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

Nel contesto di piccola potenza 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 a rotore tangenziale basata su magneti trapezoidali. In base alla premessa di soddisfare i requisiti di progettazione di base del motore, i parametri della struttura del rotore sono ottimizzati. La simulazione di elementi finiti viene impiegata per analizzare gli effetti del coefficiente di arco polare e della struttura della superficie del rotore sulla coppia di invaltamento, sulla coppia media e sulla ondulazione della coppia. Vengono inoltre condotti controlli di stress strutturale.

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 a rotore incorporata tangenzialmente basata su magneti trapezoidali per motori a magneti permanenti di piccole potenza usando avvolgimenti concentrati con slot frazionario. Con lo statore che utilizza una struttura centrale segmentata, la struttura della superficie del rotore è ottimizzata. L'analisi dettagliata di come questi parametri della struttura del rotore influenzano la coppia di ondulazione e la coppia media fornisce un prezioso riferimento per la progettazione di tali motori.

Il motore adotta avvolgimenti concentrati con slot frazionario e lo statore utilizza una struttura di montaggio segmentata, facilitando i processi di avvolgimento automatizzato e riducendo i costi di produzione e lavorazione. Il rotore impiega una struttura tangenziale incorporata, con magneti trapezoidali direttamente inseriti nelle fessure del rotore. Rispetto alle tradizionali strutture del rotore tangenziale, questo nuovo design riduce i costi di elaborazione del core del rotore e semplifica i processi di montaggio.

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 preliminariamente in base alla struttura del motore. Il diametro interno del rotore è limitato dall'albero del motore e considerando i requisiti di elaborazione e assemblaggio del rotore, lo spessore dell'anello interno del rotore è essenzialmente fisso. Pertanto, l'altezza dei magneti è predeterminata e non considerata un parametro di ottimizzazione.

Senza considerare la saturazione, il volume dei magneti nel rotore è proporzionale al collegamento a 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 di base inferiore maggiore si traduce in una larghezza del ponte di collegamento più piccola nel nucleo del rotore, che colpisce la sollecitazione del rotore. Il principio per determinare la larghezza della base inferiore dei magneti è ridurre al minimo la larghezza del ponte, garantendo al contempo che lo stress del rotore soddisfi i requisiti. Una volta determinata la larghezza della base inferiore, vengono utilizzati metodi a 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 stabilito un modello tridimensionale della struttura del rotore utilizzando metodi a elementi finiti. Applicando il carico di inerzia rotazionale della velocità nominale del motore, viene verificata la sollecitazione strutturale del rotore. La Figura 2 mostra la mappa della nuvola di distribuzione della sollecitazione del rotore del motore, indicando una sollecitazione del nucleo massimo del rotore di 0,98 MPa. Dato che il materiale del rotore del motore è in acciaio di silicio con una resistenza alla snervamento di 405 MPa, la massima sollecitazione in queste condizioni è inferiore alla resistenza alla snervamento, confermando che la struttura del rotore soddisfa i requisiti meccanici.

Per i motori a magneti permanenti a potenza piccola ad alta velocità, viene proposta una struttura a rotore incorporata tangenzialmente basata su magneti trapezoidali per semplificare il processo di produzione. I risultati della simulazione di 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 ed 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 significativamente l'elaborazione del rotore e i costi con un impatto minimo sulle prestazioni della coppia, fornendo preziose esperienze di progettazione ingegneristica e riferimento per l'ottimizzazione di questo tipo di motore.