Klíčové prvky ve vývoji vysokorychlostních motorů

S prudkým rozvojem globálního trhu nových energetických vozidel vykazuje rychlost hnacích motorů úžasný růst. Od 18 000 ot./min před několika lety až po dnešní pohodlně překračující 20 000 ot./min. to představuje nejen numerický průlom, ale také přísné testy konstrukce motoru a výrobních technologií. Tento článek pojednává o několika aspektech vývoj vysokorychlostních motorů.

 

01. Výběr z rotoru Číslo páru pólů

U vysokootáčkových motorů se ztráta železa stala nevyhnutelným kritickým faktorem, zejména ve vysokorychlostních rozsazích. Mezi počtem pólů motoru a ztrátou železa existuje úzký vztah, protože s rostoucí rychlostí motoru se také zvyšuje frekvence změn magnetického toku v jádře, což vede k výraznému zvýšení ztrát železa.

Například u motoru pracujícího při 20 000 ot./min. dosahuje 6pólový motor pracovní frekvence 1000 Hz, zatímco 8pólový motor tuto frekvenci zvyšuje na 1333 Hz. Podle výše uvedeného výpočtového vzorce pro ztráty železa vede zvýšení provozní frekvence přímo ke zvýšeným ztrátám železa.

V konstrukčním trendu vysokootáčkových motorů můžeme pozorovat postupný pokles používání kombinací pól-slot 8/48 a nárůst používání kombinací 6/54 pól-slot.

Důvod tohoto posunu spočívá ve výše zmíněných úvahách o ztrátě železa. Aby se snížily ztráty železa při vysokorychlostním provozu, konstruktéři mají tendenci volit kombinaci 6/54 pól-slot, aby dosáhli lepšího elektromagnetického výkonu a vyšší účinnosti.

02. Výběr chladicího systému

U vysokootáčkových motorů s permanentními magnety teplota výrazně ovlivňuje jejich výkon. Protože se pracovní bod permanentních magnetů s teplotou driftuje, příliš vysoké teploty mohou dokonce riskovat demagnetizaci magnetů. Navíc vysoká hustota výkonu elektromotorů v nových energetických vozidlech omezuje plochu chladicího povrchu, takže konstrukce chladicího systému je zásadní pro zajištění stabilního výkonu motoru.

Při zvažování způsobů chlazení doporučuji použít systém chlazení oleje pro motory s otáčkami nad 18 000 ot./min. Důvodem je to, že problémy s ohřevem rotoru jsou zvláště výrazné, když otáčky překročí 16 000 ot./min. U vodou chlazeného motoru je stator primárně chlazen, zatímco při vysokých rychlostech je efektivní odvádění tepla rotoru vodním chlazením náročné.

Pokud jde o monitorování teploty, současná konstrukce motorů obvykle obsahuje teplotní senzory uvnitř statoru. U vodou chlazených motorů je díky stabilním strukturám průtokových kanálů distribuce teploty statorových vinutí relativně rovnoměrná a dobře řízená. U motorů chlazených olejem má však větší konstrukční flexibilita průtokových kanálů za následek znatelnější teplotní rozdíly mezi vinutími ve srovnání s motory chlazenými vodou. Proto je při výběru umístění snímače zásadní vzít v úvahu oblasti s vyššími nárůsty teploty vinutí, aby se minimalizoval teplotní rozdíl mezi monitorovanou teplotou a nejvyšším bodem vinutí, což přesně odráží skutečný tepelný stav motoru.

03. Technologické výzvy vysokorychlostních ložisek

Nosný systém rotoru je klíčovou součástí při vývoji vysokorychlostních motorů, přičemž výběr technologie ložisek je zvláště důležitý. V současné době se v motorových ložiscích běžně používají kuličková ložiska s hlubokou drážkou.

Ve vysokorychlostních prostředích čelí kuličková ložiska vážným problémům, jako je přehřívání a riziko běhu. Je to proto, že s rostoucí rychlostí se také prudce zvyšuje tření a tvorba tepla uvnitř ložisek, což vede ke snížení výkonu ložiska nebo dokonce k jeho selhání. Proto je mazání rychloběžných ložisek zásadní.

Poté, co otáčky motoru překročí 18 000 ot./min., je dalším důležitým důvodem pro doporučení chlazení olejem mazání ložisek. U vodou chlazených motorů se pro ložiska obvykle používají samomazná kuličková ložiska. Při vysokorychlostním provozu však tato ložiska čelí problémům, jako je únik maziva a velké teplotní rozdíly mezi vnitřním a vnějším kroužkem.

Naproti tomu otevřená kuličková ložiska používaná v olejových chladicích systémech mohou účinně chladit vnitřní a vnější kroužky ložisek, čímž se zabrání problémům s únikem maziva a mají nižší koeficient valivého tření. Pozornost je však třeba věnovat návrhu cest mazacího oleje, aby bylo zajištěno dostatečné chlazení ložisek. V ramenním otvoru je vyčnívající struktura zapuštěna, aby zajistila, že rychlost proudění chladicího oleje je relativně rovnoměrná před a za ramenem.