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

No contexto de pequeno poder Motores de ímã permanentes de alta velocidade , para atender aos requisitos de estresse da estrutura do rotor e simplificar o processo de produção, é proposta uma estrutura de rotor tangencialmente incorporada 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 de arco do pólo e estrutura da superfície do rotor no torque de engrenagem, torque médio e ondulação de torque. Verificações de estresse 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 tangencialmente incorporada baseada em ímãs trapezoidais para pequenos motores de ímã permanente usando enrolamentos concentrados de slot fracionário. Com o estator usando uma estrutura de núcleo segmentada, a estrutura da superfície do rotor é otimizada. Análise detalhada de como esses parâmetros da estrutura do rotor influenciam a ondulação do torque e o torque médio fornece referência valiosa para o design de tais motores.

O motor adota enrolamentos concentrados de slot fracionário, e o estator usa uma estrutura de montagem segmentada, facilitando os processos de enrolamento automatizados e reduzindo os custos de produção e processamento. O rotor emprega uma estrutura tangencialmente incorporada, com ímãs trapezoidais diretamente inseridos nos slots do rotor. Comparado às estruturas tradicionais do rotor tangencial, esse 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 do ímã e os parâmetros da estrutura da superfície do rotor. Os parâmetros da estrutura do ímã 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 pode ser determinada preliminariamente com base na estrutura motora. 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 ímãs é predeterminada e não é considerada um parâmetro de otimização.

Sem considerar a saturação, o volume dos ímãs no rotor é proporcional à ligação permanente do fluxo magnético 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. No entanto, 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 da base inferior dos ímãs é minimizar a largura da ponte, garantindo que a tensão do rotor atenda aos requisitos. Depois que a largura da base inferior é determinada, os 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, a tensão estrutural do rotor é verificada. A Figura 2 mostra o mapa da nuvem de distribuição de tensão do rotor do motor, indicando uma tensão máxima do núcleo do rotor de 0,98 MPa. Dado que o material do rotor do motor é o aço de silício com uma força de escoamento de 405 MPa, a tensão máxima nessas condições está abaixo da força de escoamento, confirmando que a estrutura do rotor atende aos requisitos mecânicos.

Para motores de ímã permanente de pequena velocidade de alta velocidade, é proposta uma estrutura de rotor tangencialmente incorporada baseada em ímãs trapezoidais para simplificar o processo de produção. Os resultados da simulação de elementos finitos indicam que a determinação dos parâmetros do ímã requer consideração abrangente de torque de saída, ondulação de torque, processos de fabricação e erros. Otimizar a 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, fornecendo uma valiosa experiência e referência de design de engenharia para otimizar esse tipo de motor.