معرفی روتور موتورهای پرسرعت

الف روتور موتور پرسرعت بخش مهمی از موتورهای پرسرعت است که معمولاً یک محور چرخان را در بر می گیرد. با مهار نیروی الکتریکی تولید شده توسط موتور برای انتقال حرکت چرخشی به دستگاه های مکانیکی عمل می کند. مشخصه بارز روتورهای موتور با سرعت بالا، سرعت چرخش بالای آنها است که اغلب بیش از 10000 دور در دقیقه (rpm) است.

در طراحی ساختاری روتورهای موتور با سرعت بالا، باید به عواملی مانند نیروی گریز از مرکز و نیروی ضربه ای که از کارکرد با سرعت بالا ناشی می شود توجه قابل توجهی شود. این امر مستلزم بهینه سازی سبک وزنی محوری، عملکرد متعادل کننده پویا و مقاومت در برابر سایش است. چندین نوع ساختاری رایج از روتورهای موتور پرسرعت وجود دارد، از جمله نوع آستینی، نوع دیسکی، نوع تعلیق مغناطیسی و نوع همسطح. انتخاب نوع سازه باید بر اساس نیازهای عملی باشد.

موتورهای پرسرعت، با اندازه کوچک، چگالی توان بالا، اتصال مستقیم با بارهای پرسرعت، حذف دستگاه‌های افزایش سرعت مکانیکی سنتی، کاهش صدای سیستم و بهبود راندمان انتقال سیستم، چشم‌اندازهای کاربردی گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف از جمله ماشین‌های سنگ‌زنی پرسرعت، سیستم‌های ذخیره‌سازی سوخت بالا، سیستم‌های ذخیره‌سازی سوخت بالا، سلول‌های خنک‌کننده با گردش هوا دارند. کمپرسورهای گریز از مرکز برای حمل و نقل گاز طبیعی و سیستم های تولید برق توزیع شده که به عنوان تجهیزات تامین برق هواپیما یا کشتی استفاده می شود. آنها به یکی از کانون های تحقیقاتی در زمینه مهندسی برق بین المللی تبدیل شده اند.

از ویژگی های اصلی موتورهای پرسرعت می توان به سرعت روتور بالا، جریان سیم پیچی استاتور و فرکانس شار مغناطیسی در هسته آهنی و چگالی توان و چگالی تلفات بالا اشاره کرد. این ویژگی‌ها نیازمند فناوری‌های کلیدی و روش‌های طراحی منحصر به فرد برای موتورهای پرسرعت است و آنها را از موتورهای با سرعت معمولی متمایز می‌کند. روتورهای موتور پرسرعت معمولاً در سرعت های بالاتر از 10000 دور در دقیقه می چرخند. در طول چرخش با سرعت بالا، روتورهای چند لایه معمولی برای مقاومت در برابر نیروهای گریز از مرکز بسیار تلاش می کنند، که نیاز به اتخاذ ساختارهای روتور چند لایه یا جامد با استحکام بالا دارد. برای موتورهای آهنربای دائم، مسائل مربوط به استحکام روتور حتی برجسته‌تر است، زیرا مواد آهنربای دائم متخلخل نمی‌توانند تنش کششی ایجاد شده توسط چرخش روتور با سرعت بالا را تحمل کنند و اقدامات حفاظتی برای آهنرباهای دائمی ضروری است.

علاوه بر این، اصطکاک با سرعت بالا بین روتور و شکاف هوا منجر به تلفات اصطکاک روی سطح روتور می شود که بسیار بیشتر از اصطکاک موتورهای با سرعت معمولی است و چالش های قابل توجهی برای خنک سازی روتور ایجاد می کند. برای اطمینان از استحکام کافی روتور، روتورهای موتورهای پرسرعت اغلب باریک هستند و احتمال نزدیک شدن به سرعت‌های چرخشی بحرانی را در مقایسه با موتورهای با سرعت معمولی افزایش می‌دهند. برای جلوگیری از رزونانس خمشی، پیش بینی دقیق سرعت چرخش بحرانی سیستم روتور بسیار مهم است.

