高速モータのロータ構造と設計の特徴（ステータ設計、ロータの各種構造設計）

高速モーターローターは 、小型、高出力密度、高速負荷との直接接続、従来の機械的加速装置の不要化、システムノイズの低減、システム伝達効率の向上などの特徴を持っています。高速研削盤、空気循環冷凍システム、エネルギー貯蔵フライホイール、燃料電池、天然ガス輸送用の高速遠心圧縮機、航空機や船舶の電源装置としての分散型発電システムの分野で幅広い応用の可能性があり、世界の研究ホットスポットの1つとなっています。国際電気分野。

高速モーターの主な特徴は、高いローター速度、高いステーター巻線電流とコア内の磁束周波数、高い電力密度と高い損失密度です。これらの特性により、高速モーターの主要な技術と設計方法は定速モーターとは異なります。

高速モーターのローター速度は通常 10,000 r/min を超えます。高速回転する場合、従来の積層ローターでは巨大な遠心力に耐えられないため、特殊な高強度積層ローターやソリッドローター構造を採用する必要があります。永久磁石モータの場合、焼結永久磁石材料はロータの高速回転により発生する引張応力に耐えられず、永久磁石の保護対策が必要となるため、ロータ強度の問題がより顕著になります。ローターとエアギャップ間の高速摩擦により、ローター表面での摩擦損失が定速モーターの摩擦損失よりもはるかに大きくなり、ローターの熱放散が非常に困難になります。ローターの強度を確保するために、高速モーターのローターは細身のものが多く、定速モーターに比べローター系が高速モーターの臨界速度に近づく可能性が非常に高くなります。通常のモーター軸受は高速で確実に動作できないため、高速軸受システムを使用する必要があります。

高速モータのコア内の巻線電流と磁束の高い交流周波数により、モータの巻線、ステータコア、およびロータに大きな高周波追加損失が発生します。固定子電流の周波数が低い場合、巻線損失に対する表皮効果と近接効果の影響は無視できますが、高周波数では、固定子巻線は明らかな表皮効果と近接効果を生成し、巻線の追加損失が増加します。高速モータのステータコア内の磁束周波数は高く、表皮効果の影響が無視できず、従来の計算方法では誤差が大きくなります。高速モータの固定子鉄損を正確に計算するには、高周波条件下での鉄損の計算モデルを検討する必要があります。固定子のスロットと巻線の非正弦波分布によって引き起こされる空間高調波、および PWM 電源によって生成される電流高調波と時間高調波は、回転子に大きな渦電流損失を生成します。ローターのサイズが小さく、冷却条件が悪いため、ローターの熱放散に大きな困難が生じます。そこで、ロータの渦電流損失を正確に計算し、ロータの渦電流損失を低減するための効果的な対策を検討することにします。これは高速モーターの信頼性の高い動作にとって非常に重要です。同時に、高周波電圧または電流も、高出力高速モーターのコントローラー設計に課題をもたらします。

高速モーターの体積は、同じ出力の定速モーターに比べてはるかに小さく、出力密度と損失密度が大きいだけでなく、放熱も困難です。特別な放熱対策を講じないと、モーターの温度上昇が高くなりすぎて巻線の寿命が短くなります。特に永久磁石モーターの場合、ローターの温度上昇が高すぎる場合、永久磁石は不可逆減磁を起こしやすくなります。適切に設計された冷却システムは、固定ローターの温度上昇を効果的に抑えることができ、これが高出力高速モーターの長期安定動作の鍵となります。

要約すると、ローターの強度、ローターシステムのダイナミクス、電磁設計、冷却システムの設計と温度上昇計算、高速ベアリングとコントローラーの開発など、従来のモーターでは利用できない特別な重要な問題が数多くあります。したがって、高速モーターの設計は、電磁場、ローター強度、ローターダイナミクス、流体場、温度場などの物理場を複数回繰り返す包括的な設計プロセスです。現在、高速分野で使用されるモータの主な種類は、誘導モータ、永久磁石モータ、スイッチトリラクタンスモータ、クローポールモータであり、モータの種類ごとにトポロジーが異なります。

この論文は,国内外のさまざまなタイプの高速モータの開発状況を分析し,さまざまなタ