja.