Zes sleuteltechnologieën voor snelle motoren

Zes sleuteltechnologieën voor hogesnelheidsmotoren

"Gedreven door het streven naar kleinere afmetingen en een groter vermogen, is de snelheid van de motor helemaal gestegen, van twee- of drieduizend omwentelingen in de begindagen, helemaal tot tienduizenden tot honderdduizenden omwentelingen, en de hogere snelheid heeft de vermogensdichtheid en het gebruik van grondstoffen verbeterd." Hoge snelheden zijn daarom een ​​sterke trend, als we de nieuwe energieaandrijving als voorbeeld nemen: de maximumsnelheid van de eerste generatie Toyota Prius is slechts 6000 tpm en de snelheid van het product van de vierde generatie bereikt 17000 tpm. In dit nummer kijken we vanuit een hoger perspectief naar de toepassing van snelheidsmotoren en de sleuteltechnologieën erachter. "

Hoge snelheden en ultrahoge snelheden hebben brede toepassingsmogelijkheden, maar brengen tegelijkertijd extreem hoge uitdagingen met zich mee voor de motor. We combineren deze problemen in dezelfde categorie en vinden dat er zes categorieën zijn: warmteafvoer, selectie, rotorstructuur, trillingsgeluid , efficiënt ontwerp, lagers.

 

01. Het probleem van warmteafvoer

 

Het motorverlies neemt toe met het geometrische aantal snelheden, en de warmte die wordt gegenereerd door hoog verlies verhoogt de temperatuurstijging van de motor extreem snel. Om hoge snelheden te behouden, is het noodzakelijk om een ​​koelmethode te ontwerpen met een goede warmteafvoer. We kunnen zien dat de gebruikelijke methoden voor snelle motorkoeling zijn:

 

"Interne geforceerde luchtkoeling", zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, sterke koude lucht kan direct in de motor blazen om de warmte van de wikkeling en kern weg te nemen. wind kan worden gebruikt.

2 "interne oliekoeling" In de toepassingsomgeving waar de motor moet worden gesloten en beschermd, of de sterke wind, is de meest gebruikte methode voor interne oliekoeling, zoals de combinatie van oliekoeling in de statorgroef die wordt gebruikt in de hoge- snelheidsmotor ontworpen door AVL. Sommige motoren gebruiken ook een combinatie van koeling met wikkelolie-injectie plus statoroliekoeling plus rotoroliekoeling enzovoort.

Om een ​​hoge vermogensdichtheid te bereiken, zijn warmteontwikkeling en koeling belangrijke zaken waarmee snellopende motoren het hoofd moeten bieden.

 

02. Probleem met motorselectie

 

Permanentmagneetmotor of inductiemotor? Of het nu gaat om andere soorten motoren, zoals geschakelde terughoudendheid, de keuze van het hogesnelheidsmotortype is altijd een vraag geweest zonder standaardantwoord. Over het algemeen is het vanuit het oogpunt van vermogensdichtheid en efficiëntie voordelig om permanentmagneetmotoren te kiezen, terwijl inductiemotoren en geschakelde reluctantiemotoren worden gekozen uit betrouwbaarheid. Vanwege het grote trillingsgeluid is de toepassing van geschakelde terughoudendheid echter minder.

 

 

De onderstaande afbeelding is de typeverdelingswet van hogesnelheidsmotoren met verschillende snelheden en vermogens, en de "vermogen * snelheidswaarde" van de motor wordt getekend als een contourcurve, en we kunnen een algemene context vinden: "In ultrahoge toepassingen, inductiemotoren zijn de meeste, en inductiemotoren en permanentmagneetmotoren bestaan ​​naast elkaar in hogesnelheidstoepassingen". Zolang dit principe wordt gevolgd, kunnen we het type motor kiezen op basis van de behoeften binnen het assortiment.

03. Problemen met de rotorstructuur

 

De middelpuntvliedende spanning die de rotorstructuur van de hogesnelheidsmotor moet overwinnen, wordt over het algemeen gebruikt in het "hogesnelheids" -bereik, de metalen mantel, de rotor zelfstructuur (zoals het vissenskelet van lpm, de rotorstructuur van IM) , enz., en de koolstofvezelwikkeling wordt gebruikt in het "ultrahoge snelheid" -bereik, of maak eenvoudigweg van de rotor een solide geïntegreerde structuur, zoals de motor van het vliegwiel voor energieopslag.

De meeste hogesnelheidsmotoren met permanente magneet gebruiken de structuur van de rotormantel, en dit ontwerp is ook heel bijzonder, dat wil zeggen om de permanente magneet te beschermen en te voorkomen dat de mantel defect raakt. Probeer daarom spanningsconcentratie te vermijden, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Als de magneet niet de hele omtrek vult, zal er spanningsconcentratie zijn op de mantel en de magneet. Daarom gebruikt de snelle permanente magneetmotor een complete ring magneet, zo niet wordt er ook een complete ring gebruikt om de omtrek te vullen.

04. Het probleem van trillingsgeluid

 

Het probleem van trillingsgeluid is een groot obstakel voor hogesnelheidsmotoren. In vergelijking met gewone motoren zijn er trillingsproblemen veroorzaakt door rotordynamiek, zoals het kritische snelheidsprobleem van de rotor en het afbuigtrillingsprobleem van de as. Er is ook het probleem van gehuil veroorzaakt door hoogfrequente elektromagnetische kracht, en de elektromagnetische krachtfrequentie van hogesnelheidsmotor is hoger, het distributiebereik is breder en het is gemakkelijk om de resonantie van het statorsysteem te stimuleren.

