Estrutura do rotor de motor de alta velocidade e características de design (projeto do estator, diferentes tipos de design da estrutura do rotor)

High speed motor rotor has the characteristics of small size, high power density, direct connection with high speed load, eliminating the traditional mechanical acceleration device, reducing system noise and improving system transmission efficiency, etc. It has broad application prospects in the fields of high-speed grinding machines, air circulation refrigeration systems, energy storage flywheels, fuel cells, high-speed centrifugal compressors for natural gas transmission and distributed power generation systems as power Fornecer equipamentos para aeronaves ou navios e se tornou um dos pontos de pesquisa de pesquisa no campo elétrico internacional.

As principais características do motor de alta velocidade são alta velocidade do rotor, corrente de enrolamento de alto estator e frequência de fluxo magnético no núcleo, alta densidade de potência e densidade de perda. Essas características determinam que os principais métodos de tecnologia e design do motor de alta velocidade são diferentes dos do motor de velocidade constante.

A velocidade do rotor do motor de alta velocidade geralmente é superior a 10.000 r/min. Ao girar em alta velocidade, o rotor laminado convencional não pode suportar a enorme força centrífuga; portanto, precisa ser usada uma estrutura de rotor laminada ou sólida de alta resistência. Para motores de ímã permanente, o problema da força do rotor é mais proeminente, porque o material de ímã permanente sinterizado não pode suportar a tensão de tração gerada pela rotação de alta velocidade do rotor, e as medidas de proteção devem ser tomadas para o ímã permanente. O atrito de alta velocidade entre o rotor e a lacuna de ar causa uma perda de atrito muito maior na superfície do rotor do que a do motor de velocidade constante, o que traz grande dificuldade para a dissipação do calor do rotor. Para garantir que o rotor tenha resistência suficiente, o rotor do motor de alta velocidade é principalmente esbelto; portanto, comparado com o motor de velocidade constante, a possibilidade do sistema de rotor que se aproxima da velocidade crítica do motor de alta velocidade aumenta bastante. Os rolamentos comuns do motor não podem operar de maneira confiável em alta velocidade, e os sistemas de rolamentos de alta velocidade devem ser usados.

A alta frequência alternada da corrente de enrolamento e o fluxo magnético no núcleo do motor de alta velocidade produzirá grande perda adicional de alta frequência no enrolamento do motor, do núcleo do estator e do rotor. Quando a frequência da corrente do estator é baixa, o efeito do efeito da pele e do efeito de proximidade na perda de enrolamento pode ser ignorado, mas em alta frequência, o enrolamento do estator produzirá efeito óbvio da pele e efeito de proximidade e aumentará a perda adicional do enrolamento. A frequência do fluxo magnético no núcleo do estator do motor de alta velocidade é alta, a influência do efeito da pele não pode ser ignorada e o método de cálculo convencional trará grandes erros. Para calcular com precisão a perda de núcleo do estator do motor de alta velocidade, é necessário explorar o modelo de cálculo da perda de ferro em condições de alta frequência. Os harmônicos espaciais causados ​​pelo slot do estator e pela distribuição não sinusaidal do enrolamento, bem como pelos harmônicos atuais e de tempo gerados pela fonte de alimentação do PWM, produzirá grande perda de corrente de Foucault no rotor. Devido ao pequeno tamanho do rotor e às más condições de resfriamento, trará grandes dificuldades para a dissipação do calor do rotor. Portanto, será discutido o cálculo preciso da perda de corrente do redemoinho do rotor e a exploração de medidas efetivas para reduzir a perda de corrente do redemoinho do rotor. É de grande importância para a operação confiável do motor de alta velocidade. Ao mesmo tempo, a tensão ou corrente de alta frequência também traz desafios ao design do controlador de motores de alta velocidade de alta potência.

The volume of the high-speed motor is much smaller than the constant speed motor of the same power, not only the power density and loss density is large, but also the heat dissipation is difficult, if the special heat dissipation measures are not used, the temperature rise of the motor will be too high, thereby shortening the life of the winding, especially for the permanent magnet motor, in the case of the rotor temperature rise is too high, the permanent magnet is prone to irreversible desmagnetização. Um sistema de resfriamento bem projetado pode reduzir efetivamente o aumento da temperatura do rotor fixo, que é a chave para a operação estável a longo prazo de motores de alta velocidade de alta potência.

Para resumir, existem muitos problemas principais especiais na resistência ao rotor, dinâmica do sistema de rotor, projeto eletromagnético, projeto do sistema de refrigeração e cálculo de aumento da temperatura, rolamentos de alta velocidade e desenvolvimento do controlador que não estão disponíveis em motores convencionais. Portanto, o design do motor de alta velocidade é um processo de projeto abrangente de múltiplas iterações de campos físicos, como campo eletromagnético, resistência ao rotor, dinâmica do rotor, campo de fluido e campo de temperatura. Atualmente, os principais tipos de motores usados ​​em campos de alta velocidade são motores de indução, motores de ímã permanentes, motores de relutância comutados e motores de garra e cada tipo de motor tem uma topologia diferente.

Este artigo analisa o status de desenvolvimento de diferentes tipos de motores de alta velocidade em casa e no exterior e resume o índice limite de diferentes tipos de motores de alta velocidade. As características de estrutura e projeto do motor de alta velocidade são analisadas em detalhes, incluindo design do estator, design da estrutura do rotor, análise de dinâmica do sistema de rotor, seleção de rolamentos e design do sistema de refrigeração, etc. Por fim, os principais problemas enfrentados pelo desenvolvimento do motor de alta velocidade são analisados, e a tendência de desenvolvimento e a perspectiva de motor de alta velocidade são as perspectivas.