Kluczowe elementy rozwoju silników dużych prędkości

Wraz z dynamicznym rozwojem światowego rynku pojazdów nowych na energię, prędkość silników napędowych wykazała zdumiewający wzrost. Od 18 000 obr./min kilka lat temu do komfortowego przekraczania 20 000 obr./min obecnie, oznacza to nie tylko przełom numeryczny, ale także rygorystyczne testy konstrukcji silników i technologii produkcji. W artykule omówiono kilka aspektów szybki rozwój motoryczny.

 

01. Wybór wirnika Numer pary biegunów

W silnikach szybkoobrotowych utrata żelaza stała się nieuniknionym czynnikiem krytycznym, zwłaszcza w zakresach dużych prędkości. Istnieje ścisły związek między liczbą biegunów silnika a stratami żelaza, ponieważ wraz ze wzrostem prędkości silnika wzrasta również częstotliwość zmian strumienia magnetycznego w rdzeniu, co prowadzi do znacznego wzrostu strat żelaza.

Na przykład w silniku pracującym z prędkością 20 000 obr/min silnik 6-biegunowy osiąga częstotliwość roboczą 1000 Hz, podczas gdy silnik 8-biegunowy zwiększa ją do 1333 Hz. Zgodnie ze wzorem obliczeniowym utraty żelaza, o którym mowa powyżej, zwiększenie częstotliwości pracy bezpośrednio prowadzi do zwiększonej utraty żelaza.

W trendzie konstrukcyjnym silników szybkoobrotowych widać stopniowy spadek stosowania kombinacji biegunów 8/48 i wzrost stosowania kombinacji 6/54 biegunów.

Przyczyna tej zmiany leży we wspomnianych powyżej rozważaniach na temat utraty żelaza. Aby zmniejszyć straty żelaza podczas pracy z dużą prędkością, projektanci wybierają kombinację biegunów 6/54, aby uzyskać lepszą wydajność elektromagnetyczną i wyższą wydajność.

02. Dobór układu chłodzenia

W przypadku szybkich silników z magnesami trwałymi temperatura znacząco wpływa na ich wydajność. Ponieważ punkt pracy magnesów trwałych zmienia się wraz z temperaturą, zbyt wysokie temperatury mogą nawet spowodować ryzyko rozmagnesowania magnesów. Co więcej, duża gęstość mocy silników elektrycznych w pojazdach nowej generacji ogranicza powierzchnię chłodzenia, co sprawia, że ​​konstrukcja układu chłodzenia ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia stabilnej wydajności silnika.

Rozważając metody chłodzenia, sugeruję zastosowanie układu chłodzenia oleju w przypadku silników o prędkościach przekraczających 18 000 obr/min. Dzieje się tak dlatego, że problemy z nagrzewaniem wirnika stają się szczególnie widoczne, gdy prędkość obrotowa przekracza 16 000 obr./min. W silniku chłodzonym wodą chłodzony jest przede wszystkim stojan, natomiast przy dużych prędkościach skuteczne odprowadzanie ciepła wirnika poprzez chłodzenie wodą staje się wyzwaniem.

Jeśli chodzi o monitorowanie temperatury, obecne konstrukcje silników zazwyczaj zawierają czujniki temperatury wewnątrz stojana. W silnikach chłodzonych wodą, dzięki stabilnej strukturze kanałów przepływowych, rozkład temperatury uzwojeń stojana jest stosunkowo równomierny i dobrze kontrolowany. Jednakże w silnikach chłodzonych olejem większa elastyczność konstrukcyjna kanałów przepływowych powoduje bardziej zauważalne różnice temperatur pomiędzy uzwojeniami w porównaniu z silnikami chłodzonymi wodą. Dlatego przy wyborze lokalizacji czujnika należy wziąć pod uwagę obszary o większym wzroście temperatury uzwojenia, aby zminimalizować różnicę temperatur pomiędzy monitorowaną temperaturą a najwyższym punktem uzwojenia, dokładnie odzwierciedlającym rzeczywisty stan cieplny silnika.

03. Wyzwania technologiczne łożysk szybkobieżnych

System nośny wirnika jest kluczowym elementem w rozwoju silników o dużej prędkości, przy czym szczególnie krytyczny jest wybór technologii łożysk. Obecnie w łożyskach silników powszechnie stosuje się łożyska kulkowe zwykłe.

W środowiskach charakteryzujących się dużą prędkością łożyska kulkowe stają przed poważnymi wyzwaniami, takimi jak przegrzanie i ryzyko pracy. Dzieje się tak dlatego, że wraz ze wzrostem prędkości gwałtownie wzrasta tarcie i wytwarzanie ciepła wewnątrz łożysk, co prowadzi do zmniejszenia wydajności łożyska, a nawet jego awarii. Dlatego smarowanie łożysk szybkoobrotowych ma kluczowe znaczenie.

Gdy prędkość obrotowa silnika przekroczy 18 000 obr/min, kolejnym ważnym powodem zalecania chłodzenia olejem jest smarowanie łożysk. W silnikach chłodzonych wodą zwykle stosuje się samosmarujące łożyska kulkowe. Jednakże podczas pracy z dużymi prędkościami łożyska te stają przed wyzwaniami, takimi jak wycieki smaru i duże różnice temperatur pomiędzy pierścieniami wewnętrznymi i zewnętrznymi.

Natomiast łożyska kulkowe typu otwartego stosowane w układach chłodzenia oleju mogą skutecznie chłodzić wewnętrzne i zewnętrzne pierścienie łożysk, unikając problemów z wyciekaniem smaru i charakteryzując się niższym współczynnikiem tarcia tocznego. Należy jednak zwrócić uwagę na konstrukcję ścieżek oleju smarowego, aby zapewnić odpowiednie chłodzenie łożysk. W otworze barku osadzona jest wystająca konstrukcja, aby zapewnić stosunkowo równomierną prędkość przepływu oleju chłodzącego przed i za kołnierzem.