Om kritische snelheidstrillingen te voorkomen, is het rotorontwerp van hogesnelheidsmotoren zeer kritisch en vereist het rigoureuze modale analyse en testen. De verhouding lengte/diameter moet worden gebruikt als een optimalisatievariabele in het ontwerp: het ontwerp van de rotor is te dik en te kort, wat de bovengrens van de kritische snelheid kan verhogen en niet gevoelig is voor resonantie, maar de moeilijkheid van de rotor om centrifugale spanningsverhogingen te overwinnen. Op zijn beurt is het rotorontwerp slank, wordt het centrifugale sterkteprobleem verbeterd, maar wordt de kritische snelheid verschoven, neemt de kans op resonantie toe en neemt ook het elektromagnetische vermogen af. Daarom moet het ontwerp van de rotor herhaaldelijk worden uitgebalanceerd, wat de hoogste prioriteit heeft bij het ontwerp van een hogesnelheidsmotor.

 

 

05. Efficiënte vragen

 

Motorverlies neemt toe met het geometrische aantal snelheden, hoge verliezen zorgen ervoor dat het motorrendement snel afneemt, om een ​​hoog rendement te bereiken, moeten allerlei soorten verliezen worden beheerd. Als we het ijzerverbruik als voorbeeld nemen, worden over het algemeen ultradunne siliciumstaalplaten van 0,10 mm en 0,08 mm gebruikt om wervelstroomverlies te verminderen. Ultradunne wafels kunnen wervelstroomverliezen verminderen, maar kunnen de hysteresisverliezen niet verbeteren, dus het ijzerhystereseverlies van ultradunne vellen is goed voor de meerderheid, terwijl het wervelstroomverlies in gewone vellen goed is voor de meerderheid. Om hysteresisverlies te verbeteren, kunt u op de volgende drie manieren beginnen:

 

1. Optimaliseer het ontwerp van het magnetische circuit om de sinusoïditeit van het magnetische veld te verbeteren en het harmonische ijzerverbruik te verminderen;

2. Verminder de magnetische belasting, verhoog de warmtebelasting en verminder het fundamentele ijzerverbruik;

3. Selecteer, uitgaande van de materiaalkeuze, siliciumstaalplaten met een klein hysteresisverlies.

Naast het ijzerverbruik besteden hogesnelheidsmotoren ook extra aandacht aan AC-verliezen, die worden veroorzaakt door het binnendringen van droge hoogfrequente magnetische wisselvelden, die vaak buiten de magneet, de metalen mantel en de statorwikkelingsoppervlakken verschijnen. Als we het AC-verlies van de magneet als voorbeeld nemen, is de meest gebruikte methode om de magneet in meerdere segmenten te verdelen, dit kunnen radiale segmenten of axiale segmenten zijn. Segmentatie kan het wervelstroomcirculatiegebied verkleinen en AC-verlies verminderen, de onderstaande figuur is de simulatie van het wervelstroomveld na segmentatie, het is te zien dat hoe meer gesegmenteerde deeltjes, hoe kleiner het AC-verlies. Er zijn meer oplossingen dan segmentatie, die beperkt zijn tot ruimte en niet uitbreiden.

De magnetische veldcomponent met de hoogste frequentie in de hogesnelheidsmotor wordt geïntroduceerd door de PWM-draaggolf van de omvormer, omdat het werkingsprincipe van pulsmodulatie onvermijdelijk hoogfrequente stroomharmonischen produceert, die op hun beurt weer een hoogfrequent magnetisch veld produceren , en het hoogfrequente magnetische veld dringt door in het oppervlak van de magneet en de stator en rotor om hoogfrequent verlies te produceren. Sommige hogesnelheidsmotoren gebruiken een aandrijfstructuur met meerdere niveaus om de harmonischen van de PWM-zijband te verbeteren.

06. Lagerproblemen

De lagerselectie van hogesnelheidsmotoren is een belangrijk punt, en over het algemeen zijn er vier categorieën magnetische levitatie, luchtlagers, glijdende mechanische lagers en mechanische kogellagers. Magnetische lagers worden gebruikt in toepassingen met een hoger vermogen en luchtlagers worden gebruikt in toepassingen met een kleiner vermogen en kleinere afmetingen. Mechanische lagers vereisen vaak oliesmering en zijn beperkt in veel olievrije toepassingen.

Er zijn nog steeds veel belangrijke problemen en technologieën van hogesnelheidsmotoren, en deze problemen moeten tegelijkertijd worden beheerd, wat relatief hoog en moeilijk is in vergelijking met gewone motoren. De noodzaak om een ​​kracht-magnetisch-thermisch-NVH multifysisch koppelingsontwerp toe te passen, is een nieuwe uitdaging en een nieuwe kans.

Dit artikel introduceert acht categorieën toepassingen en zes sleuteltechnologieën van hogesnelheidsmotoren. Over het algemeen zijn hogesnelheidsmotoren een veelbelovende en technisch uitdagende toepassing. Sommige technologieën lijken ver van ons verwijderd, maar vanuit het perspectief van ontwikkeling kunnen we zien dat de ader van "ondiepe hoge snelheid - medium-hoge snelheid - ultra-ultra-hoge snelheid" zich heeft ontwikkeld. Vergeleken met tien jaar geleden zijn 10,000 of 20,000 roterende motoren nu gemeengoed. Daarom is hoge snelheid "langetermijndenken" en zal het patroon van de industrie langzaam veranderen. Of het nu gaat om het zoeken naar kansen op nieuwe terreinen of het verbeteren van het concurrentievermogen van bestaande producten, hogesnelheidstechnologie is dus een gebied dat de moeite waard is om op lange termijn in te investeren.