Μελέτη Βελτιστοποίησης Δομής Ρότορων Κινητήρα Μόνιμου Μαγνήτη Υψηλής Ταχύτητας με Εφαπτομενικά Ενσωματωμένους Τραπεζοειδείς Μαγνήτες

Στα πλαίσια της μικρής εξουσίας κινητήρες μόνιμου μαγνήτη υψηλής ταχύτητας , για την κάλυψη των απαιτήσεων καταπόνησης της δομής του ρότορα και την απλοποίηση της διαδικασίας παραγωγής, προτείνεται μια εφαπτομενικά ενσωματωμένη δομή ρότορα βασισμένη σε τραπεζοειδείς μαγνήτες. Υπό την προϋπόθεση ότι πληρούνται οι βασικές απαιτήσεις σχεδιασμού του κινητήρα, οι παράμετροι της δομής του ρότορα βελτιστοποιούνται. Η προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιείται για την ανάλυση των επιδράσεων του συντελεστή τόξου πόλων και της δομής της επιφάνειας του δρομέα στη ροπή οδοντωτών τροχών, τη μέση ροπή και την κυματοποίηση της ροπής. Διενεργούνται επίσης έλεγχοι δομικών τάσεων.

Για να απλοποιήσει περαιτέρω τη διαδικασία κατασκευής και συναρμολόγησης του ρότορα κινητήρα, καθιστώντας τον πιο κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας, αυτή η μελέτη προτείνει μια νέα εφαπτομενικά ενσωματωμένη δομή ρότορα βασισμένη σε τραπεζοειδείς μαγνήτες για κινητήρες μόνιμου μαγνήτη μικρής ισχύος που χρησιμοποιούν συμπυκνωμένες περιελίξεις με κλασματική σχισμή. Με τον στάτορα να χρησιμοποιεί μια τμηματοποιημένη δομή πυρήνα, η δομή της επιφάνειας του ρότορα βελτιστοποιείται. Η λεπτομερής ανάλυση του τρόπου με τον οποίο αυτές οι παράμετροι της δομής του ρότορα επηρεάζουν τον κυματισμό της ροπής και τη μέση ροπή παρέχει πολύτιμη αναφορά για το σχεδιασμό τέτοιων κινητήρων.

Ο κινητήρας υιοθετεί συγκεντρωμένες περιελίξεις με κλασματική σχισμή και ο στάτορας χρησιμοποιεί μια τμηματοποιημένη δομή συναρμολόγησης, διευκολύνοντας τις αυτοματοποιημένες διαδικασίες περιέλιξης και μειώνοντας το κόστος παραγωγής και επεξεργασίας. Ο ρότορας χρησιμοποιεί μια εφαπτομενικά ενσωματωμένη δομή, με τραπεζοειδείς μαγνήτες που εισάγονται απευθείας στις σχισμές του ρότορα. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές δομές εφαπτομενικού ρότορα, αυτός ο νέος σχεδιασμός μειώνει το κόστος επεξεργασίας του πυρήνα του δρομέα και απλοποιεί τις διαδικασίες συναρμολόγησης.

Η βελτιστοποίηση της δομής του ρότορα κινητήρα χωρίζεται σε δύο μέρη: βελτιστοποίηση των παραμέτρων δομής μαγνήτη και παραμέτρους δομής επιφάνειας ρότορα. Οι παράμετροι της δομής του μαγνήτη περιλαμβάνουν το πλάτος της κάτω βάσης L1, το πλάτος της άνω βάσης L2 και το ύψος. Το πλάτος της κάτω βάσης L1 και το ύψος μπορούν να καθοριστούν προκαταρκτικά με βάση τη δομή του κινητήρα. Η εσωτερική διάμετρος του ρότορα περιορίζεται από τον άξονα του κινητήρα και λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις επεξεργασίας και συναρμολόγησης του ρότορα, το πάχος του εσωτερικού δακτυλίου του ρότορα είναι ουσιαστικά σταθερό. Έτσι, το ύψος των μαγνητών είναι προκαθορισμένο και δεν θεωρείται παράμετρος βελτιστοποίησης.

Χωρίς να λαμβάνεται υπόψη ο κορεσμός, ο όγκος των μαγνητών στον ρότορα είναι ανάλογος με τη μόνιμη σύνδεση μαγνητικής ροής του ρότορα του κινητήρα. Για να εξασφαλιστεί η ικανότητα εξόδου ροπής του κινητήρα, το πλάτος της κάτω βάσης των τραπεζοειδών μαγνητών πρέπει να μεγιστοποιηθεί πριν βελτιστοποιηθεί η δομή του ρότορα. Ωστόσο, ένα μεγαλύτερο χαμηλότερο πλάτος βάσης έχει ως αποτέλεσμα μικρότερο πλάτος γέφυρας σύνδεσης στον πυρήνα του δρομέα, επηρεάζοντας την τάση του ρότορα. Η αρχή για τον προσδιορισμό του κατώτερου πλάτους βάσης των μαγνητών είναι η ελαχιστοποίηση του πλάτους της γέφυρας διασφαλίζοντας παράλληλα ότι η τάση του ρότορα πληροί τις απαιτήσεις. Αφού προσδιοριστεί το κάτω πλάτος βάσης, χρησιμοποιούνται μέθοδοι πεπερασμένων στοιχείων για τον καθορισμό των διαστάσεων της άνω βάσης.

Για να διασφαλιστεί ότι η μηχανική αντοχή της δομής του ρότορα κινητήρα πληροί τις λειτουργικές απαιτήσεις, δημιουργείται ένα τρισδιάστατο μοντέλο της δομής του ρότορα χρησιμοποιώντας μεθόδους πεπερασμένων στοιχείων. Εφαρμόζοντας το φορτίο αδράνειας περιστροφής της ονομαστικής ταχύτητας του κινητήρα, επαληθεύεται η δομική τάση του ρότορα. Το σχήμα 2 δείχνει τον χάρτη νέφους κατανομής τάσης του ρότορα κινητήρα, υποδεικνύοντας μέγιστη τάση στον πυρήνα του δρομέα 0,98 MPa. Δεδομένου ότι το υλικό του ρότορα κινητήρα είναι χάλυβας πυριτίου με αντοχή διαρροής 405 MPa, η μέγιστη τάση υπό αυτές τις συνθήκες είναι κάτω από την αντοχή διαρροής, επιβεβαιώνοντας ότι η δομή του ρότορα πληροί τις μηχανικές απαιτήσεις.

Για κινητήρες μόνιμου μαγνήτη μικρής ισχύος υψηλής ταχύτητας, προτείνεται μια εφαπτομενικά ενσωματωμένη δομή ρότορα βασισμένη σε τραπεζοειδείς μαγνήτες για την απλοποίηση της διαδικασίας παραγωγής. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων υποδεικνύουν ότι ο προσδιορισμός των παραμέτρων του μαγνήτη απαιτεί ολοκληρωμένη εξέταση της ροπής εξόδου, του κυματισμού ροπής, των διαδικασιών κατασκευής και των σφαλμάτων. Η βελτιστοποίηση της εξωτερικής επιφάνειας του ρότορα μπορεί να μειώσει περαιτέρω τον κυματισμό της ροπής. Η μελέτη δείχνει ότι η νέα δομή του ρότορα κινητήρα απλοποιεί σημαντικά την επεξεργασία και το κόστος του ρότορα με ελάχιστη επίδραση στην απόδοση της ροπής, παρέχοντας πολύτιμη εμπειρία σχεδιασμού μηχανικής και αναφορά για τη βελτιστοποίηση αυτού του τύπου κινητήρα.