Badanie optymalizacji konstrukcji wirników silników z magnesami trwałymi o dużej prędkości z stycznie osadzonymi magnesami trapezowymi

W kontekście małej mocy w celu spełnienia wymagań dotyczących naprężeń konstrukcji wirnika , i uproszczenia procesu produkcyjnego, zaproponowano osadzoną stycznie konstrukcję wirnika opartą na magnesach trapezowych. Przy założeniu spełnienia podstawowych wymagań konstrukcyjnych silnika optymalizowane są parametry konstrukcji wirnika. Do analizy wpływu współczynnika łuku biegunowego i struktury powierzchni wirnika na moment zaczepowy, średni moment obrotowy i tętnienie momentu obrotowego wykorzystuje się symulację elementów skończonych. Przeprowadzane są również kontrole naprężeń strukturalnych.

Aby jeszcze bardziej uprościć proces produkcji i montażu wirnika silnika, czyniąc go bardziej odpowiednim do zastosowań wymagających dużych prędkości, w tym badaniu zaproponowano nową konstrukcję wirnika osadzoną stycznie, opartą na magnesach trapezowych, do silników z magnesami trwałymi małej mocy wykorzystujących uzwojenia skoncentrowane o ułamkowych szczelinach. Dzięki zastosowaniu w stojanie segmentowej struktury rdzenia struktura powierzchni wirnika jest zoptymalizowana. Szczegółowa analiza wpływu tych parametrów konstrukcji wirnika na tętnienie momentu obrotowego i średni moment obrotowy stanowi cenne odniesienie przy projektowaniu takich silników.

W silniku zastosowano uzwojenia skoncentrowane o ułamkowych szczelinach, a w stojanie zastosowano segmentową strukturę montażową, co ułatwia zautomatyzowane procesy uzwojenia i zmniejsza koszty produkcji i przetwarzania. Wirnik ma konstrukcję osadzoną stycznie, z magnesami trapezowymi umieszczonymi bezpośrednio w szczelinach wirnika. W porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami wirników stycznych, ta nowa konstrukcja zmniejsza koszty obróbki rdzenia wirnika i upraszcza procesy montażu.

Optymalizacja struktury wirnika silnika dzieli się na dwie części: optymalizację parametrów struktury magnesu i parametrów struktury powierzchni wirnika. Do parametrów konstrukcji magnesu zalicza się szerokość dolnej podstawy L1, szerokość górnej podstawy L2 oraz wysokość. Szerokość dolnej podstawy L1 i wysokość można wstępnie określić na podstawie konstrukcji silnika. Wewnętrzna średnica wirnika jest ograniczona przez wał silnika, a biorąc pod uwagę wymagania dotyczące obróbki i montażu wirnika, grubość wewnętrznego pierścienia wirnika jest zasadniczo stała. Zatem wysokość magnesów jest z góry określona i nie jest uważana za parametr optymalizacyjny.

Bez uwzględnienia nasycenia objętość magnesów w wirniku jest proporcjonalna do stałego strumienia magnetycznego wirnika silnika. Aby zapewnić moment obrotowy silnika, przed optymalizacją konstrukcji wirnika należy zmaksymalizować szerokość dolnej podstawy magnesów trapezowych. Jednakże większa dolna szerokość podstawy skutkuje mniejszą szerokością mostka łączącego w rdzeniu wirnika, co wpływa na naprężenia wirnika. Zasadą określania dolnej szerokości podstawy magnesów jest zminimalizowanie szerokości mostka przy jednoczesnym zapewnieniu, że naprężenie wirnika spełnia wymagania. Po określeniu szerokości dolnej podstawy stosuje się metody elementów skończonych w celu zdefiniowania wymiarów górnej podstawy.

Aby zapewnić, że wytrzymałość mechaniczna konstrukcji wirnika silnika spełnia wymagania eksploatacyjne, tworzony jest trójwymiarowy model konstrukcji wirnika przy użyciu metod elementów skończonych. Przykładając obciążenie bezwładnością obrotową prędkości znamionowej silnika, sprawdza się naprężenia konstrukcyjne wirnika. Rysunek 2 przedstawia mapę chmur rozkładu naprężeń wirnika silnika, wskazując maksymalne naprężenie rdzenia wirnika wynoszące 0,98 MPa. Biorąc pod uwagę, że materiałem wirnika silnika jest stal krzemowa o granicy plastyczności 405 MPa, maksymalne naprężenie w tych warunkach jest poniżej granicy plastyczności, co potwierdza, że ​​konstrukcja wirnika spełnia wymagania mechaniczne.

W przypadku szybkich silników o małej mocy z magnesami trwałymi zaproponowano osadzoną stycznie konstrukcję wirnika opartą na magnesach trapezowych, aby uprościć proces produkcyjny. Wyniki symulacji metodą elementów skończonych wskazują, że określenie parametrów magnesu wymaga kompleksowego uwzględnienia wyjściowego momentu obrotowego, tętnienia momentu obrotowego, procesów produkcyjnych i błędów. Optymalizacja zewnętrznej powierzchni wirnika może jeszcze bardziej zmniejszyć tętnienie momentu obrotowego. Badanie pokazuje, że nowa konstrukcja wirnika silnika znacznie upraszcza obróbkę wirnika i koszty, przy minimalnym wpływie na parametry momentu obrotowego, zapewniając cenne doświadczenie w projektowaniu inżynierskim i odniesienie do optymalizacji tego typu silnika.