Studie zur Optimierung der Rotorstruktur von Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmotoren mit tangential eingebetteten Trapezmagneten

Im Kontext kleiner Macht Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmotoren , Um den Belastungsanforderungen der Rotorstruktur gerecht zu werden und den Produktionsprozess zu vereinfachen, wird eine tangential eingebettete Rotorstruktur auf Basis trapezförmiger Magnete vorgeschlagen. Unter der Voraussetzung, die grundlegenden Designanforderungen des Motors zu erfüllen, werden die Parameter der Rotorstruktur optimiert. Mittels Finite-Elemente-Simulation werden die Auswirkungen des Polbogenkoeffizienten und der Rotoroberflächenstruktur auf das Rastmoment, das durchschnittliche Drehmoment und die Drehmomentwelligkeit analysiert. Es werden auch strukturelle Spannungsprüfungen durchgeführt.

Um den Herstellungs- und Montageprozess des Motorrotors weiter zu vereinfachen und ihn für Hochgeschwindigkeitsanwendungen besser geeignet zu machen, schlägt diese Studie eine neue tangential eingebettete Rotorstruktur auf der Basis von Trapezmagneten für Permanentmagnetmotoren kleiner Leistung mit konzentrierten Teilschlitzwicklungen vor. Da der Stator eine segmentierte Kernstruktur verwendet, wird die Rotoroberflächenstruktur optimiert. Eine detaillierte Analyse, wie diese Rotorstrukturparameter die Drehmomentwelligkeit und das durchschnittliche Drehmoment beeinflussen, liefert wertvolle Hinweise für die Konstruktion solcher Motoren.

Der Motor verfügt über konzentrierte Teilschlitzwicklungen und der Stator verfügt über eine segmentierte Montagestruktur, was automatisierte Wickelprozesse erleichtert und Produktions- und Verarbeitungskosten senkt. Der Rotor verfügt über eine tangential eingebettete Struktur mit trapezförmigen Magneten, die direkt in die Rotorschlitze eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen tangentialen Rotorstrukturen reduziert dieses neue Design die Verarbeitungskosten des Rotorkerns und vereinfacht die Montageprozesse.

Die Optimierung der Motorrotorstruktur gliedert sich in zwei Teile: Optimierung der Magnetstrukturparameter und der Rotoroberflächenstrukturparameter. Zu den Parametern der Magnetstruktur gehören die Breite der unteren Basis L1, die Breite der oberen Basis L2 und die Höhe. Die Breite der unteren Basis L1 und die Höhe können vorab anhand der Motorstruktur bestimmt werden. Der Innendurchmesser des Rotors wird durch die Motorwelle begrenzt, und unter Berücksichtigung der Verarbeitungs- und Montageanforderungen des Rotors ist die Dicke des Rotorinnenrings im Wesentlichen festgelegt. Somit ist die Höhe der Magnete vorgegeben und wird nicht als Optimierungsparameter betrachtet.

Ohne Berücksichtigung der Sättigung ist das Volumen der Magnete im Rotor proportional zur permanentmagnetischen Flussverknüpfung des Motorrotors. Um die Drehmomentabgabefähigkeit des Motors sicherzustellen, muss die Breite der unteren Basis der Trapezmagnete maximiert werden, bevor die Rotorstruktur optimiert wird. Eine größere untere Basisbreite führt jedoch zu einer geringeren Verbindungsbrückenbreite im Rotorkern, was sich auf die Beanspruchung des Rotors auswirkt. Das Prinzip zur Bestimmung der unteren Basisbreite der Magnete besteht darin, die Brückenbreite zu minimieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Rotorbelastung den Anforderungen entspricht. Sobald die Breite der unteren Basis bestimmt ist, werden Finite-Elemente-Methoden verwendet, um die Abmessungen der oberen Basis zu definieren.

Um sicherzustellen, dass die mechanische Festigkeit der Motorrotorstruktur den betrieblichen Anforderungen entspricht, wird mithilfe von Finite-Elemente-Methoden ein dreidimensionales Modell der Rotorstruktur erstellt. Unter Anwendung der Rotationsträgheitslast der Nenndrehzahl des Motors wird die strukturelle Spannung des Rotors überprüft. Abbildung 2 zeigt die Spannungsverteilungswolkenkarte des Motorrotors, die eine maximale Rotorkernspannung von 0,98 MPa anzeigt. Da es sich bei dem Motorrotormaterial um Siliziumstahl mit einer Streckgrenze von 405 MPa handelt, liegt die maximale Spannung unter diesen Bedingungen unter der Streckgrenze, was bestätigt, dass die Rotorstruktur den mechanischen Anforderungen entspricht.

Für Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmotoren mit kleiner Leistung wird eine tangential eingebettete Rotorstruktur auf Basis trapezförmiger Magnete vorgeschlagen, um den Produktionsprozess zu vereinfachen. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation zeigen, dass die Bestimmung der Magnetparameter eine umfassende Berücksichtigung des Ausgangsdrehmoments, der Drehmomentwelligkeit, der Herstellungsprozesse und der Fehler erfordert. Durch die Optimierung der Rotoraußenfläche kann die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert werden. Die Studie zeigt, dass die neue Motorrotorstruktur die Rotorverarbeitung und -kosten bei minimaler Auswirkung auf die Drehmomentleistung erheblich vereinfacht und wertvolle Erfahrungen im technischen Design sowie Referenzen für die Optimierung dieses Motortyps liefert.