Hogesnelheidsmotorrotorstructuur en ontwerpkenmerken (statorontwerp, verschillende soorten rotorstructuurontwerp)

Hogesnelheidsmotorrotor heeft de kenmerken van kleine afmetingen, hoge vermogensdichtheid, directe verbinding met hoge snelheidsbelasting, waardoor het traditionele mechanische versnellingsapparaat wordt geëlimineerd, systeemgeluid wordt verminderd en de transmissie-efficiëntie van het systeem wordt verbeterd, enz. Het heeft brede toepassingsmogelijkheden op het gebied van hogesnelheidsslijpmachines, luchtcirculatiekoelsystemen, energieopslagvliegwielen, brandstofcellen, hogesnelheidscentrifugaalcompressoren voor aardgastransmissie en gedistribueerde energieopwekkingssystemen als stroomvoorzieningsapparatuur voor vliegtuigen of schepen, en is een van de onderzoekshotspots op internationaal elektrisch gebied geworden.

De belangrijkste kenmerken van een hogesnelheidsmotor zijn hoge rotorsnelheid, hoge statorwikkelstroom en magnetische fluxfrequentie in de kern, hoge vermogensdichtheid en verliesdichtheid. Deze kenmerken bepalen dat de belangrijkste technologie en ontwerpmethoden van hogesnelheidsmotoren verschillen van die van motoren met constant toerental.

Het rotortoerental van de hogesnelheidsmotor is doorgaans hoger dan 10.000 tpm. Bij het draaien met hoge snelheid kan de conventionele gelamineerde rotor de enorme centrifugaalkracht niet weerstaan, dus moet een speciale gelamineerde of massieve rotorstructuur met hoge sterkte worden gebruikt. Voor permanente magneetmotoren is het probleem van de rotorsterkte prominenter, omdat het gesinterde permanente magneetmateriaal niet bestand is tegen de trekspanning die wordt gegenereerd door de snelle rotatie van de rotor, en er beschermingsmaatregelen moeten worden genomen voor de permanente magneet. De wrijving bij hoge snelheid tussen de rotor en de luchtspleet veroorzaakt een veel groter wrijvingsverlies op het rotoroppervlak dan dat van de motor met constant toerental, wat grote problemen met zich meebrengt voor de warmteafvoer van de rotor. Om ervoor te zorgen dat de rotor voldoende sterkte heeft, is de rotor van de hogesnelheidsmotor meestal slank, dus vergeleken met de motor met constant toerental is de mogelijkheid dat het rotorsysteem de kritische snelheid van de hogesnelheidsmotor nadert aanzienlijk vergroot. Gewone motorlagers kunnen niet betrouwbaar werken bij hoge snelheden en er moeten hogesnelheidslagersystemen worden gebruikt.

De hoge wisselfrequentie van de wikkelstroom en de magnetische flux in de kern van een hogesnelheidsmotor zal een groot hoogfrequent extra verlies veroorzaken in de wikkeling van de motor, de statorkern en de rotor. Wanneer de statorstroomfrequentie laag is, kan het effect van skin-effect en nabijheidseffect op het wikkelingsverlies worden genegeerd, maar bij hoge frequentie zal de statorwikkeling een duidelijk skin-effect en nabijheidseffect veroorzaken en het extra verlies van de wikkeling vergroten. De magnetische fluxfrequentie in de statorkern van een hogesnelheidsmotor is hoog, de invloed van het skin-effect kan niet worden genegeerd en de conventionele berekeningsmethode zal grote fouten met zich meebrengen. Om het statorkernverlies van een hogesnelheidsmotor nauwkeurig te berekenen, is het noodzakelijk om het berekeningsmodel van ijzerverlies onder hoogfrequente omstandigheden te onderzoeken. De ruimtelijke harmonischen veroorzaakt door de niet-sinusvormige distributie van de statorsleuf en de wikkeling, evenals de stroom- en tijdharmonischen gegenereerd door de PWM-voeding, zullen grote wervelstroomverliezen in de rotor veroorzaken. Vanwege de kleine afmetingen van de rotor en de slechte koelomstandigheden zal dit grote problemen met zich meebrengen voor de warmteafvoer van de rotor. Daarom zullen de nauwkeurige berekening van rotorwervelstroomverlies en de verkenning van effectieve maatregelen om rotorwervelstroomverlies te verminderen worden besproken. Het is van groot belang voor de betrouwbare werking van een hogesnelheidsmotor. Tegelijkertijd brengt hoogfrequente spanning of stroom ook uitdagingen met zich mee voor het controllerontwerp van krachtige hogesnelheidsmotoren.

Het volume van de hogesnelheidsmotor is veel kleiner dan de motor met constante snelheid van hetzelfde vermogen, niet alleen de vermogensdichtheid en de verliesdichtheid zijn groot, maar ook de warmteafvoer is moeilijk. Als de speciale warmteafvoermaatregelen niet worden gebruikt, zal de temperatuurstijging van de motor te hoog zijn, waardoor de levensduur van de wikkeling wordt verkort, vooral voor de permanente magneetmotor, in het geval dat de rotortemperatuurstijging te hoog is, is de permanente magneet gevoelig voor onomkeerbare demagnetisatie. Een goed ontworpen koelsysteem kan de temperatuurstijging van de vaste rotor effectief verminderen, wat de sleutel is tot de langdurige stabiele werking van krachtige hogesnelheidsmotoren.

Samenvattend kunnen we stellen dat er veel bijzondere kernproblemen zijn op het gebied van de rotorsterkte, de dynamiek van het rotorsysteem, het elektromagnetische ontwerp, het ontwerp van het koelsysteem en de berekening van de temperatuurstijging, de ontwikkeling van lagers op hoge snelheid en de ontwikkeling van controllers, die niet beschikbaar zijn bij conventionele motoren. Daarom is het ontwerp van een hogesnelheidsmotor een uitgebreid ontwerpproces van meerdere iteraties van fysieke velden, zoals elektromagnetisch veld, rotorsterkte, rotordynamica, vloeistofveld en temperatuurveld. Momenteel zijn de belangrijkste typen motoren die in hogesnelheidsvelden worden gebruikt inductiemotoren, permanentmagneetmotoren, geschakelde reluctantiemotoren en klauwpoolmotoren, en elk motortype heeft een andere topologie.

Dit artikel analyseert de ontwikkelingsstatus van verschillende soorten hogesnelheidsmotoren in binnen- en buitenland, en vat de limietindex van verschillende soorten hogesnelheidsmotoren samen. De structuur en ontwerpkenmerken van een hogesnelheidsmotor worden in detail geanalyseerd, inclusief statorontwerp, ontwerp van de rotorstructuur, analyse van de dynamiek van het rotorsysteem, lagerselectie en ontwerp van het koelsysteem, enz. Eindelijk worden de belangrijkste problemen waarmee de ontwikkeling van een hogesnelheidsmotor wordt geconfronteerd geanalyseerd, en worden de ontwikkelingstrend en het vooruitzicht van een hogesnelheidsmotor geprospecteerd.