Struttura del rotore del motore ad alta velocità e caratteristiche di progettazione (design dello statore, diversi tipi di design della struttura del rotore)

Il rotore del motore ad alta velocità ha le caratteristiche di dimensioni ridotte, elevata densità di potenza, connessione diretta con carico ad alta velocità, eliminazione del tradizionale dispositivo di accelerazione meccanica, riduzione del rumore del sistema e miglioramento dell'efficienza di trasmissione del sistema, ecc. Ha ampie prospettive di applicazione nei campi delle rettificatrici ad alta velocità, sistemi di refrigerazione a circolazione d'aria, volani di accumulo di energia, celle a combustibile, compressori centrifughi ad alta velocità per la trasmissione di gas naturale e sistemi di generazione di energia distribuita come apparecchiature di alimentazione per aerei o navi ed è diventato uno dei punti caldi della ricerca nel campo elettrico internazionale.

Le caratteristiche principali del motore ad alta velocità sono l'elevata velocità del rotore, l'elevata corrente dell'avvolgimento dello statore e la frequenza del flusso magnetico nel nucleo, l'elevata densità di potenza e densità di perdita. Queste caratteristiche determinano che la tecnologia chiave e i metodi di progettazione del motore ad alta velocità sono diversi da quelli del motore a velocità costante.

La velocità del rotore del motore ad alta velocità è solitamente superiore a 10.000 giri/min. Quando ruota ad alta velocità, il rotore laminato convenzionale non può sopportare l'enorme forza centrifuga, quindi è necessario utilizzare una speciale struttura del rotore laminata o solida ad alta resistenza. Per i motori a magneti permanenti, il problema della resistenza del rotore è più evidente, poiché il materiale sinterizzato del magnete permanente non può resistere allo stress di trazione generato dalla rotazione ad alta velocità del rotore e devono essere adottate misure di protezione per il magnete permanente. L'attrito ad alta velocità tra il rotore e il traferro provoca una perdita di attrito sulla superficie del rotore molto maggiore rispetto a quella del motore a velocità costante, il che comporta grandi difficoltà nella dissipazione del calore del rotore. Per garantire che il rotore abbia una resistenza sufficiente, il rotore del motore ad alta velocità è per lo più sottile, quindi rispetto al motore a velocità costante, la possibilità che il sistema del rotore si avvicini alla velocità critica del motore ad alta velocità è notevolmente aumentata. I normali cuscinetti dei motori non possono funzionare in modo affidabile ad alta velocità ed è necessario utilizzare sistemi di cuscinetti ad alta velocità.

L'elevata frequenza alternata della corrente dell'avvolgimento e del flusso magnetico nel nucleo del motore ad alta velocità produrrà grandi perdite aggiuntive ad alta frequenza nell'avvolgimento del motore, nel nucleo dello statore e nel rotore. Quando la frequenza della corrente dello statore è bassa, l'effetto dell'effetto pelle e dell'effetto di prossimità sulla perdita dell'avvolgimento può essere ignorato, ma ad alta frequenza, l'avvolgimento dello statore produrrà un evidente effetto pelle e un effetto di prossimità e aumenterà la perdita aggiuntiva dell'avvolgimento. La frequenza del flusso magnetico nel nucleo dello statore del motore ad alta velocità è elevata, l'influenza dell'effetto pelle non può essere ignorata e il metodo di calcolo convenzionale comporterà grandi errori. Per calcolare con precisione la perdita del nucleo dello statore del motore ad alta velocità, è necessario esplorare il modello di calcolo della perdita di ferro in condizioni di alta frequenza. Le armoniche spaziali causate dalla cava dello statore e dalla distribuzione non sinusoidale dell'avvolgimento, nonché le armoniche di corrente e tempo generate dall'alimentazione PWM, produrranno grandi perdite di correnti parassite nel rotore. A causa delle dimensioni ridotte del rotore e delle scarse condizioni di raffreddamento, ciò comporterà grandi difficoltà nella dissipazione del calore del rotore. Pertanto, verranno discussi il calcolo accurato delle perdite di correnti parassite del rotore e l'esplorazione di misure efficaci per ridurre le perdite di correnti parassite del rotore. È di grande importanza per il funzionamento affidabile del motore ad alta velocità. Allo stesso tempo, la tensione o la corrente ad alta frequenza comportano anche sfide per la progettazione dei controller di motori ad alta potenza e velocità.

Il volume del motore ad alta velocità è molto più piccolo del motore a velocità costante della stessa potenza, non solo la densità di potenza e la densità di perdita sono grandi, ma anche la dissipazione del calore è difficile, se non vengono utilizzate misure speciali di dissipazione del calore, l'aumento di temperatura del motore sarà troppo elevato, accorciando così la durata dell'avvolgimento, soprattutto per il motore a magnete permanente, nel caso in cui l'aumento della temperatura del rotore sia troppo elevato, il magnete permanente è soggetto a smagnetizzazione irreversibile. Un sistema di raffreddamento ben progettato può ridurre efficacemente l'aumento di temperatura del rotore fisso, che è la chiave per il funzionamento stabile a lungo termine dei motori ad alta velocità ad alta potenza.

Per riassumere, ci sono molti problemi chiave specifici nella resistenza del rotore, nella dinamica del sistema rotore, nella progettazione elettromagnetica, nella progettazione del sistema di raffreddamento e nel calcolo dell'aumento di temperatura, nello sviluppo di cuscinetti e controller ad alta velocità che non sono disponibili nei motori convenzionali. Pertanto, la progettazione di motori ad alta velocità è un processo di progettazione completo di molteplici iterazioni di campi fisici come campo elettromagnetico, resistenza del rotore, dinamica del rotore, campo dei fluidi e campo della temperatura. Attualmente, i principali tipi di motori utilizzati nei campi ad alta velocità sono motori a induzione, motori a magneti permanenti, motori a riluttanza commutata e motori a poli artigliati e ciascun tipo di motore ha una topologia diversa.

Questo documento analizza lo stato di sviluppo di diversi tipi di motori ad alta velocità in patria e all'estero e riassume l'indice limite di diversi tipi di motori ad alta velocità. La struttura e le caratteristiche di progettazione del motore ad alta velocità vengono analizzate in dettaglio, tra cui la progettazione dello statore, la progettazione della struttura del rotore, l'analisi della dinamica del sistema del rotore, la selezione dei cuscinetti e la progettazione del sistema di raffreddamento, ecc. Infine, vengono analizzati i principali problemi affrontati dallo sviluppo del motore ad alta velocità e vengono prospettate la tendenza di sviluppo e le prospettive del motore ad alta velocità.