Studio sull'ottimizzazione della struttura dei rotori dei motori a magneti permanenti ad alta velocità con magneti trapezoidali incorporati tangenzialmente

Nel contesto del piccolo potere motori a magneti permanenti ad alta velocità , per soddisfare i requisiti di sollecitazione della struttura del rotore e semplificare il processo di produzione, viene proposta una struttura del rotore incorporata tangenzialmente basata su magneti trapezoidali. Con la premessa di soddisfare i requisiti di progettazione di base del motore, i parametri della struttura del rotore sono ottimizzati. La simulazione agli elementi finiti viene utilizzata per analizzare gli effetti del coefficiente dell'arco polare e della struttura della superficie del rotore sulla coppia di cogging, sulla coppia media e sull'ondulazione della coppia. Vengono inoltre effettuate verifiche delle sollecitazioni strutturali.

Per semplificare ulteriormente il processo di produzione e assemblaggio del rotore del motore, rendendolo più adatto per applicazioni ad alta velocità, questo studio propone una nuova struttura del rotore incorporata tangenzialmente basata su magneti trapezoidali per motori a magneti permanenti di piccola potenza che utilizzano avvolgimenti concentrati a fessura frazionaria. Con lo statore che utilizza una struttura del nucleo segmentato, la struttura della superficie del rotore è ottimizzata. L'analisi dettagliata di come questi parametri della struttura del rotore influenzano l'ondulazione della coppia e la coppia media fornisce un prezioso riferimento per la progettazione di tali motori.

Il motore adotta avvolgimenti concentrati a fessura frazionaria e lo statore utilizza una struttura di assemblaggio segmentata, facilitando i processi di avvolgimento automatizzati e riducendo i costi di produzione e lavorazione. Il rotore utilizza una struttura incorporata tangenzialmente, con magneti trapezoidali inseriti direttamente nelle fessure del rotore. Rispetto alle tradizionali strutture del rotore tangenziale, questo nuovo design riduce i costi di lavorazione del nucleo del rotore e semplifica i processi di assemblaggio.

L'ottimizzazione della struttura del rotore del motore è divisa in due parti: ottimizzazione dei parametri della struttura del magnete e dei parametri della struttura della superficie del rotore. I parametri della struttura del magnete includono la larghezza della base inferiore L1, la larghezza della base superiore L2 e l'altezza. La larghezza della base inferiore L1 e l'altezza possono essere determinate preliminarmente in base alla struttura del motore. Il diametro interno del rotore è limitato dall'albero motore e, considerando i requisiti di lavorazione e assemblaggio del rotore, lo spessore dell'anello interno del rotore è essenzialmente fisso. Pertanto l'altezza dei magneti è predeterminata e non è considerata un parametro di ottimizzazione.

Senza considerare la saturazione, il volume dei magneti nel rotore è proporzionale al flusso magnetico permanente del rotore del motore. Per garantire la capacità di uscita della coppia del motore, la larghezza della base inferiore dei magneti trapezoidali deve essere massimizzata prima di ottimizzare la struttura del rotore. Tuttavia, una larghezza della base inferiore maggiore si traduce in una larghezza del ponte di collegamento minore nel nucleo del rotore, influenzando lo stress del rotore. Il principio per determinare la larghezza della base inferiore dei magneti è quello di ridurre al minimo la larghezza del ponte garantendo al tempo stesso che la sollecitazione del rotore soddisfi i requisiti. Una volta determinata la larghezza della base inferiore, vengono utilizzati i metodi degli elementi finiti per definire le dimensioni della base superiore.

Per garantire che la resistenza meccanica della struttura del rotore del motore soddisfi i requisiti operativi, viene creato un modello tridimensionale della struttura del rotore utilizzando metodi agli elementi finiti. Applicando il carico d'inerzia rotazionale della velocità nominale del motore, viene verificata la sollecitazione strutturale del rotore. La Figura 2 mostra la mappa della distribuzione delle sollecitazioni del rotore del motore, che indica una sollecitazione massima del nucleo del rotore di 0,98 MPa. Dato che il materiale del rotore del motore è acciaio al silicio con un limite di snervamento di 405 MPa, la sollecitazione massima in queste condizioni è inferiore al limite di snervamento, confermando che la struttura del rotore soddisfa i requisiti meccanici.

Per i motori a magneti permanenti di piccola potenza e ad alta velocità, viene proposta una struttura del rotore incorporata tangenzialmente basata su magneti trapezoidali per semplificare il processo di produzione. I risultati della simulazione agli elementi finiti indicano che la determinazione dei parametri del magnete richiede una considerazione completa della coppia di uscita, dell'ondulazione della coppia, dei processi di produzione e degli errori. L'ottimizzazione della superficie esterna del rotore può ridurre ulteriormente l'ondulazione della coppia. Lo studio mostra che la nuova struttura del rotore del motore semplifica notevolmente la lavorazione e i costi del rotore con un impatto minimo sulle prestazioni di coppia, fornendo preziosa esperienza di progettazione ingegneristica e riferimento per l’ottimizzazione di questo tipo di motore.