Studie o optimalizaci konstrukce rotorů vysokorychlostních motorů s permanentními magnety s tangenciálně uloženými lichoběžníkovými magnety

V kontextu malé moci vysokorychlostní motory s permanentními magnety , pro splnění požadavků na namáhání konstrukce rotoru a zjednodušení výrobního procesu je navržena tangenciálně uložená konstrukce rotoru na bázi lichoběžníkových magnetů. Za předpokladu splnění základních konstrukčních požadavků motoru jsou optimalizovány parametry konstrukce rotoru. Simulace konečných prvků se používá k analýze účinků koeficientu pólového oblouku a struktury povrchu rotoru na ozubený moment, průměrný moment a zvlnění momentu. Provádějí se také posudky namáhání konstrukce.

Pro další zjednodušení výrobního a montážního procesu rotoru motoru, který je vhodnější pro vysokorychlostní aplikace, tato studie navrhuje novou tangenciálně vestavěnou konstrukci rotoru založenou na lichoběžníkových magnetech pro malé výkonové motory s permanentními magnety využívající koncentrované vinutí s frakční štěrbinou. Díky tomu, že stator používá strukturu segmentovaného jádra, je povrchová struktura rotoru optimalizována. Podrobná analýza toho, jak tyto parametry struktury rotoru ovlivňují zvlnění točivého momentu a průměrný točivý moment, poskytuje cennou referenci pro návrh takových motorů.

Motor využívá koncentrované vinutí s frakčními sloty a stator využívá segmentovanou montážní strukturu, která usnadňuje automatizované procesy vinutí a snižuje výrobní a zpracovatelské náklady. Rotor využívá tangenciálně zapuštěnou konstrukci s lichoběžníkovými magnety přímo vloženými do drážek rotoru. Ve srovnání s tradičními tangenciálními konstrukcemi rotoru tato nová konstrukce snižuje náklady na zpracování jádra rotoru a zjednodušuje montážní procesy.

Optimalizace struktury rotoru motoru je rozdělena do dvou částí: optimalizace parametrů struktury magnetu a parametrů struktury povrchu rotoru. Parametry struktury magnetu zahrnují šířku spodní základny LI, šířku horní základny L2 a výšku. Šířku spodní základny L1 a výšku lze předběžně určit na základě konstrukce motoru. Vnitřní průměr rotoru je omezen hřídelí motoru a vzhledem k požadavkům na zpracování a montáž rotoru je tloušťka vnitřního kroužku rotoru v podstatě pevná. Výška magnetů je tedy předem určena a není považována za optimalizační parametr.

Bez ohledu na saturaci je objem magnetů v rotoru úměrný vazbě permanentního magnetického toku rotoru motoru. Aby byla zajištěna schopnost výstupu točivého momentu motoru, musí být před optimalizací konstrukce rotoru maximalizována šířka spodní základny lichoběžníkových magnetů. Větší nižší šířka základny však má za následek menší šířku spojovacího můstku v jádru rotoru, což ovlivňuje namáhání rotoru. Principem stanovení spodní šířky základny magnetů je minimalizace šířky můstku při zajištění namáhání rotoru podle požadavků. Jakmile je určena šířka spodní základny, použijí se k definování rozměrů horní základny metody konečných prvků.

Aby mechanická pevnost konstrukce rotoru motoru odpovídala provozním požadavkům, je pomocí metod konečných prvků vytvořen trojrozměrný model konstrukce rotoru. Aplikací rotačního setrvačného zatížení jmenovitých otáček motoru se ověří konstrukční namáhání rotoru. Obrázek 2 ukazuje mapu rozložení napětí rotoru motoru, která ukazuje maximální napětí jádra rotoru 0,98 MPa. Vzhledem k tomu, že materiál rotoru motoru je křemíková ocel s mezí kluzu 405 MPa, je maximální napětí za těchto podmínek pod mezí kluzu, což potvrzuje, že konstrukce rotoru splňuje mechanické požadavky.

Pro vysokorychlostní malovýkonné motory s permanentními magnety je pro zjednodušení výrobního procesu navržena tangenciálně uložená konstrukce rotoru na bázi lichoběžníkových magnetů. Výsledky simulace konečných prvků naznačují, že určení parametrů magnetu vyžaduje komplexní zvážení výstupního krouticího momentu, zvlnění krouticího momentu, výrobních procesů a chyb. Optimalizace vnějšího povrchu rotoru může dále snížit zvlnění točivého momentu. Studie ukazuje, že nová struktura rotoru motoru výrazně zjednodušuje zpracování rotoru a náklady s minimálním dopadem na výkon točivého momentu, což poskytuje cenné zkušenosti z konstrukčního návrhu a reference pro optimalizaci tohoto typu motoru.