מבנה רוטור מנוע במהירות גבוהה ומאפייני עיצוב (עיצוב סטטור, סוגים שונים של עיצוב מבנה רוטור)

רוטור מנוע מהיר בעל מאפיינים של גודל קטן, צפיפות הספק גבוהה, חיבור ישיר עם עומס במהירות גבוהה, ביטול התקן האצה המכאני המסורתי, הפחתת רעש המערכת ושיפור יעילות ההולכה של המערכת וכו'. יש לו סיכויי יישום רחבים בתחומי מכונות טחינה מהירות, מערכות קירור במחזור אוויר, גלגלי תנופה לאחסון אנרגיה, מערכות הולכה מבוזרות בגז צנטריפוגלי, מערכות הולכה מבוזרות בגז צנטריפוגלי, כציוד אספקת חשמל למטוסים או ספינות, והפך לאחד ממוקדי המחקר בתחום החשמל הבינלאומי.

המאפיינים העיקריים של מנוע מהיר הם מהירות רוטור גבוהה, זרם מתפתל סטטור גבוה ותדר שטף מגנטי בליבה, צפיפות הספק גבוהה וצפיפות אובדן. מאפיינים אלה קובעים כי הטכנולוגיה ושיטות העיצוב העיקריות של מנוע מהיר שונים מאלה של מנוע במהירות קבועה.

מהירות הרוטור של המנוע המהיר בדרך כלל גבוהה מ-10,000 סל'ד לדקה. כאשר מסתובבים במהירות גבוהה, הרוטור למינציה הקונבנציונלי אינו יכול לעמוד בכוח הצנטריפוגלי העצום, ולכן יש להשתמש במבנה רוטור למינציה או מוצק בעל חוזק גבוה. עבור מנועי מגנט קבוע, בעיית חוזק הרוטור בולטת יותר, מכיוון שחומר המגנט הקבוע המסונטר אינו יכול לעמוד במתח המתיחה הנוצר מהסיבוב המהיר של הרוטור, ויש לנקוט באמצעי הגנה למגנט הקבוע. החיכוך במהירות הגבוהה בין הרוטור למרווח האוויר גורם לאובדן חיכוך גדול בהרבה על פני הרוטור מזה של המנוע במהירות קבועה, מה שמביא קושי רב לפיזור החום של הרוטור. על מנת להבטיח שלרוטור יש חוזק מספק, הרוטור של המנוע המהיר הוא ברובו דק, ולכן בהשוואה למנוע המהיר, גדלה מאוד האפשרות שמערכת הרוטור תתקרב למהירות הקריטית של המנוע המהיר. מיסבי מנוע רגילים אינם יכולים לפעול בצורה מהימנה במהירות גבוהה, ויש להשתמש במערכות מיסבים מהירות.

התדירות המתחלפת הגבוהה של זרם מתפתל והשטף המגנטי בליבת המנוע המהיר ייצור אובדן נוסף גדול בתדר גבוה בפיתול המנוע, ליבת הסטטור והרוטור. כאשר תדר זרם הסטטור נמוך, ניתן להתעלם מהשפעת השפעת העור והשפעת הקרבה על אובדן הפיתול, אך בתדירות גבוהה, פיתול הסטטור יפיק אפקט עור ברור ואפקט קרבה, ויגדיל את האובדן הנוסף של הפיתול. תדר השטף המגנטי בליבת הסטטור של המנוע המהיר הוא גבוה, לא ניתן להתעלם מהשפעת השפעת העור, ושיטת החישוב הקונבנציונלית תביא לשגיאות גדולות. על מנת לחשב במדויק את אובדן ליבת הסטטור של מנוע מהיר, יש צורך לחקור את מודל החישוב של אובדן ברזל בתנאי תדר גבוה. הרמוניות החלל הנגרמות על ידי חריץ הסטטור וההפצה הלא-סינוסואידית המתפתלת, כמו גם הרמוניות הזרם והזמן שנוצרות על ידי ספק כוח PWM, ייצרו אובדן זרם מערבולת גדול ברוטור. בשל גודלו הקטן של הרוטור ותנאי קירור גרועים, הוא יביא לקשיים גדולים לפיזור החום של הרוטור. לכן, יידונו החישוב המדויק של אובדן זרם מערבול הרוטור וחקירת אמצעים יעילים להפחתת אובדן זרם מערבול הרוטור. יש לזה משמעות רבה לפעולה אמינה של מנוע במהירות גבוהה. במקביל, מתח או זרם בתדר גבוה מביאים גם אתגרים לתכנון הבקר של מנועים בעלי הספק גבוה.

נפח המנוע המהיר קטן בהרבה מהמנוע בעל המהירות הקבועה באותו הספק, לא רק צפיפות ההספק וצפיפות האובדן גדולים, אלא גם פיזור החום קשה, אם לא נעשה שימוש באמצעי פיזור החום המיוחדים, עליית הטמפרטורה של המנוע תהיה גבוהה מדי, ובכך תקצר את חיי הפיתול, במיוחד עבור מנוע המגנט הקבוע גבוה מדי, במקרה של טמפרטורה של מגנט קבוע הוא רוטור גבוה מדי כדי לעלות דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה. מערכת קירור מתוכננת היטב יכולה להפחית ביעילות את עליית הטמפרטורה של הרוטור הקבוע, שהיא המפתח לפעולה יציבה לטווח ארוך של מנועים בעלי הספק גבוה.

לסיכום, ישנן בעיות מפתח מיוחדות רבות בחוזק הרוטור, דינמיקה של מערכת הרוטור, תכנון אלקטרומגנטי, תכנון מערכת קירור וחישוב עליית טמפרטורה, מיסבים במהירות גבוהה ופיתוח בקר שאינם זמינים במנועים קונבנציונליים. לכן, התכנון של מנוע במהירות גבוהה הוא תהליך עיצוב מקיף של איטרציות מרובות של שדות פיזיים כגון שדה אלקטרומגנטי, חוזק רוטור, דינמיקה של הרוטור, שדה נוזל ושדה טמפרטורה. כיום, סוגי המנועים העיקריים המשמשים בתחומים מהירים הם מנועי אינדוקציה, מנועי מגנט קבוע, מנועי סרבנות מתווית ומנועי מוט טפרים, ולכל סוג מנוע יש טופולוגיה שונה.

מאמר זה מנתח את מצב הפיתוח של סוגים שונים של מנועים מהירים בבית ובחו'ל, ומסכם את מדד הגבול של סוגים שונים של מנועים מהירים. מאפייני המבנה והעיצוב של המנוע המהיר מנותחים בפירוט, כולל עיצוב סטטור, עיצוב מבנה רוטור, ניתוח דינמיקה של מערכת רוטור, בחירת מסבים ותכנון מערכת קירור וכו'.