Estructura del rotor del motor de alta velocidad y características de diseño (diseño del estator, diferentes tipos de diseño de estructura del rotor)

El rotor del motor de alta velocidad tiene las características de tamaño pequeño, alta densidad de potencia, conexión directa con carga de alta velocidad, elimina el dispositivo de aceleración mecánica tradicional, reduce el ruido del sistema y mejora la eficiencia de transmisión del sistema, etc. Tiene amplias perspectivas de aplicación en los campos de rectificadoras de alta velocidad, sistemas de refrigeración de circulación de aire, volantes de almacenamiento de energía, celdas de combustible, compresores centrífugos de alta velocidad para transmisión de gas natural y sistemas de generación de energía distribuida como equipos de suministro de energía para aviones o barcos, y se ha convertido en uno de los puntos de investigación en el campo eléctrico internacional.

Las principales características del motor de alta velocidad son la alta velocidad del rotor, la alta corriente del devanado del estator y la alta frecuencia de flujo magnético en el núcleo, alta densidad de potencia y densidad de pérdidas. Estas características determinan que la tecnología clave y los métodos de diseño del motor de alta velocidad sean diferentes de los del motor de velocidad constante.

La velocidad del rotor del motor de alta velocidad suele ser superior a 10.000 r/min. Cuando gira a alta velocidad, el rotor laminado convencional no puede soportar la enorme fuerza centrífuga, por lo que es necesario utilizar una estructura de rotor sólida o laminada especial de alta resistencia. Para los motores de imanes permanentes, el problema de la resistencia del rotor es más importante, porque el material del imán permanente sinterizado no puede soportar la tensión de tracción generada por la rotación de alta velocidad del rotor, y se deben tomar medidas de protección para el imán permanente. La fricción a alta velocidad entre el rotor y el entrehierro provoca una pérdida por fricción mucho mayor en la superficie del rotor que la del motor de velocidad constante, lo que dificulta la disipación de calor del rotor. Para garantizar que el rotor tenga suficiente resistencia, el rotor del motor de alta velocidad es en su mayor parte delgado, por lo que, en comparación con el motor de velocidad constante, la posibilidad de que el sistema de rotor se acerque a la velocidad crítica del motor de alta velocidad aumenta considerablemente. Los rodamientos de motor ordinarios no pueden funcionar de manera confiable a alta velocidad y se deben utilizar sistemas de rodamientos de alta velocidad.

La alta frecuencia alterna de la corriente del devanado y el flujo magnético en el núcleo del motor de alta velocidad producirán una gran pérdida adicional de alta frecuencia en el devanado del motor, el núcleo del estator y el rotor. Cuando la frecuencia de la corriente del estator es baja, se puede ignorar el efecto del efecto superficial y el efecto de proximidad sobre la pérdida del devanado, pero a alta frecuencia, el devanado del estator producirá un efecto superficial obvio y un efecto de proximidad, y aumentará la pérdida adicional del devanado. La frecuencia del flujo magnético en el núcleo del estator del motor de alta velocidad es alta, la influencia del efecto superficial no se puede ignorar y el método de cálculo convencional generará grandes errores. Para calcular con precisión la pérdida del núcleo del estator de un motor de alta velocidad, es necesario explorar el modelo de cálculo de la pérdida de hierro en condiciones de alta frecuencia. Los armónicos espaciales causados ​​por la ranura del estator y la distribución no sinusoidal del devanado, así como los armónicos de corriente y tiempo generados por la fuente de alimentación PWM, producirán una gran pérdida de corriente parásita en el rotor. Debido al pequeño tamaño del rotor y a las malas condiciones de enfriamiento, traerá grandes dificultades para la disipación de calor del rotor. Por lo tanto, se discutirá el cálculo preciso de la pérdida por corrientes parásitas del rotor y la exploración de medidas efectivas para reducir las pérdidas por corrientes parásitas del rotor. Es de gran importancia para el funcionamiento confiable del motor de alta velocidad. Al mismo tiempo, el voltaje o la corriente de alta frecuencia también plantea desafíos al diseño del controlador de motores de alta potencia y alta velocidad.

El volumen del motor de alta velocidad es mucho menor que el motor de velocidad constante de la misma potencia, no solo la densidad de potencia y la densidad de pérdida son grandes, sino que también la disipación de calor es difícil, si no se utilizan medidas especiales de disipación de calor, el aumento de temperatura del motor será demasiado alto, acortando así la vida útil del devanado, especialmente para el motor de imán permanente, en el caso de que el aumento de temperatura del rotor sea demasiado alto, el imán permanente es propenso a una desmagnetización irreversible. Un sistema de refrigeración bien diseñado puede reducir eficazmente el aumento de temperatura del rotor fijo, que es la clave para el funcionamiento estable a largo plazo de los motores de alta potencia y velocidad.

En resumen, existen muchos problemas clave especiales en la resistencia del rotor, la dinámica del sistema del rotor, el diseño electromagnético, el diseño del sistema de enfriamiento y el cálculo del aumento de temperatura, el desarrollo de controladores y rodamientos de alta velocidad que no están disponibles en los motores convencionales. Por lo tanto, el diseño de un motor de alta velocidad es un proceso de diseño integral de múltiples iteraciones de campos físicos como el campo electromagnético, la fuerza del rotor, la dinámica del rotor, el campo de fluido y el campo de temperatura. En la actualidad, los principales tipos de motores utilizados en campos de alta velocidad son los motores de inducción, los motores de imanes permanentes, los motores de reluctancia conmutada y los motores de polos de garra, y cada tipo de motor tiene una topología diferente.

Este artículo analiza el estado de desarrollo de diferentes tipos de motores de alta velocidad en el país y en el extranjero y resume el índice límite de diferentes tipos de motores de alta velocidad. Se analizan en detalle la estructura y las características de diseño del motor de alta velocidad, incluido el diseño del estator, el diseño de la estructura del rotor, el análisis de la dinámica del sistema del rotor, la selección de rodamientos y el diseño del sistema de enfriamiento, etc. Por último, se analizan los principales problemas que enfrenta el desarrollo del motor de alta velocidad y se prospectan las tendencias y perspectivas de desarrollo del motor de alta velocidad.