Sleutelelementen in de ontwikkeling van snelle motoren

Met de krachtige ontwikkeling van de mondiale markt voor nieuwe energievoertuigen heeft de snelheid van het aandrijven van motoren een verbazingwekkende groei laten zien. Van 18.000 tpm enkele jaren geleden tot ruim boven de 20.000 tpm vandaag de dag betekent dit niet alleen een numerieke doorbraak, maar ook rigoureuze tests van motorontwerp en productietechnologieën. Dit artikel bespreekt verschillende aspecten van snelle motorontwikkeling.

 

01. Selectie van Rotorpoolpaarnummer ​

Bij hogesnelheidsmotoren is ijzerverlies een onvermijdelijke kritische factor geworden, vooral bij hoge snelheden. Er bestaat een nauwe relatie tussen het aantal motorpolen en het ijzerverlies, omdat naarmate het motortoerental toeneemt, de frequentie van de magnetische fluxveranderingen in de kern ook toeneemt, wat leidt tot een aanzienlijke toename van het ijzerverlies.

In een motor die bij 20.000 tpm draait, bereikt een 6-polige motor bijvoorbeeld een werkfrequentie van 1000 Hz, terwijl een 8-polige motor deze verhoogt tot 1333 Hz. Volgens de hierboven genoemde berekeningsformule voor ijzerverlies leidt de toename van de bedrijfsfrequentie direct tot een verhoogd ijzerverlies.

In de ontwerptrend van hogesnelheidsmotoren kunnen we een geleidelijke afname zien in het gebruik van 8/48 pool-slotcombinaties en een toename in het gebruik van 6/54 pool-slotcombinaties.

De reden voor deze verschuiving ligt in de bovengenoemde overwegingen van ijzerverlies. Om ijzerverlies tijdens hogesnelheidswerking te verminderen, hebben ontwerpers de neiging om de 6/54 pool-slotcombinatie te kiezen om betere elektromagnetische prestaties en een hogere efficiëntie te bereiken.

02. Selectie van koelsysteem

Bij permanente magneetmotoren met hoge snelheid heeft de temperatuur een aanzienlijke invloed op hun prestaties. Omdat het werkpunt van permanente magneten varieert met de temperatuur, kunnen te hoge temperaturen zelfs demagnetisatie van de magneten in gevaar brengen. Bovendien beperkt de hoge vermogensdichtheid van elektromotoren in nieuwe energievoertuigen het koeloppervlak, waardoor het ontwerp van het koelsysteem cruciaal is voor het garanderen van stabiele motorprestaties.

Bij het overwegen van koelmethoden raad ik aan een oliekoelsysteem te gebruiken voor motoren met snelheden hoger dan 18.000 tpm. Dit komt doordat verwarmingsproblemen van de rotor bijzonder prominent worden wanneer snelheden boven de 16.000 tpm komen. In een watergekoelde motor wordt de stator voornamelijk gekoeld, terwijl bij hoge snelheden het effectief afvoeren van rotorwarmte door waterkoeling een uitdaging wordt.

Wat temperatuurbewaking betreft, bevatten de huidige motorontwerpen doorgaans temperatuursensoren in de stator. Bij watergekoelde motoren is de temperatuurverdeling van de statorwikkelingen, dankzij de stabiele stromingskanaalstructuren, relatief uniform en goed gecontroleerd. Bij oliegekoelde motoren resulteert de grotere ontwerpflexibiliteit van de stromingskanalen echter in merkbare temperatuurverschillen tussen de wikkelingen in vergelijking met watergekoelde motoren. Daarom is het bij het selecteren van de sensorlocatie van cruciaal belang om rekening te houden met gebieden met hogere wikkeltemperatuurstijgingen om het temperatuurverschil tussen de gemeten temperatuur en het hoogste wikkelpunt te minimaliseren, waardoor de werkelijke thermische toestand van de motor nauwkeurig wordt weergegeven.

03. Technologische uitdagingen van hogesnelheidslagers

Het rotorondersteuningssysteem is een kerncomponent in de ontwikkeling van hogesnelheidsmotoren, waarbij de keuze van de lagertechnologie bijzonder cruciaal is. Momenteel worden diepgroefkogellagers vaak gebruikt in motorlagers.

In omgevingen met hoge snelheden worden kogellagers geconfronteerd met ernstige uitdagingen, zoals oververhitting en het risico van lopen. Dit komt omdat naarmate de snelheid toeneemt, de wrijving en de warmteontwikkeling in de lagers ook sterk toenemen, wat leidt tot verminderde lagerprestaties of zelfs defecten. Daarom is smering van hogesnelheidslagers van cruciaal belang.

Nadat het motortoerental boven de 18.000 tpm komt, is lagersmering een andere belangrijke reden om oliekoeling aan te bevelen. Bij watergekoelde motoren worden doorgaans zelfsmerende kogellagers gebruikt. Tijdens bedrijf op hoge snelheid worden deze lagers echter geconfronteerd met uitdagingen zoals vetlekkage en grote temperatuurverschillen tussen binnen- en buitenringen.

Open kogellagers die in oliekoelsystemen worden gebruikt, kunnen daarentegen de binnen- en buitenringen van de lagers effectief koelen, waardoor problemen met vetlekkage worden vermeden en een lagere rolwrijvingscoëfficiënt wordt bereikt. Er moet echter aandacht worden besteed aan het ontwerp van de smeeroliekanalen om een ​​adequate lagerkoeling te garanderen. In het schoudergat is de uitstekende structuur ingebed om ervoor te zorgen dat de stroomsnelheid van de koelolie relatief uniform is voor en na de schouder.