In het snel voortschrijdende technologische landschap van vandaag de dag Hogesnelheidsmotoren worden de belangrijkste krachtbron in meerdere high-end-gebieden. Van nieuwe energievoertuigen tot de ruimtevaart, van precisieproductie tot energieapparatuur: achter deze baanbrekende toepassingen schuilt de ondersteuning van een sleuteltechnologie: hogesnelheidsmotorstatortechnologie.
Als we het hebben over hogesnelheidsmotoren, denken we vaak aan een hoog toerental en een hoog vermogen. Motoren met snelheden hoger dan 10.000 tpm worden zelfs geclassificeerd als hogesnelheidsmotoren. Hun vermogen om de kern van talrijke industriële sectoren te worden is volledig te danken aan hun kenmerken van kleine omvang en hoge vermogensdichtheid.
Als 'hart' van een hogesnelheidsmotor bepaalt de technologische superioriteit van de stator rechtstreeks de prestaties, efficiëntie en betrouwbaarheid van de hele motor.
01 Uitdagingen van hogesnelheidsmotoren
Hogesnelheidsmotoren zijn niet zomaar gewone motoren die sneller draaien. Naarmate de snelheid toeneemt, ontstaat er een reeks ongekende uitdagingen.
Hoogfrequent verlies is de eerste en belangrijkste uitdaging. De frequentie van de statorwikkelingsstroom en de magnetische flux in de ijzeren kern nemen scherp toe met de stijgende snelheid, waardoor aanzienlijke extra hoogfrequente verliezen in de motorwikkelingen, de statorkern en de rotor ontstaan.
Skin-effect en nabijheidseffect zijn gewoonlijk verwaarloosbaar bij lage frequenties, maar worden uiterst significant bij hoge frequenties.
Het probleem van de warmteafvoer is een even grote uitdaging. Hogesnelheidsmotoren zijn veel kleiner dan conventionele motoren met een gelijkwaardig vermogen, wat leidt tot een hoge vermogensdichtheid en verliesdichtheid, waardoor warmteafvoer moeilijk wordt.
Zonder speciale koelmaatregelen kan er een excessieve stijging van de motortemperatuur optreden, waardoor de levensduur van de wikkelingen wordt verkort.
Bij permanentmagneetmotoren kan een overmatige stijging van de rotortemperatuur ook leiden tot onomkeerbare demagnetisatie van de permanente magneten.
Uitdagingen in productieprocessen mogen niet worden onderschat. Onjuiste omgang met de cilindriciteit en coaxialiteit van de statorboring kan een onbalans in de magnetische veldkracht veroorzaken tijdens de werking van de rotor, waardoor trillingsversnelling ontstaat op basis van variaties in de luchtspleet.
02 Statorwikkeltechnologie
Statorwikkelingen zijn een sleutelfactor bij het verbeteren van de motorefficiëntie, levensduur, volume en kosten. Om de uitdagingen van de elektrificatie van het transport aan te gaan, is het selecteren van de juiste wikkeltechnologie en het juiste ontwerp van cruciaal belang.
Er zijn momenteel drie belangrijke wikkeltechnologieën: Pull-In Windings , Hairpin Windings en , Formed Litz Wire.
Pull-in-wikkelingen bestaan uit ronde draden die in sleuven worden gestoken, waarbij elke draad geïsoleerd is en meerdere draden naast elkaar worden geplaatst. De vulfactor voor dit type wikkeling kan 40% tot 45% bedragen.
Haarspeldwikkelingen, ook wel staafwikkelingen genoemd, zijn samengesteld uit individueel geïsoleerde massieve koperen staven. Voorgevormde U-vormige staven worden in de motorsleuven gestoken en de open uiteinden van de koperen staven worden gebogen en verbonden door lassen. De vulfactor voor HPW kan hoger zijn dan 50%.
Gevormde Litz-draad bestaat uit bundels strengen die zijn gedraaid, samengedrukt en parallel verbonden om staven te vormen. De individueel geïsoleerde strengen worden continu langs de axiale richting van de motor getransponeerd. De haalbare vulfactor voor FLW is vergelijkbaar met die van HPW.
Van de drie wikkelingstypen hebben haarspeldwikkelingen en gevormde litzedraad hogere vulfactoren, wat compactere ontwerpen en een hogere vermogensdichtheid betekent.
03 Innovatieve statorstructuren
Geconfronteerd met de speciale uitdagingen van hogesnelheidsomgevingen hebben onderzoekers verschillende innovatieve statorstructuren ontwikkeld.
De Stator Permanente Magneetmotor is een baanbrekend ontwerp. Het doorbreekt de beperkingen van traditionele voertuigtractiemotoren door de permanente magneten in de stator te plaatsen in plaats van in de rotor.
Dit ontwerp biedt veel voordelen: de rotor heeft geen permanent magneetmateriaal of ankerwikkelingen, waardoor hij eenvoudig en robuust is, vooral geschikt voor gebruik op hoge snelheid; zowel de permanente magneten als de ankerwikkelingen bevinden zich in de stator, wat een eenvoudiger koeling mogelijk maakt; magnetisatie van de permanente magneten kan worden bereikt door de aansluitmethode van de ankerwikkelingen redelijk te veranderen.
De slotloze statorstructuur is een andere innovatieve oplossing. Bij permanente magneetmotoren met hoge snelheid is de frequentie van het wisselende magnetische veld erg hoog, wat leidt tot aanzienlijk statorijzerverlies, ernstige verhitting en het tandwielkoppel dat koppelrimpels veroorzaakt.