علاوه بر این، یاتاقان‌های موتور معمولی نمی‌توانند با اطمینان در سرعت‌های بالا کار کنند، که نیاز به استفاده از سیستم‌های بلبرینگ با سرعت بالا را دارد. جریان متناوب فرکانس بالا در سیم پیچ و شار مغناطیسی در هسته آهنی استاتور موتورهای پرسرعت تلفات اضافی با فرکانس بالا در سیم پیچ موتور، هسته آهنی استاتور و روتور ایجاد می کند. وقتی فرکانس جریان استاتور کم است، معمولاً می‌توان اثر پوسته و اثر مجاورتی را روی تلفات سیم‌پیچ نادیده گرفت، اما در موقعیت‌های فرکانس بالا، سیم‌پیچ استاتور اثر پوستی و اثر مجاورتی قابل‌توجهی را نشان می‌دهد و تلفات اضافی سیم‌پیچ را افزایش می‌دهد.

فرکانس شار مغناطیسی بالا در هسته آهنی استاتور موتورهای با سرعت بالا نمی تواند تأثیر پوسته را نادیده بگیرد و روش های محاسبه مرسوم می تواند منجر به خطاهای قابل توجهی شود. برای محاسبه دقیق تلفات هسته آهن استاتور موتورهای پرسرعت، لازم است مدل‌های محاسبه تلفات آهن در شرایط فرکانس بالا بررسی شود. هارمونیک های فضایی ناشی از شکاف استاتور و توزیع سیم پیچ غیر سینوسی، و همچنین هارمونیک های زمان جاری تولید شده توسط منبع تغذیه PWM، همگی تلفات قابل توجهی جریان گردابی در روتور ایجاد می کنند. حجم کم روتور و شرایط خنک کننده ضعیف، مشکلات زیادی را برای خنک سازی روتور ایجاد می کند. بنابراین، محاسبه دقیق تلفات جریان گردابی روتور و بررسی اقدامات موثر برای کاهش آنها برای عملکرد مطمئن موتورهای پرسرعت بسیار مهم است.

علاوه بر این، ولتاژها یا جریان های فرکانس بالا چالش هایی را برای طراحی کنترل کننده موتورهای پرسرعت بالا ایجاد می کند. موتورهای پرسرعت بسیار کوچکتر از موتورهای با سرعت معمولی با توان معادل هستند و دارای چگالی توان و چگالی تلفات بالا و همچنین خنک کنندگی دشوار هستند. بدون اقدامات خنک کننده خاص، دمای موتور می تواند بیش از حد افزایش یابد و عمر سیم پیچ را کوتاه کند. به خصوص برای موتورهای آهنربای دائم، دمای بیش از حد روتور می تواند منجر به مغناطیس زدایی غیرقابل برگشت آهنرباهای دائمی شود.

موتورهای پرسرعت عموماً به موتورهایی با سرعت چرخش بیش از 10000 دور در دقیقه یا مقادیر دشواری (محصول سرعت دورانی و جذر توان) بیش از 1×10^5 اشاره دارند. در میان انواع مختلف موتورهای موجود در حال حاضر، موتورهایی که با موفقیت به سرعت های بالا دست می یابند، عمدتاً عبارتند از موتورهای القایی، موتورهای آهنربای دائم داخلی، موتورهای رلوکتانس سوئیچ، و تعدادی موتور آهنربای دائم خارجی و موتورهای قطب پنجه ای. ساختار روتور موتورهای القایی با سرعت بالا نسبتاً ساده است، با اینرسی دورانی کم و توانایی عملکرد طولانی مدت در شرایط دمای بالا و سرعت بالا، که باعث می شود آنها به طور گسترده در کاربردهای با سرعت بالا مورد استفاده قرار گیرند.

به طور خلاصه، روتورهای موتورهای پرسرعت اجزای محوری هستند که عملکرد موتورها را با سرعت بالا امکان‌پذیر می‌سازند که با سرعت‌های چرخشی بالا، طراحی‌های ساختاری خاص و چالش‌هایی در سیستم‌های خنک‌کننده و یاتاقان مشخص می‌شوند. با پیشرفت‌های تکنولوژیکی و ارتقای صنعتی، موتورهای پرسرعت به طور فزاینده‌ای در زمینه‌هایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی، هوافضا، روبات‌های صنعتی و انرژی پاک استفاده می‌شوند و باعث توسعه مواد و فناوری‌های با کارایی بالا می‌شوند. به عنوان مثال، استفاده گسترده از روتورهای فیبر کربنی، کارایی و دوام موتور را به طور قابل توجهی افزایش می دهد و عصر جدیدی از فناوری موتورهای پرسرعت را نشان می دهد.