Elementi chiave nello sviluppo di motori ad alta velocità

Con il vigoroso sviluppo del mercato globale dei veicoli a nuova energia, la velocità dei motori di guida ha mostrato una crescita sorprendente. Passando da 18.000 giri al minuto diversi anni fa fino a superare comodamente i 20.000 giri al minuto di oggi, questo rappresenta non solo una svolta numerica ma anche test rigorosi sulla progettazione del motore e sulle tecnologie di produzione. Questo articolo discute diversi aspetti di sviluppo motorio ad alta velocità.

 

01. Selezione di del rotore Numero di coppie di poli

Nei motori ad alta velocità, la perdita di ferro è diventata un fattore critico inevitabile, soprattutto nelle gamme ad alta velocità. Esiste una stretta relazione tra il numero di poli del motore e la perdita di ferro perché all'aumentare della velocità del motore aumenta anche la frequenza delle variazioni del flusso magnetico nel nucleo, portando ad un aumento significativo della perdita di ferro.

Ad esempio, in un motore funzionante a 20.000 giri/min, un motore a 6 poli raggiunge una frequenza di lavoro di 1.000 Hz, mentre un motore a 8 poli la aumenta a 1.333 Hz. Secondo la formula di calcolo sopra citata per la perdita di ferro, l'aumento della frequenza operativa porta direttamente ad un aumento della perdita di ferro.

Nella tendenza progettuale dei motori ad alta velocità, possiamo vedere una graduale diminuzione dell'uso delle combinazioni 8/48 poli-asola e un aumento dell'uso delle combinazioni 6/54 poli-asola.

La ragione di questo spostamento risiede nelle considerazioni sopra menzionate sulla perdita di ferro. Per ridurre la perdita di ferro durante il funzionamento ad alta velocità, i progettisti tendono a scegliere la combinazione con slot da 6/54 poli per ottenere migliori prestazioni elettromagnetiche e una maggiore efficienza.

02. Selezione del sistema di raffreddamento

Per i motori a magneti permanenti ad alta velocità, la temperatura influisce in modo significativo sulle loro prestazioni. Poiché il punto di funzionamento dei magneti permanenti varia con la temperatura, temperature eccessivamente elevate possono addirittura rischiare la smagnetizzazione dei magneti. Inoltre, l’elevata densità di potenza dei motori elettrici nei veicoli a nuova energia limita la superficie di raffreddamento, rendendo la progettazione del sistema di raffreddamento cruciale per garantire prestazioni stabili del motore.

Quando si considerano i metodi di raffreddamento, suggerisco di utilizzare un sistema di raffreddamento dell'olio per motori con velocità superiori a 18.000 giri/min. Questo perché i problemi di riscaldamento del rotore diventano particolarmente evidenti quando la velocità supera i 16.000 giri al minuto. In un motore raffreddato ad acqua, lo statore viene raffreddato principalmente, mentre a velocità elevate, dissipare efficacemente il calore del rotore attraverso il raffreddamento ad acqua diventa difficile.

Per quanto riguarda il monitoraggio della temperatura, i progetti attuali dei motori in genere incorporano sensori di temperatura all'interno dello statore. Nei motori raffreddati ad acqua, grazie alle strutture stabili dei canali di flusso, la distribuzione della temperatura degli avvolgimenti dello statore è relativamente uniforme e ben controllata. Tuttavia, nei motori raffreddati ad olio, la maggiore flessibilità di progettazione dei canali di flusso si traduce in differenze di temperatura più evidenti tra gli avvolgimenti rispetto ai motori raffreddati ad acqua. Pertanto, quando si seleziona la posizione del sensore, è fondamentale considerare le aree con maggiori aumenti della temperatura dell'avvolgimento per ridurre al minimo la differenza di temperatura tra la temperatura monitorata e il punto di avvolgimento più alto, riflettendo accuratamente lo stato termico effettivo del motore.

03. Sfide tecnologiche dei cuscinetti ad alta velocità

Il sistema di supporto del rotore è un componente fondamentale nello sviluppo di motori ad alta velocità, dove la scelta della tecnologia dei cuscinetti è particolarmente critica. Attualmente, i cuscinetti a sfere a gola profonda sono comunemente utilizzati nei cuscinetti dei motori.

Negli ambienti ad alta velocità, i cuscinetti a sfere affrontano sfide serie come il surriscaldamento e il rischio di correre. Questo perché all'aumentare della velocità, anche l'attrito e la generazione di calore all'interno dei cuscinetti aumentano notevolmente, portando a una riduzione delle prestazioni dei cuscinetti o addirittura a guasti. Pertanto, la lubrificazione dei cuscinetti ad alta velocità è fondamentale.

Quando la velocità del motore supera i 18.000 giri/min, un altro motivo importante per consigliare il raffreddamento dell'olio è la lubrificazione dei cuscinetti. Nei motori raffreddati ad acqua, vengono generalmente utilizzati cuscinetti a sfere autolubrificanti. Tuttavia, durante il funzionamento ad alta velocità, questi cuscinetti devono affrontare sfide quali perdite di grasso e grandi differenze di temperatura tra gli anelli interno ed esterno.

Al contrario, i cuscinetti a sfere di tipo aperto utilizzati nei sistemi di raffreddamento dell'olio possono raffreddare efficacemente gli anelli interni ed esterni dei cuscinetti, evitando problemi di perdite di grasso e avendo un coefficiente di attrito volvente inferiore. Tuttavia, è necessario prestare attenzione alla progettazione dei percorsi dell'olio di lubrificazione per garantire un adeguato raffreddamento dei cuscinetti. Nel foro della spalla, la struttura sporgente è incorporata per garantire che la velocità del flusso dell'olio di raffreddamento sia relativamente uniforme prima e dopo la spalla.