Wprowadzenie wirnika silnika o dużej prędkości

A Wirnik silnika o dużej prędkości jest krytyczną częścią silnika o dużej prędkości i zazwyczaj zawiera obracający się wał. Działa poprzez wykorzystanie energii elektrycznej generowanej przez silnik do nadawania ruchu obrotowego urządzeniom mechanicznym. Cechą charakterystyczną wirników silników o dużej prędkości jest ich duża prędkość obrotowa, często przekraczająca 10 000 obrotów na minutę (obr./min).

Podczas projektowania konstrukcyjnego wirników silników o dużej prędkości należy zwrócić szczególną uwagę na takie czynniki, jak siła odśrodkowa i siła uderzenia, które powstają w wyniku pracy z dużą prędkością. Wymaga to optymalizacji zmniejszenia masy osiowej, wydajności wyważania dynamicznego i odporności na zużycie. Istnieje kilka popularnych typów konstrukcyjnych wirników silników o dużej prędkości, w tym typu tulejowego, typu tarczowego, typu z zawieszeniem magnetycznym i typu współpłaszczyznowego. Wybór rodzaju konstrukcji powinien opierać się na potrzebach praktycznych.

Silniki szybkoobrotowe, charakteryzujące się niewielkimi rozmiarami, dużą gęstością mocy, bezpośrednim połączeniem z obciążeniami o dużej prędkości, eliminacją tradycyjnych mechanicznych urządzeń zwiększających prędkość, zmniejszonym hałasem systemu i poprawioną wydajnością przekładni systemu, mają szerokie perspektywy zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak szybkie szlifierki, systemy chłodnicze z obiegiem powietrza, koła zamachowe magazynujące energię, ogniwa paliwowe, szybkie sprężarki odśrodkowe do transportu gazu ziemnego oraz rozproszone systemy wytwarzania energii stosowane jako urządzenia zasilające samoloty lub statki. Stały się jednym z ośrodków badawczych w międzynarodowej dziedzinie elektrotechniki.

Główne cechy silników o dużej prędkości obejmują dużą prędkość wirnika, wysoki prąd uzwojenia stojana i częstotliwość strumienia magnetycznego w żelaznym rdzeniu oraz wysoką gęstość mocy i gęstość strat. Te cechy wymagają kluczowych technologii i metod projektowania, unikalnych dla silników o dużej prędkości, odróżniających je od silników konwencjonalnych. Wirniki silników o dużej prędkości zazwyczaj obracają się z prędkością powyżej 10 000 obr./min. Podczas dużych prędkości obrotowych konwencjonalne laminowane wirniki mają trudności z wytrzymaniem ogromnych sił odśrodkowych, co powoduje konieczność zastosowania specjalnych, laminowanych lub pełnych konstrukcji wirników o wysokiej wytrzymałości. W przypadku silników z magnesami trwałymi problemy z wytrzymałością wirnika są jeszcze bardziej widoczne, ponieważ spiekane materiały z magnesami trwałymi nie są w stanie wytrzymać naprężeń rozciągających wytwarzanych przez obrót wirnika z dużą prędkością, co wymaga środków ochronnych dla magnesów trwałych.

Co więcej, tarcie przy dużych prędkościach pomiędzy wirnikiem a szczeliną powietrzną powoduje straty tarcia na powierzchni wirnika, które są znacznie większe niż w silnikach o konwencjonalnych prędkościach, co stwarza poważne wyzwania dla chłodzenia wirnika. Aby zapewnić wystarczającą wytrzymałość wirnika, wirniki silników o dużej prędkości są często smukłe, co zwiększa prawdopodobieństwo osiągnięcia krytycznych prędkości obrotowych w porównaniu z silnikami o konwencjonalnych prędkościach. Aby uniknąć rezonansu zginania, istotne jest dokładne przewidzenie krytycznej prędkości obrotowej układu wirnika.

