Χαρακτηριστικά δομής και σχεδιασμού κινητήρα υψηλής ταχύτητας (Σχεδιασμός στάτορα, διαφορετικοί τύποι σχεδιασμού δομής ρότορα)

Ο ρότορας κινητήρα υψηλής ταχύτητας έχει τα χαρακτηριστικά του μικρού μεγέθους, της υψηλής πυκνότητας ισχύος, της άμεσης σύνδεσης με το φορτίο υψηλής ταχύτητας, την εξάλειψη της παραδοσιακής μηχανικής συσκευής επιτάχυνσης, τη μείωση του θορύβου του συστήματος και τη βελτίωση της απόδοσης μετάδοσης του συστήματος κλπ. Εξοπλισμός προμήθειας για αεροσκάφη ή πλοία και έχει γίνει ένα από τα ερευνητικά hotspots στο διεθνές ηλεκτρικό τομέα.

Τα κύρια χαρακτηριστικά του κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι η υψηλή ταχύτητα του ρότορα, το υψηλό ρεύμα περιέλιξης του στάτη και η συχνότητα μαγνητικής ροής στον πυρήνα, την πυκνότητα υψηλής ισχύος και την πυκνότητα απώλειας. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθορίζουν ότι οι βασικές τεχνολογίες και οι μέθοδοι σχεδιασμού του κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι διαφορετικές από εκείνες του κινητήρα σταθερής ταχύτητας.

Η ταχύτητα του ρότορα του κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι συνήθως υψηλότερη από 10 000 r/min. Όταν περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα, ο συμβατικός στρώμα στρώματος δεν μπορεί να αντέξει την τεράστια φυγοκεντρική δύναμη, πρέπει να χρησιμοποιηθεί τόσο ειδική δομή πλαστικοποιημένων ή στερεών ρότορα. Για τους κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, το πρόβλημα της αντοχής του ρότορα είναι πιο εμφανές, επειδή το σταθερό υλικό μόνιμου μαγνήτη δεν μπορεί να αντέξει την εφελκυστική τάση που παράγεται από την περιστροφή υψηλής ταχύτητας του ρότορα και πρέπει να ληφθούν μέτρα προστασίας για τον μόνιμο μαγνήτη. Η τριβή υψηλής ταχύτητας μεταξύ του ρότορα και του κενού αέρα προκαλεί πολύ μεγαλύτερη απώλεια τριβής στην επιφάνεια του ρότορα από εκείνη του κινητήρα σταθερής ταχύτητας, ο οποίος προκαλεί μεγάλη δυσκολία στη διάχυση της θερμότητας του ρότορα. Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι ο ρότορας έχει επαρκή αντοχή, ο ρότορας του κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι κυρίως λεπτός, έτσι σε σύγκριση με τον κινητήρα σταθερής ταχύτητας, η πιθανότητα του συστήματος του ρότορα που πλησιάζει την κρίσιμη ταχύτητα του κινητήρα υψηλής ταχύτητας αυξάνεται σημαντικά. Τα συνηθισμένα ρουλεμάν δεν μπορούν να λειτουργούν αξιόπιστα σε υψηλή ταχύτητα και πρέπει να χρησιμοποιηθούν συστήματα εδράνου υψηλής ταχύτητας.

