Schlüsselelemente in der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsmotoren

Mit der starken Entwicklung des globalen Marktes für neue Energiefahrzeuge hat die Geschwindigkeit der Antriebsmotoren ein erstaunliches Wachstum verzeichnet. Von 18.000 U/min vor einigen Jahren auf deutlich über 20.000 U/min heute stellt dies nicht nur einen numerischen Durchbruch dar, sondern auch strenge Tests der Motorkonstruktion und Fertigungstechnologien. In diesem Artikel werden verschiedene Aspekte besprochen Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsmotoren.

 

01. Auswahl von Rotorpolpaarnummer ​

Bei schnelllaufenden Motoren ist der Eisenverlust insbesondere im Hochgeschwindigkeitsbereich zu einem unvermeidbaren kritischen Faktor geworden. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Anzahl der Motorpole und dem Eisenverlust, da mit zunehmender Motordrehzahl auch die Frequenz der Magnetflussänderungen im Kern zunimmt, was zu einem erheblichen Anstieg des Eisenverlusts führt.

Beispielsweise erreicht ein 6-poliger Motor bei einem Motor mit 20.000 U/min eine Arbeitsfrequenz von 1000 Hz, während ein 8-poliger Motor diese auf 1333 Hz erhöht. Gemäß der oben genannten Berechnungsformel für den Eisenverlust führt die Erhöhung der Betriebsfrequenz direkt zu einem erhöhten Eisenverlust.

Im Designtrend von Hochgeschwindigkeitsmotoren können wir einen allmählichen Rückgang bei der Verwendung von 8/48-Pol-Nut-Kombinationen und einen Anstieg bei der Verwendung von 6/54-Pol-Nut-Kombinationen beobachten.

Der Grund für diese Verschiebung liegt in den oben genannten Überlegungen zum Eisenverlust. Um den Eisenverlust im Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu reduzieren, wählen Konstrukteure in der Regel die 6/54-Pol-Nut-Kombination, um eine bessere elektromagnetische Leistung und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.

02. Auswahl des Kühlsystems

Bei Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmotoren wirkt sich die Temperatur erheblich auf deren Leistung aus. Da der Arbeitspunkt von Permanentmagneten mit der Temperatur schwankt, besteht bei zu hohen Temperaturen sogar die Gefahr einer Entmagnetisierung der Magnete. Darüber hinaus begrenzt die hohe Leistungsdichte von Elektromotoren in Fahrzeugen mit neuer Energie die Kühloberfläche, sodass die Auslegung des Kühlsystems für die Gewährleistung einer stabilen Motorleistung von entscheidender Bedeutung ist.

Wenn ich über Kühlmethoden nachdenke, empfehle ich die Verwendung eines Ölkühlsystems für Motoren mit Drehzahlen über 18.000 U/min. Dies liegt daran, dass die Erwärmung des Rotors bei Drehzahlen über 16.000 U/min besonders deutlich auftritt. Bei einem wassergekühlten Motor wird hauptsächlich der Stator gekühlt, wohingegen bei hohen Drehzahlen die effektive Ableitung der Rotorwärme durch Wasserkühlung eine Herausforderung darstellt.

Was die Temperaturüberwachung betrifft, sind bei aktuellen Motorkonstruktionen typischerweise Temperatursensoren im Stator integriert. Bei wassergekühlten Motoren ist die Temperaturverteilung der Statorwicklungen aufgrund stabiler Strömungskanalstrukturen relativ gleichmäßig und gut kontrolliert. Bei ölgekühlten Motoren führt die größere Designflexibilität der Strömungskanäle jedoch im Vergleich zu wassergekühlten Motoren zu stärker spürbaren Temperaturunterschieden zwischen den Wicklungen. Daher ist es bei der Auswahl des Sensorstandorts wichtig, Bereiche mit höheren Wicklungstemperaturanstiegen zu berücksichtigen, um den Temperaturunterschied zwischen der überwachten Temperatur und dem höchsten Wicklungspunkt zu minimieren und den tatsächlichen thermischen Zustand des Motors genau wiederzugeben.

03. Technologische Herausforderungen von Hochgeschwindigkeitslagern

Das Rotorträgersystem ist eine Kernkomponente bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsmotoren, wobei die Auswahl der Lagertechnologie besonders wichtig ist. Derzeit werden in Motorlagern häufig Rillenkugellager verwendet.

In Hochgeschwindigkeitsumgebungen sind Kugellager mit ernsthaften Herausforderungen wie Überhitzung und Laufgefahr konfrontiert. Dies liegt daran, dass mit steigender Geschwindigkeit auch die Reibung und die Wärmeentwicklung innerhalb der Lager stark ansteigen, was zu einer verminderten Lagerleistung oder sogar zum Ausfall führt. Daher ist die Schmierung von Hochgeschwindigkeitslagern von entscheidender Bedeutung.

Ab Motordrehzahlen über 18.000 U/min ist die Lagerschmierung ein weiterer wichtiger Grund für die Empfehlung einer Ölkühlung. Bei wassergekühlten Motoren werden typischerweise selbstschmierende Kugellager als Lager verwendet. Im Hochgeschwindigkeitsbetrieb sind diese Lager jedoch mit Herausforderungen wie Fettleckagen und großen Temperaturunterschieden zwischen Innen- und Außenringen konfrontiert.

Im Gegensatz dazu können offene Kugellager, die in Ölkühlsystemen verwendet werden, die Innen- und Außenringe der Lager effektiv kühlen, wodurch Fettaustrittsprobleme vermieden werden und sie einen niedrigeren Rollreibungskoeffizienten aufweisen. Allerdings muss auf die Gestaltung der Schmierölwege geachtet werden, um eine ausreichende Lagerkühlung sicherzustellen. Im Schulterloch ist die hervorstehende Struktur eingebettet, um sicherzustellen, dass die Kühlölströmungsgeschwindigkeit vor und nach der Schulter relativ gleichmäßig ist.