Znaczenie konstrukcji wirnika w szybkich silnikach bezszczotkowych

Wirnik silnika bezszczotkowego o dużej prędkości zwykle działa przy prędkościach w zakresie od 20 000 do 100 000 obr./min. Konstrukcja silników o dużej prędkości znacznie różni się od konstrukcji konwencjonalnych silników o niskiej prędkości i niskiej częstotliwości. Analiza dynamiczna układów wirnika i łożysk ma kluczowe znaczenie dla niezawodności działania silników wysokoobrotowych.

Konstrukcja wirnika ma kluczowe znaczenie w konstrukcji silnika bezszczotkowego o dużej prędkości, a główne kwestie obejmują: dobór średnicy i długości wirnika, wybór materiałów z magnesami trwałymi i zastosowane metody ochrony (ponieważ magnesy trwałe nie są w stanie wytrzymać ogromnych sił odśrodkowych występujących przy dużych prędkościach i muszą być ekranowane materiałami o wysokiej wytrzymałości). Obejmuje to analizę wytrzymałości i sztywności wirnika oraz konstrukcję łożysk (ponieważ szybkie silniki bezszczotkowe nie mogą wykorzystywać standardowych łożysk i zamiast tego muszą używać typów bezkontaktowych, takich jak łożyska pneumatyczne lub magnetyczne).

W przypadku szybkich silników bezszczotkowych konstrukcja wirnika z magnesami trwałymi musi uwzględniać zarówno aspekty elektromagnetyczne, jak i mechaniczne. Oznacza to, że wirnik z magnesami trwałymi musi zapewniać wystarczająco silne obrotowe pole magnetyczne dla uzwojeń stojana, a jednocześnie być w stanie wytrzymać ogromne siły odśrodkowe generowane przez obrót z dużą prędkością.

Wysoka prędkość silniki bezszczotkowe mają zazwyczaj mniej biegunów, zwykle 2 lub 4 bieguny. Dwubiegunowy silnik ułatwia zastosowanie solidnej konstrukcji magnesów trwałych, aby zapewnić symetrię mechaniczną i elektromagnetyczną. Co więcej, pole magnetyczne rdzenia stojana oraz prąd uzwojenia i częstotliwość silnika 2-biegunowego są tylko o połowę mniejsze niż w przypadku silnika 4-biegunowego, co pomaga zmniejszyć straty żelaza i miedzi w stojanie silnika. Jednak główną wadą silników 2-biegunowych jest to, że uzwojenia stojana są dłuższe i wymagają większej powierzchni rdzenia stojana.

Wybór materiały z magnesami trwałymi w szybkich silnikach bezszczotkowych znacząco wpływają na wielkość i wydajność silnika. Wybierając materiały na magnesy trwałe, należy wziąć pod uwagę:

1. Aby zwiększyć gęstość mocy i wydajność silnika, należy wybrać materiały o dużej gęstości strumienia szczątkowego, koercji i iloczynie energii magnetycznej.

2. Krzywa rozmagnesowania materiału magnesu trwałego powinna zmieniać się liniowo w dopuszczalnym zakresie temperatur pracy. Aby mieć pewność, że temperatura robocza wirnika z magnesami trwałymi nie przekroczy temperatury rozmagnesowania magnesów, należy zastosować materiały z magnesami trwałymi odpornymi na wysokie temperatury.

Biorąc pod uwagę ogromne siły odśrodkowe, jakie muszą wytrzymać wirniki z magnesami trwałymi szybkich silników bezszczotkowych, właściwości mechaniczne materiałów magnesów są również krytyczne. Biorąc pod uwagę wymagania techniczne i koszty materiałów, powszechnie stosuje się spiekany neodymowo-żelazowo-borowy, rodzaj materiału na magnesy trwałe powstałego w wyniku metalurgii proszków. Metody ochrony tych magnesów obejmują dodanie wytrzymałej, niemagnetycznej osłony ochronnej na zewnątrz magnesu, ściśle przylegającej do niego. Inna metoda ochrony polega na zastosowaniu opasek z włókna węglowego do zabezpieczenia magnesów.