Estudo sobre otimização da estrutura de rotores de motores de ímã permanente de alta velocidade com ímãs trapezoidais incorporados tangencialmente

No contexto do pequeno poder motores de ímã permanente de alta velocidade , para atender aos requisitos de tensão da estrutura do rotor e simplificar o processo de produção, é proposta uma estrutura de rotor embutida tangencialmente baseada em ímãs trapezoidais. Sob a premissa de atender aos requisitos básicos de projeto do motor, os parâmetros da estrutura do rotor são otimizados. A simulação de elementos finitos é empregada para analisar os efeitos do coeficiente do arco polar e da estrutura da superfície do rotor no torque de engrenagem, no torque médio e na ondulação de torque. Verificações de tensão estrutural também são realizadas.

Para simplificar ainda mais o processo de fabricação e montagem do rotor do motor, tornando-o mais adequado para aplicações de alta velocidade, este estudo propõe uma nova estrutura de rotor embutida tangencialmente baseada em ímãs trapezoidais para motores de ímã permanente de pequena potência usando enrolamentos concentrados de ranhuras fracionárias. Com o estator usando uma estrutura de núcleo segmentada, a estrutura da superfície do rotor é otimizada. A análise detalhada de como esses parâmetros da estrutura do rotor influenciam a ondulação do torque e o torque médio fornece uma referência valiosa para o projeto de tais motores.

O motor adota enrolamentos concentrados de slot fracionário e o estator utiliza uma estrutura de montagem segmentada, facilitando processos de enrolamento automatizados e reduzindo custos de produção e processamento. O rotor emprega uma estrutura embutida tangencialmente, com ímãs trapezoidais inseridos diretamente nas ranhuras do rotor. Comparado às estruturas tradicionais de rotor tangencial, este novo design reduz os custos de processamento do núcleo do rotor e simplifica os processos de montagem.

A otimização da estrutura do rotor do motor é dividida em duas partes: otimização dos parâmetros da estrutura magnética e dos parâmetros da estrutura da superfície do rotor. Os parâmetros da estrutura magnética incluem a largura da base inferior L1, a largura da base superior L2 e a altura. A largura da base inferior L1 e a altura podem ser determinadas preliminarmente com base na estrutura do motor. O diâmetro interno do rotor é limitado pelo eixo do motor e, considerando os requisitos de processamento e montagem do rotor, a espessura do anel interno do rotor é essencialmente fixa. Assim, a altura dos imãs é pré-determinada e não considerada um parâmetro de otimização.

Sem considerar a saturação, o volume dos ímãs no rotor é proporcional à ligação do fluxo magnético permanente do rotor do motor. Para garantir a capacidade de saída de torque do motor, a largura da base inferior dos ímãs trapezoidais deve ser maximizada antes de otimizar a estrutura do rotor. Entretanto, uma largura de base inferior maior resulta em uma largura menor da ponte de conexão no núcleo do rotor, afetando a tensão do rotor. O princípio para determinar a largura inferior da base dos ímãs é minimizar a largura da ponte e, ao mesmo tempo, garantir que a tensão do rotor atenda aos requisitos. Uma vez determinada a largura da base inferior, métodos de elementos finitos são usados ​​para definir as dimensões da base superior.

Para garantir que a resistência mecânica da estrutura do rotor do motor atenda aos requisitos operacionais, um modelo tridimensional da estrutura do rotor é estabelecido usando métodos de elementos finitos. Aplicando a carga de inércia rotacional da velocidade nominal do motor, verifica-se a tensão estrutural do rotor. A Figura 2 mostra o mapa de nuvem de distribuição de tensão do rotor do motor, indicando uma tensão máxima no núcleo do rotor de 0,98 MPa. Dado que o material do rotor do motor é aço silício com limite de escoamento de 405 MPa, a tensão máxima nessas condições está abaixo do limite de escoamento, confirmando que a estrutura do rotor atende aos requisitos mecânicos.

Para motores de ímã permanente de alta velocidade e pequena potência, uma estrutura de rotor embutida tangencialmente baseada em ímãs trapezoidais é proposta para simplificar o processo de produção. Os resultados da simulação de elementos finitos indicam que a determinação dos parâmetros magnéticos requer uma consideração abrangente do torque de saída, ondulação de torque, processos de fabricação e erros. A otimização da superfície externa do rotor pode reduzir ainda mais a ondulação de torque. O estudo mostra que a nova estrutura do rotor do motor simplifica significativamente o processamento e os custos do rotor, com impacto mínimo no desempenho do torque, proporcionando valiosa experiência em projetos de engenharia e referência para otimização deste tipo de motor.