Elementos-chave no desenvolvimento de motores de alta velocidade

Com o desenvolvimento vigoroso do mercado global de veículos de nova energia, a velocidade de acionamento dos motores tem mostrado um crescimento surpreendente. De 18.000 rpm há vários anos para confortavelmente superiores a 20.000 rpm hoje, isto representa não apenas um avanço numérico, mas também testes rigorosos de design de motores e tecnologias de fabricação. Este artigo discute vários aspectos desenvolvimento motor de alta velocidade.

 

01. Seleção de do rotor Número do par do pólo

Em motores de alta velocidade, a perda de ferro tornou-se um fator crítico inevitável, especialmente em faixas de alta velocidade. Existe uma estreita relação entre o número de pólos do motor e a perda de ferro porque à medida que a velocidade do motor aumenta, a frequência das mudanças no fluxo magnético no núcleo também aumenta, levando a um aumento significativo na perda de ferro.

Por exemplo, em um motor operando a 20.000 rpm, um motor de 6 pólos atinge uma frequência de trabalho de 1.000 Hz, enquanto um motor de 8 pólos aumenta esta frequência para 1.333 Hz. De acordo com a fórmula de cálculo da perda de ferro mencionada acima, o aumento na frequência de operação leva diretamente ao aumento da perda de ferro.

Na tendência de design de motores de alta velocidade, podemos ver uma diminuição gradual no uso de combinações de 8/48 pólos e um aumento no uso de combinações de 6/54 pólos.

A razão para esta mudança reside nas considerações acima mencionadas sobre a perda de ferro. Para reduzir a perda de ferro durante a operação em alta velocidade, os projetistas tendem a escolher a combinação pólo-slot 6/54 para obter melhor desempenho eletromagnético e maior eficiência.

02. Seleção do Sistema de Refrigeração

Para motores de ímã permanente de alta velocidade, a temperatura afeta significativamente seu desempenho. Como o ponto de operação dos ímãs permanentes varia com a temperatura, temperaturas excessivamente altas podem até causar o risco de desmagnetização dos ímãs. Além disso, a alta densidade de potência dos motores elétricos em veículos de novas energias limita a área de superfície de resfriamento, tornando o projeto do sistema de refrigeração crucial para garantir um desempenho estável do motor.

Ao considerar métodos de refrigeração, sugiro usar um sistema de refrigeração a óleo para motores com velocidades superiores a 18.000 rpm. Isto ocorre porque os problemas de aquecimento do rotor tornam-se particularmente proeminentes quando as velocidades excedem 16.000 rpm. Em um motor resfriado a água, o estator é resfriado principalmente, enquanto em altas velocidades, a dissipação eficaz do calor do rotor por meio do resfriamento a água torna-se um desafio.

Com relação ao monitoramento de temperatura, os projetos de motores atuais normalmente incorporam sensores de temperatura dentro do estator. Em motores refrigerados a água, devido às estruturas estáveis ​​dos canais de fluxo, a distribuição de temperatura dos enrolamentos do estator é relativamente uniforme e bem controlada. Entretanto, em motores resfriados a óleo, a maior flexibilidade de projeto dos canais de fluxo resulta em diferenças de temperatura mais perceptíveis entre os enrolamentos em comparação com motores resfriados a água. Portanto, ao selecionar a localização do sensor, é crucial considerar áreas com maiores aumentos de temperatura do enrolamento para minimizar a diferença de temperatura entre a temperatura monitorada e o ponto mais alto do enrolamento, refletindo com precisão o estado térmico real do motor.

03. Desafios tecnológicos dos rolamentos de alta velocidade

O sistema de suporte do rotor é um componente central no desenvolvimento de motores de alta velocidade, sendo a seleção da tecnologia de rolamento particularmente crítica. Atualmente, rolamentos rígidos de esferas são comumente usados ​​em rolamentos de motores.

Em ambientes de alta velocidade, os rolamentos de esferas enfrentam sérios desafios, como superaquecimento e risco de deslizamento. Isso ocorre porque à medida que a velocidade aumenta, o atrito e a geração de calor dentro dos rolamentos também aumentam acentuadamente, levando à diminuição do desempenho do rolamento ou até mesmo à falha. Portanto, a lubrificação de rolamentos de alta velocidade é crucial.

Depois que a velocidade do motor exceder 18.000 rpm, outro motivo importante para recomendar o resfriamento com óleo é a lubrificação dos rolamentos. Em motores refrigerados a água, rolamentos de esferas autolubrificantes são normalmente usados ​​como rolamentos. No entanto, durante a operação em alta velocidade, esses rolamentos enfrentam desafios como vazamento de graxa e grandes diferenças de temperatura entre os anéis interno e externo.

Por outro lado, os rolamentos de esferas do tipo aberto usados ​​em sistemas de resfriamento de óleo podem resfriar efetivamente os anéis interno e externo dos rolamentos, evitando problemas de vazamento de graxa e tendo um coeficiente de atrito de rolamento mais baixo. Entretanto, deve-se prestar atenção ao projeto dos caminhos do óleo lubrificante para garantir o resfriamento adequado do rolamento. No orifício do ombro, a estrutura saliente é embutida para garantir que a velocidade do fluxo do óleo de resfriamento seja relativamente uniforme antes e depois do ombro.