מחקר על אופטימיזציה של מבנה רוטורי מנוע מגנט קבוע במהירות גבוהה עם מגנטים טרפזים מוטמעים בטנגנציית

בהקשר של כוח קטן מנועי מגנט קבועים מהירים , כדי לעמוד בדרישות הלחץ של מבנה הרוטור ולפשט את תהליך הייצור, מוצע מבנה רוטור מוטבע באופן משיק המבוסס על מגנטים טרפזים. תחת הנחת היסוד של עמידה בדרישות התכנון הבסיסיות של המנוע, הפרמטרים של מבנה הרוטור עוברים אופטימיזציה. סימולציית אלמנטים סופיים משמשת כדי לנתח את ההשפעות של מקדם קשת המוט ומבנה פני הרוטור על מומנט גלגל השיניים, מומנט ממוצע ואדוות מומנט. כמו כן נערכים בדיקות מתח מבניות.

כדי לפשט עוד יותר את תהליך הייצור וההרכבה של רוטור המנוע, מה שהופך אותו למתאים יותר ליישומים מהירים, מחקר זה מציע מבנה רוטור חדש המוטבע באופן משיק המבוסס על מגנטים טרפזים למנועי מגנט קבועים בעלי הספק קטן המשתמשים בפיתולים מרוכזים עם חריצים. כאשר הסטטור משתמש במבנה ליבה מפולח, מבנה פני הרוטור עובר אופטימיזציה. ניתוח מפורט של האופן שבו פרמטרי מבנה הרוטור משפיעים על אדוות המומנט ומומנט ממוצע מספק התייחסות חשובה לתכנון של מנועים כאלה.

המנוע מאמץ פיתולים מרוכזים עם חריצים, והסטטור משתמש במבנה הרכבה מפולח, מקל על תהליכי סלילה אוטומטיים ומפחית את עלויות הייצור והעיבוד. הרוטור משתמש במבנה מוטבע בצורה משיקית, עם מגנטים טרפזיים המוכנסים ישירות לתוך חריצי הרוטור. בהשוואה למבני רוטור משיקים מסורתיים, עיצוב חדש זה מפחית את עלויות עיבוד ליבת הרוטור ומפשט את תהליכי ההרכבה.

האופטימיזציה של מבנה רוטור המנוע מתחלקת לשני חלקים: אופטימיזציה של פרמטרי מבנה המגנט ופרמטרי מבנה פני הרוטור. הפרמטרים של מבנה המגנט כוללים את רוחב הבסיס התחתון L1, רוחב הבסיס העליון L2 והגובה. ניתן לקבוע מראש את רוחב הבסיס התחתון L1 ואת הגובה בהתאם למבנה המנוע. הקוטר הפנימי של הרוטור מוגבל על ידי ציר המנוע, ובהתחשב בדרישות העיבוד וההרכבה של הרוטור, עובי הטבעת הפנימית של הרוטור קבוע בעצם. לפיכך, גובה המגנטים נקבע מראש ואינו נחשב לפרמטר אופטימיזציה.

מבלי להתחשב ברוויה, נפח המגנטים ברוטור הוא פרופורציונלי להצמדת השטף המגנטי הקבוע של רוטור המנוע. כדי להבטיח את יכולת תפוקת המומנט של המנוע, יש למקסם את רוחב הבסיס התחתון של המגנטים הטרפזים לפני אופטימיזציה של מבנה הרוטור. עם זאת, רוחב בסיס נמוך יותר גורם ברוחב גשר חיבור קטן יותר בליבת הרוטור, ומשפיע על הלחץ של הרוטור. העיקרון לקביעת רוחב הבסיס התחתון של המגנטים הוא למזער את רוחב הגשר תוך הבטחת מתח הרוטור עונה על הדרישות. לאחר שנקבע רוחב הבסיס התחתון, נעשה שימוש בשיטות אלמנטים סופיים כדי להגדיר את מידות הבסיס העליון.

כדי להבטיח שהחוזק המכני של מבנה רוטור המנוע עומד בדרישות התפעוליות, נוצר מודל תלת מימדי של מבנה הרוטור באמצעות שיטות אלמנטים סופיים. הפעלת עומס האינרציה הסיבובי של המהירות המדורגת של המנוע, הלחץ המבני של הרוטור מאומת. איור 2 מציג את מפת ענן חלוקת המתח של רוטור המנוע, המציינת מתח ליבת הרוטור המרבי של 0.98 MPa. בהתחשב בעובדה שחומר הרוטור המנוע הוא פלדת סיליקון עם חוזק תפוקה של 405 MPa, המתח המרבי בתנאים אלה הוא מתחת לחוזק התפוקה, מה שמאשר שמבנה הרוטור עומד בדרישות המכניות.

עבור מנועי מגנט קבועים בעלי הספק קטן במהירות גבוהה, מוצע מבנה רוטור מוטבע באופן משיק המבוסס על מגנטים טרפזים כדי לפשט את תהליך הייצור. תוצאות הדמיית אלמנטים סופיים מצביעות על כך שקביעת פרמטרי המגנט דורשת התייחסות מקיפה של מומנט פלט, אדוות מומנט, תהליכי ייצור ושגיאות. אופטימיזציה של פני השטח החיצוניים של הרוטור יכולה להפחית עוד יותר את אדוות המומנט. המחקר מראה כי מבנה רוטור המנוע החדש מפשט משמעותית את עיבוד הרוטור והעלויות עם השפעה מינימלית על ביצועי המומנט, ומספק ניסיון תכנון הנדסי רב ערך והתייחסות לאופטימיזציה של סוג זה של מנוע.