Šest ključnih tehnologija za brze motore

Šest ključnih tehnologija za motore velike brzine

„Potaknuta težnjom za manjom veličinom i većom snagom, brzina motora se penjala cijelim putem, od dvije ili tri hiljade okretaja u ranim danima, pa sve do desetina hiljada do stotina hiljada okretaja, a veća brzina je poboljšala gustinu snage i korištenje sirovina." Stoga je velika brzina snažan trend, uzimajući za primjer novi energetski pogon, maksimalna brzina prve generacije Toyote Prius je samo 6000 o/min, a brzina četvrte generacije proizvoda dostiže 17000 o/min. U ovom broju razmatramo primjenu brzih motora i ključne tehnologije iza njih. "

Velika brzina i ultra velika brzina imaju široku perspektivu primjene, ali u isto vrijeme donose izuzetno velike izazove motoru, mi kombinujemo ove probleme u istu kategoriju i otkrivamo da postoji šest kategorija: rasipanje topline, odabir, struktura rotora, buka vibracija , efikasan dizajn, ležajevi.

 

01. Problem disipacije toplote

 

Gubitak motora raste s geometrijskim brojem brzina, a toplina nastala velikim gubicima izuzetno brzo povećava porast temperature motora, da bi se održao rad velike brzine, potrebno je dizajnirati metodu hlađenja s dobrim odvođenjem topline. Možemo vidjeti da su uobičajene metode hlađenja motora velike brzine:

 

"Unutrašnje prisilno hlađenje zraka", kao što je prikazano na donjoj slici, jak hladan zrak može direktno puhati u motor kako bi oduzeo toplinu na namotu i jezgri, na ovaj način se općenito pojavljuje u kompresorima zraka, duvaljkama, motorima aviona 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 jak vjetar, najčešće se koristi interna metoda hlađenja uljem, kao što je kombinacija hlađenja ulja u žljebu statora koji se koristi u visoko- brzina motora dizajnirao AVL. Neki motori također koriste kombinaciju hlađenja ubrizgavanjem ulja za namotaje plus hlađenje statorskog ulja plus hlađenje rotorskog ulja i tako dalje.

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

 

02. Problem izbora motora

 

Motor sa trajnim magnetom ili indukcioni motor? Bilo da se radi o drugim tipovima motora, kao što je komutirani reluktant, izbor tipa motora velike brzine je uvijek bio pitanje na koje nema standardnog odgovora. Općenito, iz perspektive gustine snage i efikasnosti, prednost je odabrati motore s trajnim magnetima, dok se asinhroni motori i komutirani reluktantni motori biraju na osnovu pouzdanosti. Međutim, zbog velike buke vibracije, primjena prekidačke reluktancije je manja.

 

 

Slika ispod je zakon distribucije tipova motora velikih brzina pod različitim brzinama i snagama, a "vrijednost snage * brzine" motora je nacrtana kao konturna kriva i možemo pronaći neki opći kontekst: "U ultra-visokim aplikacija, indukcioni motori su većina, a indukcioni motori i motori sa trajnim magnetima koegzistiraju u aplikacijama velikih brzina." Sve dok se poštuje ovaj princip, možemo odabrati tip motora prema potrebama unutar asortimana.

03. Problemi sa strukturom rotora

 

Centrifugalni napon koji struktura rotora brzog motora mora prevladati općenito se koristi u rasponu "velikih brzina", metalni omotač, struktura same rotora (kao što je riblji kostur lpm, struktura rotora IM) itd., a namotaj od karbonskih vlakana se koristi u opsegu "ultra-velikih brzina" ili jednostavno pretvara 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 dizajn je također vrlo specifičan, odnosno da zaštiti permanentni magnet i spriječi da plašt propadne. Stoga pokušajte izbjeći koncentraciju naprezanja, kao što je prikazano na donjoj slici, ako magnet ne ispuni cijeli obim, doći će do koncentracije naprezanja na omotaču i magnetu, zbog čega motor s trajnim magnetom velike brzine koristi cijeli prsten magnet, ako ne i cijeli prsten se također koristi za popunjavanje obima.

04. Problem vibracione buke

 

Problem vibracijske buke je glavna prepreka za brze motore. U usporedbi s običnim motorima, postoje problemi s vibracijama uzrokovani dinamikom rotora, kao što su problem kritične brzine rotora i problem vibracija skretanja osovine. Postoji i problem zavijanja uzrokovanog visokofrekventnom elektromagnetskom silom, a frekvencija elektromagnetne sile kod brzog motora je veća, raspon distribucije je širi i lako je stimulirati rezonanciju sistema statora.

