Tärkeimmät elementit nopeiden moottorien kehityksessä

Maailmanlaajuisten uusien energiaajoneuvojen markkinoiden voimakkaan kehityksen myötä ajomoottoreiden nopeus on osoittanut hämmästyttävää kasvua. 18 000 rpm useita vuosia sitten mukavasti yli 20 000 rpm tänään, tämä ei edusta vain numeerista läpimurtoa, vaan myös moottorin suunnittelun ja valmistusteknologioiden tiukkoja testejä. Tässä artikkelissa käsitellään useita näkökohtia nopea moottorin kehitys.

 

01. Valinta Roottorin napaparinumero

Nopeissa moottoreissa raudan häviöstä on tullut väistämätön kriittinen tekijä, erityisesti suurilla nopeuksilla. Moottorin napojen lukumäärän ja rautahäviön välillä on läheinen suhde, koska moottorin nopeuden kasvaessa myös magneettivuon muutosten taajuus sydämessä kasvaa, mikä lisää merkittävästi rautahäviötä.

Esimerkiksi 20 000 rpm:llä toimivassa moottorissa 6-napainen moottori saavuttaa 1000 Hz:n toimintataajuuden, kun taas 8-napainen moottori nostaa sen 1333 Hz:iin. Yllä mainitun rautahäviön laskentakaavan mukaan toimintataajuuden kasvu johtaa suoraan lisääntyneeseen rautahäviöön.

Nopeiden moottoreiden suunnittelutrendissä on havaittavissa 8/48 napapaikkayhdistelmien käytön asteittainen väheneminen ja 6/54 napapaikkayhdistelmien käytön lisääntyminen.

Syy tähän muutokseen piilee edellä mainituissa raudanhukkaa koskevissa näkökohdissa. Rautahäviön vähentämiseksi nopean käytön aikana suunnittelijoilla on tapana valita 6/54 napa-urayhdistelmä parantaakseen sähkömagneettista suorituskykyä ja tehokkuutta.

02. Jäähdytysjärjestelmän valinta

Nopeiden kestomagneettimoottoreiden lämpötila vaikuttaa merkittävästi niiden suorituskykyyn. Koska kestomagneettien toimintapiste ajautuu lämpötilan mukana, liian korkeat lämpötilat voivat jopa vaarantaa magneettien demagnetoitumisen. Lisäksi uusien energiaajoneuvojen sähkömoottoreiden suuri tehotiheys rajoittaa jäähdytyspinta-alaa, mikä tekee jäähdytysjärjestelmän suunnittelusta ratkaisevan tärkeän moottorin vakaan suorituskyvyn varmistamisen.

Jäähdytysmenetelmiä harkitessani suosittelen öljyjäähdytysjärjestelmän käyttöä moottoreille, joiden nopeus ylittää 18 000 rpm. Tämä johtuu siitä, että roottorin kuumenemisongelmat tulevat erityisen merkittäviksi, kun nopeudet ylittävät 16 000 rpm. Vesijäähdytteisessä moottorissa staattori on ensisijaisesti jäähdytetty, kun taas suurilla nopeuksilla roottorin lämmön tehokas poistaminen vesijäähdytyksen avulla on haastavaa.

Mitä tulee lämpötilan valvontaan, nykyiset moottorimallit tyypillisesti upottavat lämpötila-anturit staattorin sisään. Vesijäähdytteisissä moottoreissa staattorin käämien lämpötilajakauma on vakaan virtauskanavarakenteen ansiosta suhteellisen tasainen ja hyvin hallittu. Öljyjäähdytteisissä moottoreissa virtauskanavien suurempi suunnittelujoustavuus johtaa kuitenkin havaittavampiin lämpötilaeroihin käämien välillä vesijäähdytteisiin moottoreihin verrattuna. Siksi anturin sijaintia valittaessa on tärkeää ottaa huomioon alueet, joilla käämityksen lämpötila nousee korkeammalle, jotta valvotun lämpötilan ja korkeimman käämipisteen välinen lämpötilaero voidaan minimoida, mikä kuvastaa tarkasti moottorin todellista lämpötilaa.

03. Nopeiden laakerien teknologiset haasteet

Roottorin tukijärjestelmä on keskeinen komponentti nopeiden moottoreiden kehittämisessä, ja laakeritekniikan valinta on erityisen tärkeää. Tällä hetkellä syväurakuulalaakereita käytetään yleisesti moottorin laakereissa.

Nopeissa ympäristöissä kuulalaakerit kohtaavat vakavia haasteita, kuten ylikuumenemisen ja juoksuvaaran. Tämä johtuu siitä, että nopeuden kasvaessa myös kitka ja lämmön muodostuminen laakereiden sisällä lisääntyvät jyrkästi, mikä johtaa laakerin suorituskyvyn heikkenemiseen tai jopa vaurioitumiseen. Siksi suurten nopeuksien laakereiden voitelu on ratkaisevan tärkeää.

Kun moottorin nopeudet ylittävät 18 000 rpm, toinen tärkeä syy suositella öljyn jäähdytystä on laakerien voitelu. Vesijäähdytteisissä moottoreissa laakereina käytetään tyypillisesti itsevoitelevia kuulalaakereita. Suurinopeuksisen käytön aikana nämä laakerit kohtaavat kuitenkin haasteita, kuten rasvavuoto ja suuret lämpötilaerot sisä- ja ulkorenkaiden välillä.

Sitä vastoin öljynjäähdytysjärjestelmissä käytetyt avoimen tyyppiset kuulalaakerit voivat jäähdyttää tehokkaasti laakerien sisä- ja ulkorenkaita, jolloin vältytään rasvavuotojlta ja niiden vierintäkitkakerroin on pienempi. Voiteluöljypolkujen suunnitteluun on kuitenkin kiinnitettävä huomiota riittävän laakerin jäähdytyksen varmistamiseksi. Olkareikään ulkoneva rakenne on upotettu sen varmistamiseksi, että jäähdytysöljyn virtausnopeus on suhteellisen tasainen ennen ja jälkeen olakkeen.