Structure du rotor du moteur à grande vitesse et caractéristiques de conception (conception du stator, différents types de conception de la structure du rotor)

Le rotor du moteur à grande vitesse présente les caractéristiques d'une petite taille, d'une densité de puissance élevée, d'une connexion directe avec une charge à grande vitesse, éliminant le dispositif d'accélération mécanique traditionnel, réduisant le bruit du système et améliorant l'efficacité de la transmission du système, etc. Il a de larges perspectives d'application dans les domaines des rectifieuses à grande vitesse, des systèmes de réfrigération à circulation d'air, des volants de stockage d'énergie, des piles à combustible, des compresseurs centrifuges à grande vitesse pour le transport de gaz naturel et des systèmes de production d'énergie distribuée comme équipement d'alimentation électrique pour les avions ou les navires, et est devenu l'un des points chauds de la recherche dans le domaine électrique international.

Les principales caractéristiques du moteur à grande vitesse sont une vitesse de rotor élevée, un courant d'enroulement de stator élevé et une fréquence de flux magnétique dans le noyau, une densité de puissance élevée et une densité de perte. Ces caractéristiques déterminent que la technologie clé et les méthodes de conception du moteur à grande vitesse sont différentes de celles du moteur à vitesse constante.

La vitesse du rotor du moteur à grande vitesse est généralement supérieure à 10 000 tr/min. Lorsqu'il tourne à grande vitesse, le rotor laminé conventionnel ne peut pas résister à l'énorme force centrifuge, c'est pourquoi une structure de rotor laminée ou solide spéciale à haute résistance doit être utilisée. Pour les moteurs à aimant permanent, le problème de la résistance du rotor est plus important, car le matériau fritté à aimant permanent ne peut pas résister à la contrainte de traction générée par la rotation à grande vitesse du rotor, et des mesures de protection doivent être prises pour l'aimant permanent. La friction à grande vitesse entre le rotor et l'entrefer provoque une perte de friction sur la surface du rotor beaucoup plus importante que celle du moteur à vitesse constante, ce qui apporte de grandes difficultés à la dissipation thermique du rotor. Afin de garantir que le rotor a une résistance suffisante, le rotor du moteur à grande vitesse est en grande partie mince, donc par rapport au moteur à vitesse constante, la possibilité que le système de rotor s'approche de la vitesse critique du moteur à grande vitesse est considérablement augmentée. Les roulements de moteur ordinaires ne peuvent pas fonctionner de manière fiable à grande vitesse et des systèmes de roulements à grande vitesse doivent être utilisés.

La fréquence alternative élevée du courant d'enroulement et du flux magnétique dans le noyau du moteur à grande vitesse produira une perte supplémentaire importante à haute fréquence dans l'enroulement du moteur, du noyau du stator et du rotor. Lorsque la fréquence du courant du stator est faible, l'effet de l'effet de peau et de l'effet de proximité sur la perte d'enroulement peut être ignoré, mais à haute fréquence, l'enroulement du stator produira un effet de peau et un effet de proximité évidents, et augmentera la perte supplémentaire de l'enroulement. La fréquence du flux magnétique dans le noyau du stator du moteur à grande vitesse est élevée, l'influence de l'effet cutané ne peut être ignorée et la méthode de calcul conventionnelle entraînera de grandes erreurs. Afin de calculer avec précision la perte dans le noyau du stator d'un moteur à grande vitesse, il est nécessaire d'explorer le modèle de calcul de la perte de fer dans des conditions de haute fréquence. Les harmoniques spatiales causées par la distribution non sinusoïdale de l'encoche du stator et de l'enroulement, ainsi que les harmoniques de courant et de temps générées par l'alimentation PWM, produiront d'importantes pertes par courants de Foucault dans le rotor. En raison de la petite taille du rotor et des mauvaises conditions de refroidissement, la dissipation thermique du rotor sera très difficile. Par conséquent, le calcul précis de la perte par courants de Foucault du rotor et l’exploration de mesures efficaces pour réduire la perte par courants de Foucault du rotor seront discutés. Cela revêt une grande importance pour le fonctionnement fiable du moteur à grande vitesse. Dans le même temps, la tension ou le courant haute fréquence pose également des défis à la conception des contrôleurs de moteurs à grande vitesse et haute puissance.

Le volume du moteur à grande vitesse est beaucoup plus petit que le moteur à vitesse constante de même puissance, non seulement la densité de puissance et la densité de perte sont grandes, mais aussi la dissipation thermique est difficile, si les mesures spéciales de dissipation thermique ne sont pas utilisées, l'élévation de température du moteur sera trop élevée, raccourcissant ainsi la durée de vie de l'enroulement, en particulier pour le moteur à aimant permanent, dans le cas d'une élévation de température du rotor trop élevée, l'aimant permanent est sujet à une démagnétisation irréversible. Un système de refroidissement bien conçu peut réduire efficacement l'augmentation de la température du rotor fixe, ce qui est la clé du fonctionnement stable à long terme des moteurs à grande vitesse et haute puissance.

En résumé, il existe de nombreux problèmes clés particuliers en matière de résistance du rotor, de dynamique du système de rotor, de conception électromagnétique, de conception du système de refroidissement et de calcul de l'échauffement, de développement de roulements et de contrôleurs à grande vitesse qui ne sont pas disponibles dans les moteurs conventionnels. Par conséquent, la conception d’un moteur à grande vitesse est un processus de conception complet de plusieurs itérations de champs physiques tels que le champ électromagnétique, la résistance du rotor, la dynamique du rotor, le champ de fluide et le champ de température. À l'heure actuelle, les principaux types de moteurs utilisés dans les domaines à grande vitesse sont les moteurs à induction, les moteurs à aimants permanents, les moteurs à réluctance commutée et les moteurs à pôles à griffes, et chaque type de moteur a une topologie différente.

Cet article analyse l'état de développement de différents types de moteurs à grande vitesse au pays et à l'étranger et résume l'indice limite des différents types de moteurs à grande vitesse. La structure et les caractéristiques de conception du moteur à grande vitesse sont analysées en détail, y compris la conception du stator, la conception de la structure du rotor, l'analyse de la dynamique du système de rotor, la sélection des roulements et la conception du système de refroidissement, etc. Enfin, les principaux problèmes rencontrés dans le développement du moteur à grande vitesse sont analysés, et la tendance et les perspectives de développement du moteur à grande vitesse sont prospectées.