Kako bi se izbjegle vibracije kritične brzine, dizajn rotora brzih motora je vrlo kritičan i zahtijeva rigoroznu modalnu analizu i testiranje. Omjer dužine i promjera treba se koristiti kao varijabla optimizacije u dizajnu: dizajn rotora je predebeo i kratak, što može povećati gornju granicu kritične brzine i nije sklono rezonanciji, ali je teškoća rotor za savladavanje centrifugalnog naprezanja se povećava. Zauzvrat, dizajn rotora je vitak, problem centrifugalne čvrstoće je poboljšan, ali je kritična brzina pomjerena, vjerovatnoća rezonancije se povećava, a elektromagnetna snaga će se također smanjiti. Stoga, dizajn rotora treba stalno biti balansiran, što je glavni prioritet dizajna motora velikih brzina.

 

 

05. Efikasna pitanja

 

Gubici motora se povećavaju sa geometrijskim brojem brzina, veliki gubici čine da efikasnost motora brzo opada, da bi se postigla visoka efikasnost, sve vrste gubitaka se moraju upravljati. Uzimajući za primjer potrošnju gvožđa, kako bi se smanjili gubici vrtložnih struja, generalno se koriste ultra-tanki čelični limovi od silikona od 0.10mm i 0.08mm. Ultra tanke pločice mogu smanjiti gubitke vrtložnih struja, ali ne mogu poboljšati gubitke od histereze, tako da gubitak histereze željeza kod ultratankih limova čini većinu, dok gubitak vrtložne struje u običnim listovima čini većinu. Da biste poboljšali gubitak histereze, možete početi od sljedeća tri načina:

 

1. Optimizirajte dizajn magnetnog kola kako biste poboljšali sinusoidnost magnetnog polja i smanjili potrošnju harmonijskog željeza;

2. Smanjite magnetno opterećenje, povećajte toplinsko opterećenje i smanjite osnovnu potrošnju željeza;

3. Počevši od odabira materijala, odaberite čelične limove od silikona sa malim gubitkom histereze.

Osim potrošnje gvožđa, motori velike brzine obraćaju posebnu pažnju i na gubitke izmjenične struje, koji su uzrokovani prodorom suhih visokofrekventnih naizmjeničnih magnetnih polja, koja se često pojavljuju izvan magneta, metalnog omotača i površina namotaja statora. Uzimajući AC gubitak magneta kao primjer, najčešće korištena metoda je podjela magneta na više segmenata, koji mogu biti radijalni segmenti ili aksijalni segmenti. Segmentacija može smanjiti područje kruženja vrtložnim strujama i smanjiti gubitak naizmjenične struje, slika ispod je simulacija polja vrtložna struja nakon segmentacije, može se vidjeti da što je više segmentiranih čestica, to je manji gubitak AC. Postoji više rješenja od segmentacije, koja su ograničena na prostor i ne šire se.

Komponentu magnetnog polja sa najvećom frekvencijom u brzom motoru uvodi PWM nosač invertera, jer princip rada impulsne modulacije neizbežno proizvodi visokofrekventne strujne harmonike, koji dalje proizvode visokofrekventno magnetsko polje , a visokofrekventno magnetsko polje prodire u površinu magneta i statora i rotora kako bi proizveo gubitak visoke frekvencije. Neki motori velike brzine koriste strukturu pogona na više nivoa za poboljšanje harmonika PWM bočnog pojasa.

06. Problemi sa ležajevima

Odabir ležajeva kod motora velike brzine je ključno pitanje, a općenito postoje četiri kategorije magnetne levitacije, zračnih ležajeva, kliznih mehaničkih ležajeva i kugličnih mehaničkih ležajeva. Magnetni ležajevi se koriste u aplikacijama veće snage, a zračni ležajevi se koriste u aplikacijama manje snage i veličine. Mehanički ležajevi često zahtijevaju podmazivanje uljem i ograničeni su u mnogim aplikacijama bez ulja.

Još uvijek postoje mnogi ključni problemi i tehnologije brzih motora, a tim problemima treba istovremeno upravljati, što je relativno veliko i teško u odnosu na obične motore. Potreba za usvajanjem multifizičkog dizajna sprege sila-magnetno-termalno-NVH je novi izazov i nova prilika.

Ovaj članak predstavlja osam kategorija aplikacija i šest ključnih tehnologija motora velike brzine. Općenito, motori velike brzine su obećavajuća i tehnički zahtjevna primjena. Čini se da su neke tehnologije daleko od nas, ali iz perspektive razvoja možemo vidjeti da se vena "plitke velike brzine - srednje velike brzine - ultra-ultra velike brzine" razvija. U poređenju s prije deset godina, 10,000 ili 20,000 rotacijski motori su sada uobičajeni. Stoga je velika brzina "dugoročna" i polako će promijeniti obrazac industrije. Stoga, bilo da se radi o traženju mogućnosti u novim oblastima ili poboljšanju konkurentnosti postojećih proizvoda, tehnologija velike brzine je oblast vrijedna dugoročnog ulaganja.