Estudio sobre la optimización de la estructura de rotores de motores de imanes permanentes de alta velocidad con imanes trapezoidales integrados tangencialmente

En el contexto de las pequeñas potencias Motores de imanes permanentes de alta velocidad , para cumplir con los requisitos de tensión de la estructura del rotor y simplificar el proceso de producción, se propone una estructura de rotor integrada tangencialmente basada en imanes trapezoidales. Bajo la premisa de cumplir con los requisitos básicos de diseño del motor, se optimizan los parámetros de la estructura del rotor. La simulación de elementos finitos se emplea para analizar los efectos del coeficiente del arco polar y la estructura de la superficie del rotor sobre el par dentado, el par promedio y la ondulación del par. También se realizan controles de tensión estructural.

Para simplificar aún más el proceso de fabricación y ensamblaje del rotor del motor, haciéndolo más adecuado para aplicaciones de alta velocidad, este estudio propone una nueva estructura de rotor incrustada tangencialmente basada en imanes trapezoidales para motores de imanes permanentes de pequeña potencia que utilizan devanados concentrados de ranura fraccionaria. Cuando el estator utiliza una estructura central segmentada, se optimiza la estructura de la superficie del rotor. El análisis detallado de cómo estos parámetros de la estructura del rotor influyen en la ondulación del par y el par promedio proporciona una referencia valiosa para el diseño de dichos motores.

El motor adopta devanados concentrados de ranura fraccionaria y el estator utiliza una estructura de ensamblaje segmentada, lo que facilita los procesos de devanado automatizados y reduce los costos de producción y procesamiento. El rotor emplea una estructura incrustada tangencialmente, con imanes trapezoidales insertados directamente en las ranuras del rotor. En comparación con las estructuras de rotor tangenciales tradicionales, este nuevo diseño reduce los costos de procesamiento del núcleo del rotor y simplifica los procesos de ensamblaje.

La optimización de la estructura del rotor del motor se divide en dos partes: optimización de los parámetros de la estructura del imán y los parámetros de la estructura de la superficie del rotor. Los parámetros de la estructura del imán incluyen el ancho de la base inferior L1, el ancho de la base superior L2 y la altura. El ancho de la base inferior L1 y la altura se pueden determinar preliminarmente basándose en la estructura del motor. El diámetro interior del rotor está limitado por el eje del motor y, teniendo en cuenta los requisitos de procesamiento y montaje del rotor, el espesor del anillo interior del rotor es esencialmente fijo. Por tanto, la altura de los imanes está predeterminada y no se considera un parámetro de optimización.

Sin considerar la saturación, el volumen de los imanes en el rotor es proporcional al enlace de flujo magnético permanente del rotor del motor. Para garantizar la capacidad de salida de par del motor, se debe maximizar el ancho de la base inferior de los imanes trapezoidales antes de optimizar la estructura del rotor. Sin embargo, un ancho de base inferior mayor da como resultado un ancho de puente de conexión más pequeño en el núcleo del rotor, lo que afecta la tensión del rotor. El principio para determinar el ancho de la base inferior de los imanes es minimizar el ancho del puente y al mismo tiempo garantizar que la tensión del rotor cumpla con los requisitos. Una vez que se determina el ancho de la base inferior, se utilizan métodos de elementos finitos para definir las dimensiones de la base superior.

Para garantizar que la resistencia mecánica de la estructura del rotor del motor cumpla con los requisitos operativos, se establece un modelo tridimensional de la estructura del rotor utilizando métodos de elementos finitos. Aplicando la carga de inercia rotacional de la velocidad nominal del motor, se verifica la tensión estructural del rotor. La Figura 2 muestra el mapa de nubes de distribución de tensiones del rotor del motor, que indica una tensión máxima en el núcleo del rotor de 0,98 MPa. Dado que el material del rotor del motor es acero al silicio con un límite elástico de 405 MPa, la tensión máxima en estas condiciones está por debajo del límite elástico, lo que confirma que la estructura del rotor cumple con los requisitos mecánicos.

Para motores de imanes permanentes de pequeña potencia y alta velocidad, se propone una estructura de rotor integrada tangencialmente basada en imanes trapezoidales para simplificar el proceso de producción. Los resultados de la simulación de elementos finitos indican que la determinación de los parámetros del imán requiere una consideración exhaustiva del par de salida, la ondulación del par, los procesos de fabricación y los errores. La optimización de la superficie exterior del rotor puede reducir aún más la ondulación del par. El estudio muestra que la nueva estructura del rotor del motor simplifica significativamente el procesamiento y los costos del rotor con un impacto mínimo en el rendimiento del par, proporcionando una valiosa experiencia en diseño de ingeniería y una referencia para optimizar este tipo de motor.