Wprowadzenie wirnika silnika o dużej prędkości

A Szybki wirnik silnika jest kluczową częścią szybkiego silnika, zwykle ucieleśniającą wał obrotowy. Działa poprzez wykorzystanie energii elektrycznej wytwarzanej przez silnik w celu nadania ruchu obrotowego urządzeniom mechanicznym. Definiującą cechą szybkich wirników silnika jest ich wysoka prędkość obrotowa, często przekraczająca 10 000 obrotów na minutę (RPM).

W konstrukcji konstrukcyjnej szybkich wirników silnika należy podać znaczące rozważanie dla takich czynników, jak siła odśrodkowa i siła uderzenia wynikająca z szybkiego działania. Wymaga to optymalizacji osiowej lekkiej, dynamicznej wydajności równoważenia i odporności na zużycie. Istnieje kilka typowych typów strukturalnych szybkich wirników silnika, w tym typ typu rękawa, typ typu TID, typu zawiesina magnetycznego i typu coplanar. Wybór typu strukturalnego powinien opierać się na praktycznych potrzebach.

Silniki szybkie, zawierające małe rozmiar, dużą gęstość mocy, bezpośrednie połączenie z dużymi obciążeniami, eliminacja tradycyjnych urządzeń mechanicznych, zbierających prędkości, zmniejszonym szumem systemu i ulepszoną wydajność transmisji systemowej, mają szerokie potencjalne potencjalne kompresje w różnych dziedzinach dla generacji o wysokiej prędkości, dystrybucyjnie i rozdzielczości. Systemy używane jako samolot lub sprzęt zasilający. Stały się jednym z hotspotów badawczych w międzynarodowej dziedzinie inżynierii elektrycznej.

Główne cechy szybkich silników obejmują wysoką prędkość wirnika, prąd uzwojenia wysokiego stojana i częstotliwość strumienia magnetycznego w żelaznym rdzeniu oraz wysoką gęstość mocy i gęstość straty. Te cechy wymagają kluczowych technologii i metod projektowania unikalnych dla silników szybkich, odróżniając je od silników konwencjonalnych. Szybkie wirniki silnika zwykle obracają się przy prędkościach powyżej 10 000 obr / min. Podczas rotacji szybkiej, konwencjonalne laminowane wirniki starają się wytrzymać ogromne siły odśrodkowe, wymagając przyjęcia specjalnych struktur laminowanych o wysokiej wytrzymałości lub stałych wirników. W przypadku silników magnetycznych stałych problemów siły wirnika są jeszcze bardziej widoczne, ponieważ spiekane materiały magnesu stałego nie mogą wytrzymać naprężenia rozciągającego generowane przez szybką obrót wirnika, wymagając środków ochronnych dla magnesów stałych.

Ponadto szybkie tarcie między wirnikiem a szczeliną powietrza powoduje straty tarcia na powierzchni wirnika, które są znacznie większe niż w silnikach konwencjonalnych, stanowiąc poważne wyzwania dla chłodzenia wirnika. Aby zapewnić wystarczającą wytrzymałość na wirnik, szybkie wirniki silnika są często smukłe, zwiększając prawdopodobieństwo zbliżenia się do krytycznych prędkości obrotowych w porównaniu z silnikami konwencjonalnymi. Aby uniknąć rezonansu gięcia, kluczowe jest dokładne przewidzieć krytyczną prędkość obrotową systemu wirnika.

Ponadto konwencjonalne łożyska motoryczne nie mogą niezawodnie działać przy dużych prędkościach, co wymaga przyjęcia systemów łożyska dużych prędkości. Prąd naprzemienny o wysokiej częstotliwości w uzwojeniu i strumień magnetyczny w żelaznym rdzeniu silników szybkich, generują znaczące dodatkowe straty o wysokiej częstotliwości w uzwojeniu silnika, rdzeniu żelaza stojana i wirnika. Wpływ skóry i efekt bliskości na straty uzwojenia można zwykle zignorować, gdy częstotliwość prądu stojana jest niska, ale w sytuacjach o wysokiej częstotliwości uzwojenie stojana wykazuje znaczny efekt skóry i efekt bliskości, zwiększając dodatkowe straty.

Wysoka częstotliwość strumienia magnetycznego w żelaznym rdzeniu żelaza silników szybkich nie może zaniedbać wpływu efektu skóry, a konwencjonalne metody obliczeń mogą prowadzić do znacznych błędów. Aby dokładnie obliczyć utratę rdzenia żelaza stojana silników o dużej prędkości, konieczne jest zbadanie modeli obliczania utraty żelaza w warunkach o wysokiej częstotliwości. Harmoniczne przestrzenne spowodowane rozkładem stojana i nie-sinusoidalnym rozkładem uzwojenia, a także obecne harmoniczne czasowe generowane przez zasilanie PWM, wszystkie wytwarzają znaczące straty prądu wirowego w wirniku. Mała objętość wirnika i złe warunki chłodzenia stanowią duże trudności w chłodzeniu wirnika. Dlatego dokładne obliczenie strat prądu wirnika i badanie skutecznych miar w celu ich zmniejszenia są kluczowe dla niezawodnego działania silników szybkich.

Ponadto napięcia lub prądy o wysokiej częstotliwości stanowią wyzwania dla projektowania kontrolera silników o dużej mocy szybkiej prędkości. Silniki szybkie są znacznie mniejsze niż konwencjonalne silniki o równoważnej mocy, zawierające dużą gęstość mocy i gęstość strat, a także trudne chłodzenie. Bez specjalnych pomiarów chłodzenia temperatura motoryczna może nadmiernie wzrastać, skracając kręte życie. Zwłaszcza w przypadku silników magnetycznych stały nadmierna temperatura wirnika może prowadzić do nieodwracalnej demagnetyzacji magnesów stałych.

Silniki szybkie ogólnie odnoszą się do silników o prędkościach obrotowych przekraczających wartości 10 000 obr / min lub wartościami trudności (iloczyn prędkości obrotowej i pierwiastek kwadratowy o mocy) przekraczający 1 × 10^5. Spośród różnych obecnie dostępnych typów silników, z powodzeniem osiągnięcie dużych prędkości obejmują przede wszystkim silniki indukcyjne, wewnętrzne silniki magnesu stałego, przełączane silniki niechęci i kilka zewnętrznych silników magnetycznych stałych i silników bieguna pazurowego. Struktury wirników szybkich silników indukcyjnych są stosunkowo proste, z bezwładnością o niskiej obrotowej i zdolnością do działania przez dłuższe okresy w warunkach wysokiej temperatury i dużych prędkości, dzięki czemu są szeroko stosowane w zastosowaniach o dużej prędkości.

Podsumowując, szybkie wirniki silnika są kluczowymi elementami, które umożliwiają szybkie działanie silników, charakteryzujące się ich wysokimi prędkościami obrotowymi, specjalnymi projektami konstrukcyjnymi i wyzwaniami w systemach chłodzenia i łożyska. W przypadku postępów technologicznych i modernizacji przemysłowej silniki szybkie są coraz częściej stosowane w takich dziedzinach, jak pojazdy elektryczne, lotnicze, roboty przemysłowe i czysta energia, napędzając rozwój wysokowydajnych materiałów i technologii. Na przykład powszechne stosowanie wirników z włókna węglowego znacznie zwiększa wydajność motoryczną i trwałość, oznaczając nową erę szybkiej technologii silnikowej.