Elementos clave en el desarrollo de motores de alta velocidad

Con el vigoroso desarrollo del mercado mundial de vehículos de nueva energía, la velocidad de conducción de los motores ha mostrado un crecimiento asombroso. Desde 18.000 rpm hace varios años hasta superar cómodamente las 20.000 rpm actuales, esto representa no sólo un avance numérico sino también pruebas rigurosas de diseño de motores y tecnologías de fabricación. Este artículo analiza varios aspectos de desarrollo motor de alta velocidad.

 

01. Selección de del rotor Número de par de polos

En los motores de alta velocidad, la pérdida de hierro se ha convertido en un factor crítico inevitable, especialmente en rangos de alta velocidad. Existe una estrecha relación entre el número de polos del motor y la pérdida de hierro porque a medida que aumenta la velocidad del motor, también aumenta la frecuencia de los cambios de flujo magnético en el núcleo, lo que lleva a un aumento significativo de la pérdida de hierro.

Por ejemplo, en un motor que funciona a 20.000 rpm, un motor de 6 polos alcanza una frecuencia de trabajo de 1000 Hz, mientras que un motor de 8 polos la aumenta hasta 1333 Hz. Según la fórmula de cálculo de la pérdida de hierro mencionada anteriormente, el aumento de la frecuencia de funcionamiento conduce directamente a una mayor pérdida de hierro.

En la tendencia de diseño de motores de alta velocidad, podemos ver una disminución gradual en el uso de combinaciones de 8/48 polos y ranuras y un aumento en el uso de combinaciones de 6/54 polos y ranuras.

La razón de este cambio radica en las consideraciones antes mencionadas sobre la pérdida de hierro. Para reducir la pérdida de hierro durante el funcionamiento a alta velocidad, los diseñadores tienden a elegir la combinación polo-ranura de 6/54 para lograr un mejor rendimiento electromagnético y una mayor eficiencia.

02. Selección del sistema de refrigeración.

Para los motores de imanes permanentes de alta velocidad, la temperatura afecta significativamente su rendimiento. Dado que el punto de funcionamiento de los imanes permanentes varía con la temperatura, temperaturas excesivamente altas pueden incluso provocar una desmagnetización de los imanes. Además, la alta densidad de potencia de los motores eléctricos en los vehículos de nueva energía limita la superficie de enfriamiento, lo que hace que el diseño del sistema de enfriamiento sea crucial para garantizar un rendimiento estable del motor.

Al considerar los métodos de enfriamiento, sugiero utilizar un sistema de enfriamiento de aceite para motores con velocidades superiores a 18.000 rpm. Esto se debe a que los problemas de calentamiento del rotor se vuelven particularmente prominentes cuando las velocidades superan las 16.000 rpm. En un motor refrigerado por agua, el estator se enfría principalmente, mientras que a altas velocidades, disipar eficazmente el calor del rotor mediante refrigeración por agua se convierte en un desafío.

En cuanto al control de temperatura, los diseños de motores actuales suelen incorporar sensores de temperatura dentro del estator. En los motores refrigerados por agua, debido a las estructuras estables de los canales de flujo, la distribución de temperatura de los devanados del estator es relativamente uniforme y está bien controlada. Sin embargo, en los motores enfriados por aceite, la mayor flexibilidad de diseño de los canales de flujo da como resultado diferencias de temperatura más notables entre los devanados en comparación con los motores enfriados por agua. Por lo tanto, al seleccionar la ubicación del sensor, es crucial considerar áreas con mayores aumentos de temperatura del devanado para minimizar la diferencia de temperatura entre la temperatura monitoreada y el punto de devanado más alto, reflejando con precisión el estado térmico real del motor.

03. Desafíos tecnológicos de los rodamientos de alta velocidad

El sistema de soporte del rotor es un componente central en el desarrollo de motores de alta velocidad, siendo particularmente crítica la selección de la tecnología de rodamientos. Actualmente, los rodamientos rígidos de bolas se utilizan comúnmente en rodamientos de motores.

En entornos de alta velocidad, los rodamientos de bolas enfrentan serios desafíos, como el sobrecalentamiento y el riesgo de correr. Esto se debe a que a medida que aumenta la velocidad, la fricción y la generación de calor dentro de los rodamientos también aumentan drásticamente, lo que provoca una disminución del rendimiento del rodamiento o incluso una falla. Por tanto, la lubricación de los rodamientos de alta velocidad es crucial.

Cuando las velocidades del motor superan las 18.000 rpm, otra razón importante para recomendar el enfriamiento por aceite es la lubricación de los cojinetes. En los motores refrigerados por agua, se suelen utilizar rodamientos de bolas autolubricantes. Sin embargo, durante el funcionamiento a alta velocidad, estos rodamientos enfrentan desafíos como fugas de grasa y grandes diferencias de temperatura entre los aros interior y exterior.

Por el contrario, los rodamientos de bolas de tipo abierto utilizados en sistemas de refrigeración de aceite pueden enfriar eficazmente los anillos interior y exterior de los rodamientos, evitando problemas de fugas de grasa y teniendo un coeficiente de fricción de rodadura más bajo. Sin embargo, se debe prestar atención al diseño de las rutas del aceite lubricante para garantizar una refrigeración adecuada de los rodamientos. En el orificio del hombro, la estructura sobresaliente está incrustada para garantizar que la velocidad del flujo de aceite de enfriamiento sea relativamente uniforme antes y después del hombro.