Konstrukcja wirnika silnika o dużej prędkości i cechy konstrukcyjne (konstrukcja stojana, różne typy konstrukcji wirnika)

Wirnik silnika o dużej prędkości charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami, dużą gęstością mocy, bezpośrednim połączeniem z obciążeniem o dużej prędkości, eliminując tradycyjne mechaniczne urządzenie przyspieszające, redukując hałas systemu i poprawiając wydajność transmisji systemu itp. Ma szerokie perspektywy zastosowania w dziedzinie szybkich szlifierek, systemów chłodniczych z obiegiem powietrza, kół zamachowych magazynujących energię, ogniw paliwowych, szybkich sprężarek odśrodkowych do przesyłu gazu ziemnego i rozproszonych systemów wytwarzania energii jako urządzeń zasilających samoloty lub statki i stał się jednym z gorących punktów badawczych w międzynarodowej dziedzinie elektryki.

Głównymi cechami szybkiego silnika są: duża prędkość wirnika, wysoki prąd uzwojenia stojana i częstotliwość strumienia magnetycznego w rdzeniu, wysoka gęstość mocy i gęstość strat. Te cechy decydują o tym, że kluczowa technologia i metody projektowania silników o dużej prędkości różnią się od tych w przypadku silników o stałej prędkości.

Prędkość wirnika silnika szybkoobrotowego jest zwykle wyższa niż 10 000 obr/min. Podczas obracania się z dużą prędkością konwencjonalny laminowany wirnik nie jest w stanie wytrzymać ogromnej siły odśrodkowej, dlatego należy zastosować specjalną laminowaną lub solidną konstrukcję wirnika o wysokiej wytrzymałości. W przypadku silników z magnesami trwałymi problem wytrzymałości wirnika jest bardziej widoczny, ponieważ spiekany materiał z magnesami trwałymi nie jest w stanie wytrzymać naprężeń rozciągających powstających w wyniku szybkiego obrotu wirnika, w związku z czym należy podjąć środki zabezpieczające magnes trwały. Tarcie przy dużej prędkości pomiędzy wirnikiem a szczeliną powietrzną powoduje znacznie większe straty tarcia na powierzchni wirnika niż w przypadku silnika o stałej prędkości, co powoduje duże trudności w odprowadzaniu ciepła przez wirnik. Aby zapewnić wystarczającą wytrzymałość wirnika, wirnik silnika szybkoobrotowego jest w większości smukły, więc w porównaniu z silnikiem o stałej prędkości, znacznie zwiększa się możliwość osiągnięcia przez układ wirnika prędkości krytycznej silnika szybkoobrotowego. Zwykłe łożyska silnika nie mogą działać niezawodnie przy dużych prędkościach, dlatego należy zastosować układy łożysk o dużej prędkości.

Wysoka częstotliwość przemienna prądu uzwojenia i strumień magnetyczny w rdzeniu silnika o dużej prędkości spowoduje dodatkowe straty o dużej częstotliwości w uzwojeniu silnika, rdzeniu stojana i wirniku. Gdy częstotliwość prądu stojana jest niska, wpływ efektu naskórkowości i efektu bliskości na straty w uzwojeniu można zignorować, ale przy wysokiej częstotliwości uzwojenie stojana będzie powodować wyraźny efekt naskórkowości i efekt bliskości oraz zwiększać dodatkowe straty w uzwojeniu. Częstotliwość strumienia magnetycznego w rdzeniu stojana silnika o dużej prędkości jest wysoka, nie można zignorować wpływu efektu naskórkowości, a konwencjonalna metoda obliczeń będzie powodować duże błędy. Aby dokładnie obliczyć straty w rdzeniu stojana silnika o dużej prędkości, konieczne jest zbadanie modelu obliczeniowego strat żelaza w warunkach wysokiej częstotliwości. Harmoniczne przestrzenne powodowane przez niesinusoidalny rozkład żłobka stojana i uzwojenia, a także harmoniczne prądu i czasu generowane przez zasilacz PWM będą powodować duże straty prądu wirowego w wirniku. Ze względu na mały rozmiar wirnika i złe warunki chłodzenia, spowoduje to duże trudności w rozpraszaniu ciepła przez wirnik. Dlatego też omówione zostaną dokładne obliczenia strat prądu wirowego wirnika i poszukiwanie skutecznych środków zmniejszających straty prądu wirowego wirnika. Ma to ogromne znaczenie dla niezawodnej pracy silnika wysokoobrotowego. Jednocześnie napięcie lub prąd o wysokiej częstotliwości stwarza również wyzwania w projektowaniu sterowników szybkich silników dużej mocy.

Objętość silnika o dużej prędkości jest znacznie mniejsza niż silnika o stałej prędkości o tej samej mocy, nie tylko gęstość mocy i gęstość strat są duże, ale także rozpraszanie ciepła jest trudne. Jeśli nie zostaną zastosowane specjalne środki rozpraszania ciepła, wzrost temperatury silnika będzie zbyt wysoki, skracając w ten sposób żywotność uzwojenia, szczególnie w przypadku silnika z magnesem trwałym, w przypadku zbyt wysokiego wzrostu temperatury wirnika, magnes trwały jest podatny na nieodwracalną demagnetyzację. Dobrze zaprojektowany układ chłodzenia może skutecznie zmniejszyć wzrost temperatury nieruchomego wirnika, co jest kluczem do długotrwałej, stabilnej pracy szybkich silników dużej mocy.

Podsumowując, istnieje wiele kluczowych problemów związanych z wytrzymałością wirnika, dynamiką układu wirnika, konstrukcją elektromagnetyczną, konstrukcją układu chłodzenia i obliczaniem wzrostu temperatury, rozwojem łożysk i sterowników o dużej prędkości, które nie są dostępne w konwencjonalnych silnikach. Dlatego projektowanie silników o dużej prędkości jest kompleksowym procesem projektowania obejmującym wiele iteracji pól fizycznych, takich jak pole elektromagnetyczne, wytrzymałość wirnika, dynamika wirnika, pole płynu i pole temperatury. Obecnie głównymi typami silników stosowanych w polach o dużej prędkości są silniki indukcyjne, silniki z magnesami trwałymi, silniki reluktancyjne z przełączaniem i silniki z biegunami kłowymi, a każdy typ silnika ma inną topologię.

W artykule przeanalizowano stan rozwoju różnych typów silników dużych prędkości w kraju i za granicą oraz podsumowano wskaźnik graniczny różnych typów silników dużych prędkości. Szczegółowo analizuje się strukturę i cechy konstrukcyjne silnika szybkiego, w tym projekt stojana, projekt konstrukcji wirnika, analizę dynamiki układu wirnika, dobór łożysk i projekt układu chłodzenia itp. Na koniec analizowane są główne problemy stojące przed rozwojem silnika szybkiego, a także prognozuje się trend rozwojowy i perspektywy silnika szybkiego.