Sinhroni motori s trajnim magnetom: Dizajn i primjena strukture rotora za rad velikih-brzina u okruženjima visokih-temperatura

U vrhunski-oblastima kao što su vazduhoplovstvo, istraživanje nafte, vrhunska-proizvodnja opreme i vozila nove energije, velike-brzinesinhroni motori s permanentnim magnetima(PMSM) u okruženjima sa visokim-temperaturama postali su ključne komponente pogonskih sistema zbog svojih osnovnih prednosti visoke efikasnosti, uštede energije, velike gustine snage i velike brzine odziva. Kao ključni nosilac za konverziju energije motora, dizajn strukture rotora direktno određuje radnu stabilnost, izlaznu snagu i vijek trajanja motora pod dvostrukim teškim radnim uvjetima visoke temperature (obično se odnosi na radnu temperaturu veću ili jednaku 150 stepeni) i velike brzine (brzina rotacije veća ili jednaka 10000 o/min). Kombinirajući tehničku praksu u industriji i najnovije rezultate istraživanja, ovaj članak daje detalje o osnovnim projektnim tačkama, glavnim tipovima, odabiru materijala i strategijama optimizacije strukture rotora velikih-brzinih PMSM-a u okruženjima visokih-temperatura, pružajući profesionalnu referencu za praktičare u industriji i olakšavajući nadogradnju srodnih tehnologija i implementaciju proizvoda.

Superpozicija visokih{0}temperaturnih i-brzina dvostrukih radnih uslova postavlja tri osnovna stroga zahtjeva za strukturu rotora: prvo, otpornost na visoke temperature i anti-demagnetizaciju. Visoka temperatura će dovesti do slabljenja magnetnih svojstava trajnih magneta, pa čak i do nepovratne demagnetizacije, direktno utičući na izlaznu snagu motora; drugo, anti-centrifugalno i protiv-linjanja. Ogromna centrifugalna sila stvorena velikom -brzinom rotacije vjerovatno će uzrokovati sigurnosne opasnosti kao što su deformacija strukture rotora i raspadanje trajnog magneta; treće, kontrola malih gubitaka i porasta temperature. Gubitak vrtložne struje rotora će se povećavati sa povećanjem brzine rotacije, dalje povećavajući temperaturu, formirajući začarani krug "visoke temperature - gubitka - demagnetizacije". Stoga, dizajn strukture rotora treba da uravnoteži tri osnovna zahtjeva: otpornost na visoke temperature, anti-centrifugalnu silu i male gubitke.

Trenutno, strukture rotora velike-brzinesinhroni motori s permanentnim magnetimaPMSM uređaji pogodni za okruženja sa visokim{0}}temperaturama uglavnom su podijeljeni u tri kategorije: interni-montirani, površinski-montirani i kompozitni. Svaka vrsta konstrukcije ima svoj fokus na logiku dizajna i odabir materijala prema primjenjivim scenarijima, uzimajući u obzir praktičnost i pouzdanost, te pokrivajući potrebe različitih radnih uvjeta visokih{4}}temperatura i velikih-brzina.

Unutrašnja-konstrukcija rotora je najrasprostranjenija vrsta u scenarijima visokih{{1}temperatura i velikih{2}}brzina. Njegova osnovna prednost je u tome što su trajni magneti ugrađeni unutar jezgra rotora, izbjegavajući direktno izlaganje trajnih magneta visoko-temperaturnom okruženju, a istovremeno se oslanjajući na strukturu jezgra kako bi se poboljšala mehanička čvrstoća rotora i oduprla visokoj{5}}brzi centrifugalnoj sili. Ova struktura se dalje može podijeliti na ugrađene i unutrašnje magnetne barijere. Ugrađena struktura fiksira trajne magnete kroz proreze na jezgru rotora i ojačava ih ljepilima otpornim na visoke-temperature kako bi se spriječilo pomicanje trajnih magneta tokom -brzine rotacije; struktura unutrašnje magnetne barijere blokira put vrtložnih struja postavljanjem više slojeva magnetnih barijera, smanjuje gubitak vrtložne struje rotora, snižava amplitudu porasta temperature i istovremeno poboljšava učinak magnetne zaštite kako bi zaštitio trajne magnete od vanjskih smetnji magnetskog polja.

