Étude sur l'optimisation de la structure des rotors de moteurs à aimants permanents à grande vitesse avec des aimants trapézoïdaux intégrés tangentiellement

Dans le contexte des petites puissances moteurs à aimants permanents à grande vitesse , pour répondre aux exigences de contrainte de la structure du rotor et simplifier le processus de production, une structure de rotor intégrée tangentiellement basée sur des aimants trapézoïdaux est proposée. Dans le but de répondre aux exigences de conception de base du moteur, les paramètres de la structure du rotor sont optimisés. La simulation par éléments finis est utilisée pour analyser les effets du coefficient d'arc polaire et de la structure de la surface du rotor sur le couple d'encoche, le couple moyen et l'ondulation du couple. Des contrôles de contraintes structurelles sont également effectués.

Pour simplifier davantage le processus de fabrication et d'assemblage du rotor du moteur, le rendant ainsi plus adapté aux applications à grande vitesse, cette étude propose une nouvelle structure de rotor intégrée tangentiellement basée sur des aimants trapézoïdaux pour les moteurs à aimants permanents de petite puissance utilisant des enroulements concentrés à fentes fractionnaires. Le stator utilisant une structure de noyau segmenté, la structure de la surface du rotor est optimisée. Une analyse détaillée de la façon dont ces paramètres de structure du rotor influencent l'ondulation du couple et le couple moyen fournit une référence précieuse pour la conception de tels moteurs.

Le moteur adopte des enroulements concentrés à fentes fractionnaires et le stator utilise une structure d'assemblage segmentée, facilitant les processus d'enroulement automatisés et réduisant les coûts de production et de traitement. Le rotor utilise une structure tangentiellement intégrée, avec des aimants trapézoïdaux directement insérés dans les fentes du rotor. Par rapport aux structures de rotor tangentiel traditionnelles, cette nouvelle conception réduit les coûts de traitement du noyau du rotor et simplifie les processus d'assemblage.

L'optimisation de la structure du rotor du moteur est divisée en deux parties : l'optimisation des paramètres de structure de l'aimant et des paramètres de structure de surface du rotor. Les paramètres de structure magnétique incluent la largeur de la base inférieure L1, la largeur de la base supérieure L2 et la hauteur. La largeur de la base inférieure L1 et la hauteur peuvent être déterminées au préalable en fonction de la structure du moteur. Le diamètre intérieur du rotor est limité par l'arbre du moteur, et compte tenu des exigences de traitement et d'assemblage du rotor, l'épaisseur de la bague intérieure du rotor est essentiellement fixe. Ainsi, la hauteur des aimants est prédéterminée et n'est pas considérée comme un paramètre d'optimisation.

Sans tenir compte de la saturation, le volume des aimants dans le rotor est proportionnel au flux magnétique permanent du rotor du moteur. Pour garantir la capacité de sortie de couple du moteur, la largeur de la base inférieure des aimants trapézoïdaux doit être maximisée avant d'optimiser la structure du rotor. Cependant, une largeur de base inférieure plus grande entraîne une largeur de pont de connexion plus petite dans le noyau du rotor, affectant ainsi la contrainte du rotor. Le principe pour déterminer la largeur inférieure de la base des aimants est de minimiser la largeur du pont tout en garantissant que la contrainte du rotor répond aux exigences. Une fois la largeur de la base inférieure déterminée, des méthodes d’éléments finis sont utilisées pour définir les dimensions de la base supérieure.

Pour garantir que la résistance mécanique de la structure du rotor du moteur répond aux exigences opérationnelles, un modèle tridimensionnel de la structure du rotor est établi à l'aide de méthodes d'éléments finis. En appliquant la charge d'inertie de rotation de la vitesse nominale du moteur, la contrainte structurelle du rotor est vérifiée. La figure 2 montre la carte nuageuse de répartition des contraintes du rotor du moteur, indiquant une contrainte maximale du noyau du rotor de 0,98 MPa. Étant donné que le matériau du rotor du moteur est de l'acier au silicium avec une limite d'élasticité de 405 MPa, la contrainte maximale dans ces conditions est inférieure à la limite d'élasticité, confirmant que la structure du rotor répond aux exigences mécaniques.

Pour les moteurs à aimants permanents de petite puissance et à grande vitesse, une structure de rotor intégrée tangentiellement basée sur des aimants trapézoïdaux est proposée pour simplifier le processus de production. Les résultats de la simulation par éléments finis indiquent que la détermination des paramètres de l'aimant nécessite une prise en compte approfondie du couple de sortie, de l'ondulation du couple, des processus de fabrication et des erreurs. L'optimisation de la surface extérieure du rotor peut réduire davantage l'ondulation du couple. L'étude montre que la nouvelle structure du rotor du moteur simplifie considérablement le traitement et les coûts du rotor avec un impact minimal sur les performances du couple, fournissant ainsi une expérience de conception technique précieuse et une référence pour l'optimisation de ce type de moteur.