Het aannemen van een sleufloze statorstructuur kan ijzerverlies effectief verminderen en de effecten van cogging-koppel volledig elimineren.
Sommige onderzoeken combineren de hoge permeabiliteit, hoge soortelijke weerstand en goedkope kenmerken van zacht magnetisch ferriet, waarbij het wordt gebruikt als de statorkern voor snelle borstelloze gelijkstroommotoren met permanente magneet, terwijl ook gebruik wordt gemaakt van een sleufloze statorstructuur.
De Toroidal Winding Structure is een nieuw ontwerp voorgesteld door de Shenyang University of Technology in hun onderzoek naar hogesnelheidsmotoren met permanente magneet.
In de toroïdale wikkeling worden de zijkanten van de onderste laag van de spoelen in 6 sleuven van de statorkern geplaatst, terwijl de zijkanten van de bovenste laag in 24 sleuven op de buitenrand van het statorjuk zijn verdeeld. Dit vergroot niet alleen het ventilatie- en warmteafvoeroppervlak op het statoroppervlak, maar maakt ook een koelluchtstroom mogelijk om de statorwikkelingen direct af te koelen.
04 Koeltechnologie en thermisch ontwerp
Het koelsysteem van een hogesnelheidsmotor is de sleutel tot een betrouwbare werking. Een goed ontworpen koelsysteem kan de temperatuurstijging van de stator en rotor effectief verminderen, wat cruciaal is voor de langdurige stabiele werking van krachtige hogesnelheidsmotoren.
Statorkoelingtechnologieën zijn divers. Voor gesloten watermantelconstructies is de temperatuur aan de wikkeluiteinden relatief hoog tijdens interne zelfkoeling.
Ingenieurs hebben door de praktijk ontdekt dat het aanpassen van de richting van de waterstroom, het toepassen van een methode waarbij water vanuit het midden binnenkomt en aan beide kanten naar buiten komt, de warmteafvoer effectief kan verbeteren.
Voor grote hogesnelheidsmotoren kan een rotorventilator worden toegevoegd, en de interne luchtstroomorganisatie kan worden ontworpen om de stator in het midden te segmenteren en te dienen als luchtinlaatkanaal vanaf het buitenste middengedeelte van de behuizing, waarbij gas aan beide uiteinden wordt afgevoerd. De rest van de behuizing heeft een watergekoelde structuur waarbij water vanuit het midden binnenkomt en aan beide zijden naar buiten komt.
Verbeterde warmteafvoerbehandeling voor wikkeluiteinden is ook een technologie die specifiek is voor hogesnelheidsmotoren. In tegenstelling tot traditionele motoren gebruiken hogesnelheidsmotoren methoden zoals het elimineren van conventionele sleufwiggen om de koelomstandigheden te verbeteren.
Sproeikoelingstechnologie wordt ook toegepast om de warmte van de wikkelkoppen af te voeren. Deze directe koelmethode verwijdert effectief de door de wikkelingen gegenereerde warmte, waardoor een stabiele werking van de motor wordt gegarandeerd in omgevingen met hoge temperaturen.
05 Toekomstige ontwikkelingstrends
Met voortdurende technologische vooruitgang ontwikkelt de hogesnelheidsmotorstatortechnologie zich in de richting van een hoger rendement, grotere betrouwbaarheid en meer intelligentie.
Toepassing van nieuwe materialen zal van cruciaal belang zijn. Het gebruik van materialen zoals zacht magnetisch ferriet met hoge permeabiliteit en hoge weerstand, samen met hoogwaardige isolatiematerialen, zal de werkefficiëntie en betrouwbaarheid van de stator verder verbeteren.
Integrated Design is een andere belangrijke trend. Het ontwerp van hogesnelheidsmotoren is een veelomvattend, iteratief proces waarbij meerdere fysieke velden betrokken zijn: elektromagnetische velden, rotorsterkte, rotordynamica, vloeistofvelden en temperatuurvelden.
In de toekomst zal statortechnologie, door middel van multi-fysische koppelingssimulatie en -optimalisatie, nauwer worden geïntegreerd met andere motorsystemen.
Innovatie in productieprocessen zal ook de statortechnologie vooruit helpen. Met de ontwikkeling van 3D-print- en precisiebewerkingstechnologieën zullen complexere en geoptimaliseerde statorstructuren mogelijk worden, waardoor de prestatiegrenzen van hogesnelheidsmotoren verder worden verlegd.
Momenteel verdiept het onderzoek op het gebied van hogesnelheidsmotoren in China zich voortdurend. Verschillende universiteiten en onderzoeksinstellingen, zoals de Zhejiang Universiteit, de Shenyang Universiteit voor Technologie en de Harbin Universiteit voor Wetenschap en Technologie, hebben op dit gebied aanzienlijke vooruitgang geboekt.
Van industriële apparatuur tot het dagelijks leven: innovaties op het gebied van hogesnelheidsmotorstatortechnologie veranderen stilletjes onze wereld.
In de toekomst zal, met de toepassing van nieuwe materialen en nieuwe processen, de technologie van hogesnelheidsmotorstatoren blijven doorbreken, waardoor een sterkere, efficiëntere en krachtigere impuls wordt gegeven aan de menselijke technologische vooruitgang.