Η υψηλή εναλλασσόμενη συχνότητα του ρεύματος περιέλιξης και της μαγνητικής ροής στον πυρήνα του κινητήρα υψηλής ταχύτητας θα παράγει μεγάλη πρόσθετη απώλεια υψηλής συχνότητας στην περιέλιξη του κινητήρα, του πυρήνα του στάτορα και του ρότορα. Όταν η συχνότητα του ρεύματος του στάτη είναι χαμηλή, η επίδραση της επίδρασης του δέρματος και της επίδρασης εγγύτητας στην απώλεια περιέλιξης μπορεί να αγνοηθεί, αλλά σε υψηλή συχνότητα, η περιέλιξη του στάτη θα παράγει προφανή επίδραση του δέρματος και την επίδραση της εγγύτητας και θα αυξήσει την πρόσθετη απώλεια της περιέλιξης. Η συχνότητα μαγνητικής ροής στον πυρήνα του στάτορα του κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι υψηλή, η επίδραση της επίδρασης του δέρματος δεν μπορεί να αγνοηθεί και η συμβατική μέθοδος υπολογισμού θα φέρει μεγάλα σφάλματα. Προκειμένου να υπολογιστεί με ακρίβεια η απώλεια πυρήνα του στάτη του κινητήρα υψηλής ταχύτητας, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί το μοντέλο υπολογισμού της απώλειας σιδήρου υπό συνθήκες υψηλής συχνότητας. Οι διαστημικές αρμονικές που προκαλούνται από την υποδοχή του στάτορα και την εκκαθάριση της μη-φινλανικής κατανομής, καθώς και από τις τρέχουσες και χρονικές αρμονικές που παράγονται από την τροφοδοσία PWM, θα προκαλέσουν μεγάλη απώλεια ρεύματος στο ρότορα. Λόγω του μικρού μεγέθους του ρότορα και των κακών συνθηκών ψύξης, θα φέρει μεγάλες δυσκολίες στη διάχυση της θερμότητας του ρότορα. Επομένως, θα συζητηθεί ο ακριβής υπολογισμός της απώλειας ρεύματος του ρότορα και η εξερεύνηση αποτελεσματικών μέτρων για τη μείωση της απώλειας ρεύματος του ρότορα. Έχει μεγάλη σημασία για την αξιόπιστη λειτουργία του κινητήρα υψηλής ταχύτητας. Ταυτόχρονα, η τάση ή το ρεύμα υψηλής συχνότητας φέρνουν επίσης προκλήσεις στον σχεδιασμό ελεγκτή των κινητήρων υψηλής ταχύτητας υψηλής ταχύτητας.

Ο όγκος του κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι πολύ μικρότερος από τον κινητήρα σταθερής ταχύτητας της ίδιας ισχύος, όχι μόνο η πυκνότητα ισχύος και η πυκνότητα απώλειας είναι μεγάλος, αλλά και η διάχυση της θερμότητας είναι δύσκολη, αν η ειδική θερμική διάχυση δεν χρησιμοποιείται, η αύξηση της θερμοκρασίας του κινητήρα θα είναι υπερβολικά υψηλή, μειώνοντας έτσι τη διάρκεια της ζωής της περιέλιξης, ειδικά για τον μόνιμο μαγνήτη, ο κινητήρας είναι πολύ υψηλός απομαγνητισμός. Ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα ψύξης μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την αύξηση της θερμοκρασίας του σταθερού ρότορα, που είναι το κλειδί για τη μακροπρόθεσμη σταθερή λειτουργία κινητήρων υψηλής ταχύτητας υψηλής ταχύτητας.

Συνοψίζοντας, υπάρχουν πολλά ειδικά βασικά προβλήματα στην αντοχή του ρότορα, τη δυναμική του συστήματος του ρότορα, τον ηλεκτρομαγνητικό σχεδιασμό, τον σχεδιασμό του συστήματος ψύξης και τον υπολογισμό της αύξησης της θερμοκρασίας, την ανάπτυξη ρουλεμάν και την ανάπτυξη του ελεγκτή υψηλής ταχύτητας που δεν είναι διαθέσιμες σε συμβατικούς κινητήρες. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός του κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι μια ολοκληρωμένη διαδικασία σχεδιασμού πολλαπλών επαναλήψεων φυσικών πεδίων, όπως ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, αντοχή ρότορα, δυναμική ρότορα, πεδίο υγρού και πεδίου θερμοκρασίας. Επί του παρόντος, οι κύριοι τύποι κινητήρων που χρησιμοποιούνται σε πεδία υψηλής ταχύτητας είναι οι κινητήρες επαγωγής, οι μόνιμοι κινητήρες μαγνητών, οι κινητήρες μετασχηματισμένες κινητήρες και οι κινητήρες πόλων και κάθε τύπος κινητήρα έχει διαφορετική τοπολογία.

Το παρόν έγγραφο αναλύει την κατάσταση ανάπτυξης διαφορετικών τύπων κινητήρων υψηλής ταχύτητας στο εσωτερικό και στο εξωτερικό και συνοψίζει τον όριο δείκτη διαφορετικών τύπων κινητήρων υψηλής ταχύτητας. Τα χαρακτηριστικά δομής και σχεδιασμού του κινητήρα υψηλής ταχύτητας αναλύονται λεπτομερώς, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού του στάτη, του σχεδιασμού δομής του ρότορα, της ανάλυσης δυναμικής του συστήματος ρότορα, της επιλογής ρουλεμάν και του σχεδιασμού του συστήματος ψύξης κλπ. Τελικά, αναλύονται τα κύρια προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανάπτυξη του κινητήρα υψηλής ταχύτητας και η τάση ανάπτυξης και η προοπτική του κινητήρα υψηλής ταχύτητας.