ساختار و مشخصات طراحی روتور موتور پرسرعت (طراحی استاتور، انواع طراحی ساختار روتور)

روتور موتور با سرعت بالا دارای مشخصات اندازه کوچک، چگالی توان بالا، اتصال مستقیم با بار سرعت بالا، حذف دستگاه شتاب دهنده مکانیکی سنتی، کاهش صدای سیستم و بهبود راندمان انتقال سیستم و غیره است. کمپرسورها برای انتقال گاز طبیعی و سیستم های تولید برق توزیع شده به عنوان تجهیزات تامین انرژی برای هواپیما یا کشتی ها، و به یکی از کانون های تحقیقاتی در زمینه برق بین المللی تبدیل شده است.

مشخصات اصلی موتورهای پرسرعت سرعت روتور بالا، جریان سیم پیچ استاتور بالا و فرکانس شار مغناطیسی در هسته، چگالی توان بالا و چگالی تلفات است. این ویژگی‌ها مشخص می‌کنند که فناوری کلیدی و روش‌های طراحی موتورهای پرسرعت با موتورهای دور ثابت متفاوت است.

سرعت روتور موتورهای پرسرعت معمولاً بالاتر از 10000 دور در دقیقه است. هنگام چرخش با سرعت بالا، روتور چند لایه معمولی نمی تواند نیروی گریز از مرکز عظیم را تحمل کند، بنابراین باید از ساختار روتور چند لایه یا جامد با مقاومت بالا استفاده شود. برای موتورهای آهنربای دائم، مشکل استحکام روتور برجسته تر است، زیرا مواد آهنربای دائم متخلخل نمی توانند تنش کششی ایجاد شده توسط چرخش پر سرعت روتور را تحمل کنند و باید اقدامات حفاظتی برای آهنربای دائمی انجام شود. اصطکاک با سرعت بالا بین روتور و شکاف هوا باعث از دست دادن اصطکاک بسیار بیشتر در سطح روتور نسبت به موتور با سرعت ثابت می شود که اتلاف گرمای روتور را با مشکل مواجه می کند. به منظور اطمینان از اینکه روتور از استحکام کافی برخوردار است، روتور موتور پرسرعت عمدتاً باریک است، بنابراین در مقایسه با موتور با سرعت ثابت، امکان نزدیک شدن سیستم روتور به سرعت بحرانی موتور پرسرعت بسیار افزایش می‌یابد. یاتاقان های معمولی موتور نمی توانند به طور قابل اعتماد در سرعت بالا کار کنند و باید از سیستم های بلبرینگ با سرعت بالا استفاده کرد.

فرکانس متناوب بالای جریان سیم پیچ و شار مغناطیسی در هسته موتور با سرعت بالا باعث تلفات اضافی فرکانس بالا در سیم پیچ موتور، هسته استاتور و روتور می شود. هنگامی که فرکانس جریان استاتور کم است، اثر پوسته و اثر مجاورتی بر تلفات سیم‌پیچ را می‌توان نادیده گرفت، اما در فرکانس بالا، سیم‌پیچ استاتور اثر پوستی و اثر مجاورتی آشکار ایجاد می‌کند و تلفات اضافی سیم‌پیچ را افزایش می‌دهد. فرکانس شار مغناطیسی در هسته استاتور موتور با سرعت بالا زیاد است، تأثیر پوسته را نمی توان نادیده گرفت و روش محاسبه مرسوم خطاهای زیادی را به همراه خواهد داشت. به منظور محاسبه دقیق تلفات هسته استاتور موتور پرسرعت، لازم است مدل محاسبه تلفات آهن در شرایط فرکانس بالا بررسی شود. هارمونیک های فضایی ناشی از شکاف استاتور و توزیع غیر سینوسی سیم پیچ، و همچنین هارمونیک های جریان و زمان تولید شده توسط منبع تغذیه PWM، تلفات زیادی جریان گردابی در روتور ایجاد می کند. به دلیل کوچک بودن روتور و شرایط سرمایشی نامناسب، مشکلات زیادی را برای اتلاف حرارت روتور به همراه خواهد داشت. بنابراین، محاسبه دقیق تلفات جریان گردابی روتور و بررسی اقدامات موثر برای کاهش تلفات جریان گردابی روتور مورد بحث قرار خواهد گرفت. برای کارکرد قابل اعتماد موتور با سرعت بالا اهمیت زیادی دارد. در عین حال، ولتاژ یا جریان فرکانس بالا نیز چالش هایی را برای طراحی کنترل کننده موتورهای پرسرعت بالا به همراه دارد.

حجم موتور پرسرعت بسیار کوچکتر از موتور با سرعت ثابت با همان قدرت است، نه تنها چگالی توان و چگالی تلفات زیاد است، بلکه اتلاف گرما نیز دشوار است، اگر از اقدامات ویژه اتلاف گرما استفاده نشود، افزایش دمای موتور بسیار زیاد خواهد بود، در نتیجه عمر سیم پیچ، به ویژه برای موتور آهنربای دائمی، در مورد موتور آهنربای دائمی، کاهش می یابد. مغناطیس زدایی یک سیستم خنک کننده خوب طراحی شده می تواند به طور موثر افزایش دمای روتور ثابت را کاهش دهد، که کلید عملکرد پایدار طولانی مدت موتورهای پرسرعت بالا است.

به طور خلاصه، بسیاری از مشکلات کلیدی ویژه در استحکام روتور، دینامیک سیستم روتور، طراحی الکترومغناطیسی، طراحی سیستم خنک کننده و محاسبه افزایش دما، یاتاقان با سرعت بالا و توسعه کنترلر وجود دارد که در موتورهای معمولی موجود نیستند. بنابراین، طراحی موتور با سرعت بالا یک فرآیند طراحی جامع از تکرارهای متعدد میدان های فیزیکی مانند میدان الکترومغناطیسی، قدرت روتور، دینامیک روتور، میدان سیال و میدان دما است. در حال حاضر انواع اصلی موتورهای مورد استفاده در میدان های پرسرعت موتورهای القایی، موتورهای آهنربای دائم، موتورهای رلوکتانس سوئیچ و موتورهای قطب پنجه ای هستند و هر نوع موتور توپولوژی متفاوتی دارد.

این مقاله وضعیت توسعه انواع مختلف موتورهای پرسرعت را در داخل و خارج از کشور تحلیل می‌کند و شاخص حد انواع مختلف موتورهای پرسرعت را خلاصه می‌کند. ساختار و ویژگی های طراحی موتور پرسرعت به طور مفصل مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد، از جمله طراحی استاتور، طراحی ساختار روتور، تجزیه و تحلیل دینامیک سیستم روتور، انتخاب بلبرینگ و طراحی سیستم خنک کننده و غیره. در نهایت، مشکلات اصلی پیش روی توسعه موتور پرسرعت مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد و روند توسعه و چشم انداز موتور با سرعت بالا بررسی می شود.