Unutrašnja-konstrukcija rotora je pogodna za scenarije sa brzinom rotacije od 10000-30000r/min i radnom temperaturom od 150-250 stepeni, kao što su motori koji podržavaju aero{6}}motore i motore pumpi visoke{7} temperature. Što se tiče odabira materijala, jezgro rotora uglavnom usvaja niske-ne-orijentirane silikonske čelične ploče od 0,2 mm ili manje, kao što je Baosteel B20AT1200, što može efikasno smanjiti gubitak jezgre; trajni magneti preferiraju magnetni čelik od samarijuma{{14}kobalta (SmCo) visoke{13}temperature ili magnetni čelik od neodimijuma-gvožđa{{19}bor (NdFeB) visoke{15}vrste temperature. Među njima, SmCo magnetni čelik ima Curie temperaturu od 700-800 stepeni, što može efikasno izbjeći visokotemperaturnu demagnetizaciju i zadovoljiti potrebe srednjih i visokotemperaturnih scenarija.

Površinski{0}}konstrukcija rotora ima dizajn u kojem se permanentni magneti direktno lijepe na površinu rotora, što ima prednosti jednostavne strukture, visoke efikasnosti magnetnog spajanja i velike gustine snage, te je pogodno za scenarije velike-brzine i velike{2}}gustine snage i visoke{3}temperature. Kako bi odgovorila na izazove visoke temperature i velike brzine, ova struktura se mora fokusirati na rješavanje problema fiksacije trajnih magneta i anti-demagnetizacije: trajni magneti se biraju od SmCo magnetnog čelika sa odličnom otpornošću na visoke-temperature ili novih magneta od samarija-gvožđa-azota (SmFeN). Među njima, SmFeN magneti imaju Curie temperaturu čak 470 stepeni, i dalje mogu održavati jak magnetizam iznad 200 stepeni i mogu postići stabilan rad na visokim temperaturama bez teških retkih zemalja; u isto vrijeme, na površinu trajnih magneta je omotan zaštitni rukav visoke{12}}vrste, uglavnom koristeći kompozitne navlake od karbonskih vlakana, čija je vlačna čvrstoća 3-5 puta veća od tradicionalnih metala, i nije-magnetna i ne-ne{16}}e, centrifugalna, efikasna, otporna na visoko strujno provodljivost, gubitak i smanjiti porast temperature.

Osim toga, površinski{0}}montirana struktura rotora može dodatno smanjiti gubitke vrtložnih struja i optimizirati efekt rasipanje topline otvaranjem obodnih plitkih žljebova na rukavu i dodavanjem bakrenih zaštitnih prstenova između trajnih magneta i rukavca. Pogodan je za scenarije sa brzinom rotacije od 20000-40000r/min i radnom temperaturom od 180-300 stepeni, kao što su motori za pogon novih vozila i motori za podršku kompresora velike brzine.

Kompozitna struktura rotora je optimizovan dizajn koji kombinuje prednosti unutrašnjih{0}}i površinski{1}}montiranih struktura. Njegovo jezgro je da se dio trajnih magneta ugradi u jezgro rotora, a dio zalijepi na površinu rotora, uzimajući u obzir mehaničku čvrstoću i magnetske performanse. Jezgro rotora ove strukture je napravljeno od silikonskih čeličnih limova otpornih na visoke-temperature ili laminiranih mekih magnetnih kompozita (SMC). SMC materijal ima izotropnu magnetnu permeabilnost, koja može efikasno potisnuti gubitak visokofrekventnih vrtložnih struja i pogodan je za scenarije velike-brzine i visoke{8}}frekvencije; ugrađeni trajni magneti se koriste za poboljšanje kapaciteta preopterećenja motora, a površinski{9}}montirani trajni magneti se koriste za poboljšanje gustine snage, a gubitak vrtložne struje se smanjuje optimizacijom dizajna magnetnog kola.

Da bi se dodatno poboljšala otpornost na visoke-temperature, kompozitna struktura rotora je obično opremljena ugrađenim-kanalima za hlađenje, a tehnologija hlađenja ulja koristi se za uvođenje rashladne tekućine u rotor kako bi se istovremeno ohladili magnetni čelik i ležajevi, efektivno kontrolirajući temperaturu rotora, što je pogodno za radnu temperaturu od 200-300 stepeni.