Rotorstruktur und Designmerkmale von Hochgeschwindigkeitsmotoren (Statordesign, verschiedene Arten von Rotorstrukturdesigns)

Hochgeschwindigkeits-Motorrotoren zeichnen sich durch geringe Größe, hohe Leistungsdichte, direkte Verbindung mit Hochgeschwindigkeitslasten aus, eliminieren die herkömmliche mechanische Beschleunigungsvorrichtung, reduzieren Systemgeräusche und verbessern die Systemübertragungseffizienz usw. Er haben breite Anwendungsaussichten in den Bereichen Hochgeschwindigkeitsschleifmaschinen, Luftzirkulationskühlsysteme, Energiespeicherschwungräder, Brennstoffzellen, Hochgeschwindigkeits-Radialkompressoren für die Erdgasübertragung und verteilte Stromerzeugungssysteme als Stromversorgungsausrüstung für Flugzeuge oder Schiffe und haben sich zu einem der Forschungsschwerpunkte im internationalen Elektrobereich entwickelt.

Die Hauptmerkmale eines Hochgeschwindigkeitsmotors sind eine hohe Rotorgeschwindigkeit, ein hoher Statorwicklungsstrom und eine hohe Magnetflussfrequenz im Kern sowie eine hohe Leistungs- und Verlustdichte. Diese Eigenschaften bestimmen, dass sich die Schlüsseltechnologie und Konstruktionsmethoden von Hochgeschwindigkeitsmotoren von denen von Motoren mit konstanter Geschwindigkeit unterscheiden.

Die Rotordrehzahl des Hochgeschwindigkeitsmotors liegt üblicherweise über 10.000 U/min. Bei hoher Rotationsgeschwindigkeit kann der herkömmliche laminierte Rotor der enormen Zentrifugalkraft nicht standhalten, sodass eine spezielle hochfeste laminierte oder massive Rotorstruktur verwendet werden muss. Bei Permanentmagnetmotoren ist das Problem der Rotorfestigkeit stärker ausgeprägt, da das gesinterte Permanentmagnetmaterial der durch die Hochgeschwindigkeitsrotation des Rotors erzeugten Zugspannung nicht standhalten kann und Schutzmaßnahmen für den Permanentmagneten getroffen werden müssen. Die Hochgeschwindigkeitsreibung zwischen dem Rotor und dem Luftspalt verursacht einen viel größeren Reibungsverlust auf der Rotoroberfläche als der eines Motors mit konstanter Drehzahl, was die Wärmeableitung des Rotors stark erschwert. Um sicherzustellen, dass der Rotor eine ausreichende Festigkeit aufweist, ist der Rotor des Hochgeschwindigkeitsmotors meist schlank, sodass im Vergleich zum Motor mit konstanter Geschwindigkeit die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Rotorsystem der kritischen Geschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitsmotors nähert, erheblich erhöht ist. Gewöhnliche Motorlager können bei hohen Drehzahlen nicht zuverlässig arbeiten und es müssen Hochgeschwindigkeitslagersysteme verwendet werden.

Die hohe Wechselfrequenz des Wicklungsstroms und des magnetischen Flusses im Kern eines Hochgeschwindigkeitsmotors führt zu großen zusätzlichen Hochfrequenzverlusten in der Wicklung des Motors, des Statorkerns und des Rotors. Wenn die Statorstromfrequenz niedrig ist, kann der Effekt des Skin-Effekts und des Proximity-Effekts auf den Wicklungsverlust vernachlässigt werden. Bei hoher Frequenz erzeugt die Statorwicklung jedoch einen offensichtlichen Skin-Effekt und Proximity-Effekt und erhöht den zusätzlichen Verlust der Wicklung. Die magnetische Flussfrequenz im Statorkern eines Hochgeschwindigkeitsmotors ist hoch, der Einfluss des Skin-Effekts kann nicht ignoriert werden und die herkömmliche Berechnungsmethode bringt große Fehler mit sich. Um den Statorkernverlust eines Hochgeschwindigkeitsmotors genau zu berechnen, ist es notwendig, das Berechnungsmodell des Eisenverlusts unter Hochfrequenzbedingungen zu untersuchen. Die räumlichen Harmonischen, die durch die nicht-sinusförmige Verteilung der Statornut und der Wicklung verursacht werden, sowie die Strom- und Zeitharmonischen, die durch die PWM-Stromversorgung erzeugt werden, erzeugen große Wirbelstromverluste im Rotor. Aufgrund der geringen Größe des Rotors und der schlechten Kühlbedingungen führt dies zu großen Schwierigkeiten bei der Wärmeableitung des Rotors. Daher werden die genaue Berechnung des Rotorwirbelstromverlusts und die Erforschung wirksamer Maßnahmen zur Reduzierung des Rotorwirbelstromverlusts diskutiert. Dies ist für den zuverlässigen Betrieb von Hochgeschwindigkeitsmotoren von großer Bedeutung. Gleichzeitig stellen hochfrequente Spannungen oder Ströme auch Herausforderungen an das Steuerungsdesign von Hochleistungs-Hochgeschwindigkeitsmotoren dar.

Das Volumen des Hochgeschwindigkeitsmotors ist viel kleiner als das des Konstantgeschwindigkeitsmotors gleicher Leistung, nicht nur die Leistungs- und Verlustdichte ist groß, sondern auch die Wärmeableitung ist schwierig. Wenn die speziellen Wärmeableitungsmaßnahmen nicht verwendet werden, ist der Temperaturanstieg des Motors zu hoch, wodurch die Lebensdauer der Wicklung verkürzt wird, insbesondere beim Permanentmagnetmotor. Wenn der Rotortemperaturanstieg zu hoch ist, neigt der Permanentmagnet zu irreversibler Entmagnetisierung. Ein gut konzipiertes Kühlsystem kann den Temperaturanstieg des festen Rotors wirksam reduzieren, was der Schlüssel für den langfristig stabilen Betrieb von Hochleistungs-Hochgeschwindigkeitsmotoren ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es viele spezielle Schlüsselprobleme in den Bereichen Rotorfestigkeit, Rotorsystemdynamik, elektromagnetisches Design, Kühlsystemdesign und Temperaturanstiegsberechnung, Hochgeschwindigkeitslager und Controller-Entwicklung gibt, die bei herkömmlichen Motoren nicht verfügbar sind. Daher ist der Entwurf eines Hochgeschwindigkeitsmotors ein umfassender Entwurfsprozess mit mehreren Iterationen physikalischer Felder wie elektromagnetisches Feld, Rotorstärke, Rotordynamik, Flüssigkeitsfeld und Temperaturfeld. Derzeit werden hauptsächlich Induktionsmotoren, Permanentmagnetmotoren, geschaltete Reluktanzmotoren und Klauenpolmotoren in Hochgeschwindigkeitsbereichen eingesetzt. Jeder Motortyp weist eine andere Topologie auf.

In diesem Artikel wird der Entwicklungsstand verschiedener Typen von Hochgeschwindigkeitsmotoren im In- und Ausland analysiert und der Grenzwertindex verschiedener Typen von Hochgeschwindigkeitsmotoren zusammengefasst. Die Struktur und Konstruktionsmerkmale von Hochgeschwindigkeitsmotoren werden im Detail analysiert, einschließlich Statordesign, Rotorstrukturdesign, Analyse der Rotorsystemdynamik, Lagerauswahl und Kühlsystemdesign usw. Abschließend werden die Hauptprobleme analysiert, mit denen die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsmotoren konfrontiert ist, und der Entwicklungstrend und die Aussichten von Hochgeschwindigkeitsmotoren werden untersucht.