Ponadto konwencjonalne łożyska silników nie mogą niezawodnie pracować przy dużych prędkościach, co powoduje konieczność zastosowania systemów łożysk o dużej prędkości. Prąd przemienny o wysokiej częstotliwości w uzwojeniu i strumień magnetyczny w żelaznym rdzeniu stojana silników o dużej prędkości generują znaczne dodatkowe straty o wysokiej częstotliwości w uzwojeniu silnika, żelaznym rdzeniu stojana i wirniku. Efekt naskórkowości i efekt bliskości na stratach uzwojenia można zwykle zignorować, gdy częstotliwość prądu stojana jest niska, ale w sytuacjach wysokiej częstotliwości uzwojenie stojana wykazuje znaczny efekt naskórkowania i efekt bliskości, zwiększając dodatkowe straty uzwojenia.

Wysoka częstotliwość strumienia magnetycznego w żelaznym rdzeniu stojana silników o dużej prędkości nie może pomijać wpływu efektu naskórkowości, a konwencjonalne metody obliczeniowe mogą prowadzić do znacznych błędów. Aby dokładnie obliczyć straty żelaza w rdzeniu stojana w silnikach o dużej prędkości, konieczne jest zbadanie modeli obliczeń strat żelaza w warunkach wysokiej częstotliwości. Harmoniczne przestrzenne spowodowane żłobkowaniem stojana i niesinusoidalnym rozkładem uzwojeń, a także harmoniczne prądu w czasie generowane przez zasilacz PWM powodują znaczne straty w postaci prądów wirowych w wirniku. Mała objętość wirnika i złe warunki chłodzenia stwarzają duże trudności w chłodzeniu wirnika. Dlatego dokładne obliczenie strat prądów wirowych wirnika i poszukiwanie skutecznych środków ich ograniczenia są kluczowe dla niezawodnej pracy silników wysokoobrotowych.

Co więcej, napięcia lub prądy o wysokiej częstotliwości stanowią wyzwanie dla konstrukcji sterownika szybkich silników dużej mocy. Silniki szybkoobrotowe są znacznie mniejsze od silników konwencjonalnych o równoważnej mocy, charakteryzują się dużą gęstością mocy i gęstością strat, a także trudnym chłodzeniem. Bez specjalnych środków chłodzących temperatura silnika może nadmiernie wzrosnąć, skracając żywotność uzwojenia. Szczególnie w przypadku silników z magnesami trwałymi nadmierna temperatura wirnika może prowadzić do nieodwracalnego rozmagnesowania magnesów trwałych.

Silniki szybkoobrotowe to ogólnie silniki o prędkościach obrotowych przekraczających 10 000 obr./min lub trudnościach (iloczyn prędkości obrotowej i pierwiastka kwadratowego mocy) przekraczających 1×10^5. Wśród różnych dostępnych obecnie typów silników, te, które z powodzeniem osiągają duże prędkości, obejmują przede wszystkim silniki indukcyjne, silniki z wewnętrznymi magnesami trwałymi, silniki reluktancyjne z przełączaniem oraz kilka zewnętrznych silników z magnesami trwałymi i silników z biegunami kłowymi. Konstrukcje wirników szybkich silników indukcyjnych są stosunkowo proste, charakteryzują się niską bezwładnością obrotową i możliwością pracy przez dłuższy czas w warunkach wysokiej temperatury i dużych prędkości, co czyni je szeroko stosowanymi w zastosowaniach wymagających dużych prędkości.

Podsumowując, wirniki silników o dużej prędkości są kluczowymi elementami umożliwiającymi pracę silników z dużą prędkością, charakteryzującymi się dużymi prędkościami obrotowymi, specjalnymi konstrukcjami oraz wyzwaniami w układach chłodzenia i łożyskach. Wraz z postępem technologicznym i unowocześnieniami przemysłu, szybkie silniki są coraz częściej stosowane w takich dziedzinach, jak pojazdy elektryczne, lotnictwo, roboty przemysłowe i czysta energia, co napędza rozwój materiałów i technologii o wysokiej wydajności. Na przykład powszechne stosowanie wirników z włókna węglowego znacznie zwiększa wydajność i trwałość silnika, wyznaczając nową erę technologii silników wysokoobrotowych.