Introducción del rotor de motor de alta velocidad

A El rotor del motor de alta velocidad es una parte crítica de un motor de alta velocidad, que generalmente incorpora un eje giratorio. Funciona aprovechando la potencia eléctrica generada por el motor para impartir movimiento de rotación a dispositivos mecánicos. Una característica definitoria de los rotores de motor de alta velocidad es su alta velocidad de rotación, a menudo superior a 10,000 revoluciones por minuto (RPM).

En el diseño estructural de los rotores motores de alta velocidad, se debe tener una consideración significativa a factores como la fuerza centrífuga y la fuerza de impacto que surgen de la operación de alta velocidad. Esto requiere la optimización del peso ligero axial, el rendimiento de equilibrio dinámico y la resistencia al desgaste. Existen varios tipos estructurales comunes de rotores motores de alta velocidad, que incluyen tipo manga, tipo disco, tipo suspensión magnética y tipo coplanar. La elección del tipo estructural debe basarse en necesidades prácticas.

High-speed motors, featuring small size, high power density, direct connection with high-speed loads, elimination of traditional mechanical speed-increasing devices, reduced system noise, and improved system transmission efficiency, have broad application prospects in various fields such as high-speed grinding machines, air circulation refrigeration systems, energy storage flywheels, fuel cells, high-speed centrifugal compressors for natural gas transportation, and distributed power generation systems used as Aeronave o equipo de suministro de alimentación a bordo. Se han convertido en uno de los puntos críticos de investigación en el campo internacional de ingeniería eléctrica.

Las características principales de los motores de alta velocidad incluyen alta velocidad del rotor, corriente de devanado de estator alto y frecuencia de flujo magnético en el núcleo de hierro y alta densidad de potencia y densidad de pérdida. Estas características requieren tecnologías clave y métodos de diseño únicos para los motores de alta velocidad, distinguiéndolos de los motores de velocidad convencionales. Los rotores de motor de alta velocidad generalmente giran a velocidades superiores a 10,000 rpm. Durante la rotación de alta velocidad, los rotores laminados convencionales luchan para resistir inmensas fuerzas centrífugas, lo que requiere la adopción de estructuras de rotor laminadas o sólidas especiales de alta resistencia. Para los motores de imanes permanentes, los problemas de resistencia al rotor son aún más prominentes ya que los materiales de imán permanentes sinterizados no pueden resistir la tensión de tracción generada por la rotación del rotor de alta velocidad, lo que requiere medidas de protección para los imanes permanentes.

Además, la fricción de alta velocidad entre el rotor y el espacio de aire da como resultado pérdidas de fricción en la superficie del rotor que son mucho mayores que las de los motores de velocidad convencional, lo que plantea desafíos significativos para el enfriamiento del rotor. Para garantizar suficiente resistencia al rotor, los rotores de motor de alta velocidad a menudo son delgados, lo que aumenta la probabilidad de acercarse a las velocidades de rotación críticas en comparación con los motores de velocidad convencionales. Para evitar la resonancia de flexión, es crucial predecir con precisión la velocidad de rotación crítica del sistema de rotor.

Además, los cojinetes motores convencionales no pueden operar de manera confiable a altas velocidades, lo que requiere la adopción de sistemas de rodamiento de alta velocidad. La corriente alterna de alta frecuencia en el devanado y el flujo magnético en el núcleo de hierro del estator de los motores de alta velocidad generan pérdidas adicionales significativas de alta frecuencia en el devanado del motor, el núcleo de hierro del estator y el rotor. El efecto de la piel y el efecto de proximidad en las pérdidas del devanado generalmente se pueden ignorar cuando la frecuencia de corriente del estator es baja, pero en situaciones de alta frecuencia, el devanado del estator exhibe un efecto de piel significativo y un efecto de proximidad, aumentando las pérdidas adicionales del devanado.

La alta frecuencia de flujo magnético en el núcleo de hierro del estator de los motores de alta velocidad no puede descuidar la influencia del efecto de la piel, y los métodos de cálculo convencionales pueden conducir a errores significativos. Para calcular con precisión la pérdida del núcleo de hierro del estator de motores de alta velocidad, es necesario explorar los modelos de cálculo de pérdida de hierro en condiciones de alta frecuencia. Los armónicos espaciales causados ​​por la ranura del estator y la distribución del devanado no sinusoidal, así como los armónicos de tiempo de corriente generados por la fuente de alimentación PWM, todas producen pérdidas significativas de corriente de Eddy en el rotor. El pequeño volumen del rotor y las malas condiciones de enfriamiento plantean grandes dificultades para el enfriamiento del rotor. Por lo tanto, el cálculo preciso de las pérdidas de corriente de Rotor Eddy y la exploración de medidas efectivas para reducirlas son cruciales para la operación confiable de motores de alta velocidad.

Además, los voltajes o corrientes de alta frecuencia plantean desafíos para el diseño del controlador de motores de alta velocidad de alta potencia. Los motores de alta velocidad son mucho más pequeños que los motores de velocidad convencionales de potencia equivalente, con alta densidad de potencia y densidad de pérdida, así como un enfriamiento difícil. Sin medidas de enfriamiento especiales, la temperatura del motor puede aumentar en exceso, acortando la vida útil del devanado. Especialmente para motores de imanes permanentes, la temperatura excesiva del rotor puede conducir a la desmagnetización irreversible de imanes permanentes.

Los motores de alta velocidad generalmente se refieren a motores con velocidades de rotación superiores a 10,000 rpm o valores de dificultad (el producto de la velocidad de rotación y la raíz cuadrada de la potencia) que excede 1 × 10^5. Entre los diversos tipos de motores disponibles actualmente, aquellos que alcanzan con éxito altas velocidades incluyen principalmente motores de inducción, motores de imán permanentes interiores, motores de reticencia conmutados y algunos motores magnéticos permanentes exteriores y motores de poste de garras. Las estructuras del rotor de los motores de inducción de alta velocidad son relativamente simples, con baja inercia de rotación y la capacidad de operar durante períodos prolongados bajo condiciones de alta temperatura y alta velocidad, lo que los hace ampliamente utilizados en aplicaciones de alta velocidad.

En resumen, los rotores de motor de alta velocidad son componentes fundamentales que permiten la operación de motores de alta velocidad, caracterizada por sus altas velocidades de rotación, diseños estructurales especiales y desafíos en los sistemas de enfriamiento y rodamiento. Con los avances tecnológicos y las mejoras industriales, los motores de alta velocidad se aplican cada vez más en campos como vehículos eléctricos, aeroespaciales, robots industriales y energía limpia, lo que impulsa el desarrollo de materiales y tecnologías de alto rendimiento. El uso generalizado de los rotores de fibra de carbono, por ejemplo, mejora significativamente la eficiencia del motor y la durabilidad, marcando una nueva era de tecnología motora de alta velocidad.