Højhastighedsmotorrotorstruktur og designkarakteristika (statordesign, forskellige typer rotorstrukturdesign)

Højhastighedsmotorrotor har karakteristika af lille størrelse, høj effekttæthed, direkte forbindelse med højhastighedsbelastning, eliminering af den traditionelle mekaniske accelerationsanordning, reduktion af systemstøj og forbedring af systemets transmissionseffektivitet, osv. Den har brede anvendelsesmuligheder inden for højhastighedsslibemaskiner, luftcirkulationskølesystemer, energilagringssvinghjul, højhastigheds-kompressor-transmissionssystemer til gasgenerering af gaskompressorer og centrifugal-transmissions-kraftceller, centrifugalkompressorer som strømforsyningsudstyr til fly eller skibe, og er blevet et af forsknings-hotspots på det internationale elektriske område.

De vigtigste egenskaber ved højhastighedsmotorer er høj rotorhastighed, høj statorviklingsstrøm og magnetisk fluxfrekvens i kernen, høj effekttæthed og tabstæthed. Disse egenskaber bestemmer, at nøgleteknologien og designmetoderne for højhastighedsmotorer er forskellige fra dem for motorer med konstant hastighed.

Rotorhastigheden på højhastighedsmotoren er normalt højere end 10 000 r/min. Når den roterer ved høj hastighed, kan den konventionelle laminerede rotor ikke modstå den enorme centrifugalkraft, så der skal bruges en speciel højstyrke lamineret eller solid rotorstruktur. For permanentmagnetmotorer er problemet med rotorstyrke mere fremtrædende, fordi det sintrede permanentmagnetmateriale ikke kan modstå trækspændingen, der genereres af rotorens højhastighedsrotation, og der skal træffes beskyttelsesforanstaltninger for permanentmagneten. Den høje hastighedsfriktion mellem rotoren og luftspalten forårsager meget større friktionstab på rotoroverfladen end for motoren med konstant hastighed, hvilket medfører store vanskeligheder for rotorens varmeafledning. For at sikre, at rotoren har tilstrækkelig styrke, er højhastighedsmotorens rotor for det meste slank, så sammenlignet med konstanthastighedsmotoren øges muligheden for, at rotorsystemet nærmer sig højhastighedsmotorens kritiske hastighed. Almindelige motorlejer kan ikke fungere pålideligt ved høj hastighed, og højhastighedslejesystemer skal bruges.

Den høje vekselfrekvens af viklingsstrøm og magnetisk flux i kernen af ​​højhastighedsmotoren vil producere store højfrekvente ekstra tab i viklingen af ​​motor, statorkerne og rotor. Når statorstrømfrekvensen er lav, kan virkningen af ​​hudeffekt og nærhedseffekt på viklingstabet ignoreres, men ved høj frekvens vil statorviklingen producere tydelig hudeffekt og nærhedseffekt og øge det yderligere tab af viklingen. Den magnetiske fluxfrekvens i statorkernen i højhastighedsmotoren er høj, påvirkningen af ​​hudeffekten kan ikke ignoreres, og den konventionelle beregningsmetode vil medføre store fejl. For nøjagtigt at beregne statorkernetabet for højhastighedsmotorer er det nødvendigt at udforske beregningsmodellen for jerntab under højfrekvente forhold. Rumharmonikken forårsaget af statorspalten og viklingens ikke-sinusformede fordeling, såvel som de strøm- og tidsharmoniske genereret af PWM-strømforsyningen, vil producere store hvirvelstrømstab i rotoren. På grund af rotorens lille størrelse og dårlige køleforhold vil det medføre store vanskeligheder for rotorens varmeafledning. Derfor vil den nøjagtige beregning af rotorhvirvelstrømtab og udforskning af effektive foranstaltninger til at reducere rotorhvirvelstrømtab blive diskuteret. Det er af stor betydning for pålidelig drift af højhastighedsmotorer. Samtidig bringer højfrekvent spænding eller strøm også udfordringer til controllerdesignet af høj-effekt højhastighedsmotorer.

Volumenet af højhastighedsmotoren er meget mindre end motoren med konstant hastighed af samme effekt, ikke kun effekttætheden og tabstætheden er stor, men også varmeafgivelsen er vanskelig, hvis de specielle varmeafledningsforanstaltninger ikke anvendes, vil motorens temperaturstigning være for høj, hvilket forkorter levetiden af viklingen, især for den permanente magnetmotor, hvis den permanente magnetmotor er for høj, hvis magneten er for høj irreversibel afmagnetisering. Et veldesignet kølesystem kan effektivt reducere temperaturstigningen på den faste rotor, som er nøglen til den langsigtede stabile drift af høj-effekt højhastighedsmotorer.

For at opsummere er der mange særlige nøgleproblemer inden for rotorstyrke, rotorsystemdynamik, elektromagnetisk design, kølesystemdesign og temperaturstigningsberegning, højhastighedslejer og controllerudvikling, som ikke er tilgængelige i konventionelle motorer. Derfor er design af højhastighedsmotorer en omfattende designproces af flere iterationer af fysiske felter såsom elektromagnetisk felt, rotorstyrke, rotordynamik, væskefelt og temperaturfelt. På nuværende tidspunkt er hovedtyperne af motorer, der bruges i højhastighedsfelter, induktionsmotorer, permanentmagnetmotorer, switchede reluktansmotorer og klopolmotorer, og hver motortype har en anden topologi.

Dette papir analyserer udviklingsstatus for forskellige typer højhastighedsmotorer i ind- og udland og opsummerer grænseindekset for forskellige typer højhastighedsmotorer. Strukturen og designegenskaberne for højhastighedsmotorer analyseres i detaljer, herunder statordesign, rotorstrukturdesign, rotorsystemdynamikanalyse, lejevalg og kølesystemdesign osv. Til sidst analyseres de vigtigste problemer, der står over for udviklingen af ​​højhastighedsmotorer, og udviklingstendensen og udsigten til højhastighedsmotor er prospekteret.