Struktur rotor motor berkecepatan tinggi dan karakteristik desain (desain stator, berbagai jenis desain struktur rotor)

Rotor motor berkecepatan tinggi memiliki karakteristik ukuran kecil, kepadatan daya tinggi, koneksi langsung dengan beban kecepatan tinggi, menghilangkan perangkat akselerasi mekanis tradisional, mengurangi kebisingan sistem dan meningkatkan efisiensi transmisi sistem, dll. Ia memiliki prospek penerapan yang luas di bidang mesin penggiling berkecepatan tinggi, sistem pendingin sirkulasi udara, roda gila penyimpan energi, sel bahan bakar, kompresor sentrifugal berkecepatan tinggi untuk transmisi gas alam dan sistem pembangkit listrik terdistribusi sebagai peralatan catu daya untuk pesawat terbang atau kapal, dan telah menjadi salah satu hotspot penelitian di bidang kelistrikan internasional.

Karakteristik utama motor berkecepatan tinggi adalah kecepatan rotor yang tinggi, arus belitan stator yang tinggi dan frekuensi fluks magnet pada inti, rapat daya yang tinggi dan rapat rugi-rugi. Karakteristik ini menentukan bahwa teknologi utama dan metode desain motor berkecepatan tinggi berbeda dengan motor berkecepatan konstan.

Kecepatan rotor motor berkecepatan tinggi biasanya lebih tinggi dari 10.000 putaran/menit. Saat berputar dengan kecepatan tinggi, rotor laminasi konvensional tidak dapat menahan gaya sentrifugal yang besar, sehingga struktur rotor laminasi atau padat berkekuatan tinggi khusus perlu digunakan. Untuk motor magnet permanen, masalah kekuatan rotor lebih menonjol, karena bahan magnet permanen yang disinter tidak dapat menahan tegangan tarik yang dihasilkan oleh putaran rotor berkecepatan tinggi, dan tindakan perlindungan harus diambil untuk magnet permanen. Gesekan kecepatan tinggi antara rotor dan celah udara menyebabkan hilangnya gesekan pada permukaan rotor jauh lebih besar dibandingkan dengan motor berkecepatan konstan, yang menyebabkan kesulitan besar pada pembuangan panas rotor. Untuk memastikan bahwa rotor memiliki kekuatan yang cukup, sebagian besar rotor motor berkecepatan tinggi dibuat ramping, sehingga dibandingkan dengan motor berkecepatan konstan, kemungkinan sistem rotor mendekati kecepatan kritis motor berkecepatan tinggi sangat meningkat. Bantalan motor biasa tidak dapat beroperasi dengan andal pada kecepatan tinggi, dan sistem bantalan berkecepatan tinggi harus digunakan.

Frekuensi bolak-balik yang tinggi dari arus belitan dan fluks magnet pada inti motor berkecepatan tinggi akan menghasilkan tambahan rugi-rugi frekuensi tinggi yang besar pada belitan motor, inti stator dan rotor. Ketika frekuensi arus stator rendah, efek efek kulit dan efek kedekatan pada rugi-rugi belitan dapat diabaikan, tetapi pada frekuensi tinggi, belitan stator akan menghasilkan efek kulit dan efek kedekatan yang jelas, dan meningkatkan kerugian tambahan pada belitan. Frekuensi fluks magnet pada inti stator motor berkecepatan tinggi tinggi, pengaruh efek kulit tidak dapat diabaikan, dan metode perhitungan konvensional akan membawa kesalahan yang besar. Untuk menghitung rugi-rugi inti stator motor berkecepatan tinggi secara akurat, perlu dikaji model perhitungan rugi-rugi besi pada kondisi frekuensi tinggi. Harmonisa ruang yang disebabkan oleh slot stator dan distribusi belitan non-sinusoidal, serta harmonisa arus dan waktu yang dihasilkan oleh catu daya PWM, akan menghasilkan kehilangan arus eddy yang besar pada rotor. Karena ukuran rotor yang kecil dan kondisi pendinginan yang buruk, hal ini akan menimbulkan kesulitan besar pada pembuangan panas rotor. Oleh karena itu, perhitungan akurat kehilangan arus eddy rotor dan eksplorasi tindakan efektif untuk mengurangi kehilangan arus eddy rotor akan dibahas. Ini sangat penting untuk pengoperasian motor berkecepatan tinggi yang andal. Pada saat yang sama, tegangan atau arus frekuensi tinggi juga membawa tantangan pada desain pengontrol motor berkecepatan tinggi berdaya tinggi.

Volume motor berkecepatan tinggi jauh lebih kecil daripada motor berkecepatan konstan dengan daya yang sama, tidak hanya rapat daya dan rapat rugi yang besar, tetapi juga pembuangan panasnya sulit, jika langkah pembuangan panas khusus tidak digunakan, kenaikan suhu motor akan terlalu tinggi, sehingga memperpendek umur belitan, terutama untuk motor magnet permanen, jika kenaikan suhu rotor terlalu tinggi, magnet permanen rentan terhadap demagnetisasi ireversibel. Sistem pendingin yang dirancang dengan baik dapat secara efektif mengurangi kenaikan suhu rotor tetap, yang merupakan kunci pengoperasian stabil jangka panjang dari motor berkecepatan tinggi berdaya tinggi.

Singkatnya, ada banyak masalah utama khusus dalam kekuatan rotor, dinamika sistem rotor, desain elektromagnetik, desain sistem pendingin dan perhitungan kenaikan suhu, pengembangan bantalan dan pengontrol kecepatan tinggi yang tidak tersedia pada motor konvensional. Oleh karena itu, perancangan motor berkecepatan tinggi merupakan proses perancangan komprehensif dari beberapa iterasi medan fisik seperti medan elektromagnetik, kekuatan rotor, dinamika rotor, medan fluida, dan medan suhu. Saat ini jenis motor utama yang digunakan pada bidang kecepatan tinggi adalah motor induksi, motor magnet permanen, motor keengganan saklar dan motor tiang cakar, dan masing-masing jenis motor mempunyai topologi yang berbeda-beda.

Makalah ini menganalisis status perkembangan berbagai jenis motor berkecepatan tinggi di dalam dan luar negeri, dan merangkum indeks batas berbagai jenis motor berkecepatan tinggi. Karakteristik struktur dan desain motor berkecepatan tinggi dianalisis secara rinci, termasuk desain stator, desain struktur rotor, analisis dinamika sistem rotor, pemilihan bantalan dan desain sistem pendingin, dll. Terakhir, permasalahan utama yang dihadapi pengembangan motor berkecepatan tinggi dianalisis, dan tren pengembangan serta prospek motor berkecepatan tinggi diprospek.