高速モーターステーター技術の分析

今日の急速に進歩する技術情勢の中で、 高速モーターは 、複数のハイエンド分野で中核的な動力源になりつつあります。新エネルギー自動車から航空宇宙、精密製造からエネルギー機器に至るまで、これらの最先端のアプリケーションの背後には、高速モーターのステーター技術という重要なテクノロジーが支えられています。

高速モーターというと、多くの場合、高回転速度と高出力を思い浮かべます。実際、10,000 r/min を超える速度のモーターは高速モーターとして分類されます。多くの産業分野の中核となる能力は、ひとえに 小型サイズと高電力密度という特性によるものです。.

高速モーターの「心臓部」であるステーターの技術的優位性は、モーター全体の性能、効率、信頼性を直接決定します。

01 高速モーターの課題

高速モーターは、単により速く動作する通常のモーターではありません。速度が急上昇するにつれて、前例のない一連の課題が発生します。

高周波損失が 最初で最も重要な課題です。固定子巻線電流と鉄心の磁束の周波数は速度の上昇とともに急激に増加し、モーター巻線、固定子コア、および回転子に重大な高周波追加損失が発生します。

表皮効果と近接効果は、低周波数では通常無視できますが、高周波数では非常に顕著になります。

熱 放散の問題 も同様に困難です。高速モーターは、同等の出力の従来の速度モーターよりもはるかに小さいため、出力密度と損失密度が高くなり、熱放散が困難になります。

特別な冷却対策を講じないと、モーターの温度が過度に上昇し、巻線の寿命が短くなる可能性があります。

永久磁石モーターの場合、ローターの温度が過度に上昇すると、永久磁石が不可逆的に減磁する可能性があります。

における課題 製造プロセス を過小評価してはなりません。ステータボアの円筒度や同軸度の取り扱いが不適切だと、ロータの動作中に磁場の力の不均衡が生じ、エアギャップの変化に基づいて振動加速度が発生する可能性があります。

02 固定子巻線技術

固定子巻線は、モーターの効率、寿命、容量、コストを改善するための重要な要素です。交通機関の電化の課題に対処するには、適切な巻線技術と適切な設計を選択することが重要です。

現在、主な巻線技術は 3 つあります: プルイン巻線、, ヘアピン巻線、 成形リッツ線.

プルイン巻線は、スロットに挿入された丸線で構成され、各線は絶縁され、複数の線が並べて配置されます。このタイプの巻線の曲線因子は 40% ～ 45% に達することがあります。

ヘアピン巻線はバー巻線とも呼ばれ、個別に絶縁された固体銅の棒で構成されています。あらかじめ成形したU字型のバーをモーターのスロットに挿入し、銅バーの開放端を曲げて溶接で接続します。 HPW の充填率は 50% を超える場合があります。

成形リッツ線は、ストランドの束を撚り、圧縮し、平行に接続してバーを形成したものです。個別に絶縁された素線は、モーターの軸方向に沿って連続的に転置されます。 FLW で達成可能な充填率は、HPW の充填率と同等です。

3 つの巻線タイプのうち、ヘアピン巻線と成形リッツ線はフィルファクターが高く、よりコンパクトな設計とより高い電力密度を意味します。

03 革新的なステーター構造

高速環境という特別な課題に直面して、研究者たちはさまざまな革新的なステーター構造を開発してきました。

ステーター 永久磁石モーター は画期的な設計です。ローターではなくステーターに永久磁石を配置することで、従来の車両用トラクションモーターの制約を打ち破ります。

この設計には多くの利点があります。ローターには永久磁石材料も電機子巻線も使用されていないため、シンプルかつ堅牢になり、特に高速動作に適しています。永久磁石と電機子巻線の両方が固定子内に配置されているため、冷却が容易になります。永久磁石の磁化は、電機子巻線の接続方法を合理的に変更することで実現できます。

スロット レスステータ構造 も革新的なソリューションです。高速永久磁石モータでは、交流磁界の周波数が非常に高いため、ステータの鉄損が大きくなり、加熱が激しくなり、コギングトルクによってトルクリップルが発生します。

スロットレスステータ構造の採用により、鉄損を効果的に低減し、コギングトルクの影響を完全に排除します。

軟磁性フェライトの高透磁率、高抵抗率、低コスト特性を組み合わせて、高速永久磁石ブラシレスDCモーターのステーターコアとして使用し、同時にスロットレスステーター構造を採用する研究もあります。

トロイダル 巻線構造 は、瀋陽理工大学が高速永久磁石モーターの研究で提案した新しい設計です。

トロイダル巻では、コイルの下層側がステータコアの6スロットに配置され、上層側がステータヨークの外縁の24スロットに配置されます。これにより、固定子表面の通気および放熱領域が増加するだけでなく、冷却空気流が固定子巻線を直接冷却することも可能になります。

04 冷却技術と熱設計

高速モーターの冷却システムは、信頼性の高い動作の鍵となります。適切に設計された冷却システムは、ステーターとローターの温度上昇を効果的に低減できます。これは、高出力高速モーターの長期安定した動作にとって重要です。

ステータ冷却技術は 多様です。密閉型ウォータージャケット構造の場合、内部の自己冷却中に巻線端の温度が比較的高くなります。

技術者は実践を通じて、水が中央から入り両側から出る方法を採用し、水の流れの方向を調整することで、効果的に放熱性を向上できることを発見しました。

大型の高速モーターの場合は、ローターファンを追加し、ステーターを中央でセグメント化し、ケーシングの外側中央部分からの吸気チャネルとして機能し、両端からガスを排出するように内部のエアフロー構成を設計できます。筐体の残りの部分は中央から水が入り、両側から出る水冷構造となっています。

巻線端部の放熱強化処理 も高速モーター特有の技術です。従来のモーターとは異なり、高速モーターでは冷却条件を改善するために従来のスロットウェッジを排除するなどの方法が採用されています。

スプレー冷却技術も巻線ヘッドからの熱を放散するために適用されます。この直接冷却方式により、巻線から発生する熱を効果的に除去し、高温環境下でも安定したモータ動作を実現します。

05 今後の開発動向

継続的な技術進歩により、高速モーターのステーター技術は、より高い効率、より高い信頼性、より高いインテリジェンスを目指して発展しています。

新しい材料の適用が 鍵となります。高透磁率、高抵抗率の軟磁性フェライトなどの材料や高性能絶縁材料の採用により、ステータの作業効率と信頼性がさらに向上します。

統合デザイン も大きなトレンドです。高速モーターの設計は、電磁場、ローター強度、ローターのダイナミクス、流体場、温度場などの複数の物理場を含む包括的な反復プロセスです。

将来的には、マルチフィジックス結合シミュレーションと最適化を通じて、ステーター技術が他のモーター システムとより緊密に統合されるでしょう。

製造プロセスの革新 もステーター技術を前進させるでしょう。 3D プリンティングと精密機械加工技術の発展により、より複雑で最適化されたステーター構造が可能になり、高速モーターの性能限界がさらに押し上げられるでしょう。

現在、中国における高速モーター分野の研究は継続的に深化し続けています。浙江大学、瀋陽理工大学、ハルビン科学技術大学など、いくつかの大学や研究機関がこの分野で大きな進歩を遂げています。

産業機器から日常生活に至るまで、高速モーターのステーター技術の革新が私たちの世界を静かに変えています。

将来的には、新しい材料と新しいプロセスの適用により、高速モーターのステーター技術は進歩を続け、人類の技術進歩にさらに強力で効率的な強力な推進力をもたらすでしょう。