Studiu privind optimizarea structurii rotoarelor motoarelor cu magneți permanenți de mare viteză cu magneți trapezoidali încorporați tangenţial

În contextul puterii mici motoare cu magnet permanenți de mare viteză , pentru a îndeplini cerințele de stres ale structurii rotorului și pentru a simplifica procesul de producție, se propune o structură de rotor încorporată tangenţial bazată pe magneţi trapezoidali. Sub premisa îndeplinirii cerințelor de bază de proiectare ale motorului, parametrii structurii rotorului sunt optimizați. Simularea cu elemente finite este utilizată pentru a analiza efectele coeficientului arcului polar și ale structurii suprafeței rotorului asupra cuplului de cogging, cuplului mediu și ondulației cuplului. De asemenea, se efectuează verificări ale tensiunilor structurale.

Pentru a simplifica și mai mult procesul de fabricație și asamblare a rotorului motorului, făcându-l mai potrivit pentru aplicații de mare viteză, acest studiu propune o nouă structură de rotor încorporată tangenţial bazată pe magneţi trapezoidali pentru motoare cu magneti permanenţi de putere mică, care utilizează înfășurări concentrate cu fantă fracțională. Cu statorul folosind o structură de miez segmentată, structura suprafeței rotorului este optimizată. Analiza detaliată a modului în care acești parametrii structurii rotorului influențează ondulația cuplului și cuplul mediu oferă o referință valoroasă pentru proiectarea unor astfel de motoare.

Motorul adoptă înfășurări concentrate cu fantă fracționată, iar statorul utilizează o structură de asamblare segmentată, facilitând procesele automate de înfășurare și reducând costurile de producție și procesare. Rotorul folosește o structură încorporată tangențial, cu magneți trapezoidali introduși direct în fantele rotorului. În comparație cu structurile tradiționale ale rotorului tangențial, acest nou design reduce costurile de procesare a miezului rotorului și simplifică procesele de asamblare.

Optimizarea structurii rotorului motorului este împărțită în două părți: optimizarea parametrilor structurii magnetului și parametrii structurii suprafeței rotorului. Parametrii structurii magnetului includ lățimea bazei inferioare L1, lățimea bazei superioare L2 și înălțimea. Lățimea bazei inferioare L1 și înălțimea pot fi determinate preliminar pe baza structurii motorului. Diametrul interior al rotorului este limitat de arborele motorului și, având în vedere cerințele de prelucrare și asamblare a rotorului, grosimea inelului interior al rotorului este în esență fixă. Astfel, înălțimea magneților este predeterminată și nu este considerată un parametru de optimizare.

Fără a lua în considerare saturația, volumul magneților din rotor este proporțional cu legătura permanentă a fluxului magnetic al rotorului motorului. Pentru a asigura capacitatea de ieșire a cuplului motorului, lățimea bazei inferioare a magneților trapezoidali trebuie maximizată înainte de optimizarea structurii rotorului. Cu toate acestea, o lățime mai mare a bazei mai mică are ca rezultat o lățime mai mică a punții de legătură în miezul rotorului, afectând solicitarea rotorului. Principiul pentru determinarea lățimii inferioare de bază a magneților este de a minimiza lățimea punții, asigurând în același timp că solicitarea rotorului îndeplinește cerințele. Odată ce lățimea inferioară a bazei este determinată, metodele cu elemente finite sunt utilizate pentru a defini dimensiunile bazei superioare.

Pentru a asigura rezistența mecanică a structurii rotorului motorului îndeplinește cerințele operaționale, se stabilește un model tridimensional al structurii rotorului folosind metode cu elemente finite. Aplicând sarcina de inerție de rotație a turației nominale a motorului, se verifică solicitarea structurală a rotorului. Figura 2 prezintă harta norului de distribuție a tensiunii a rotorului motorului, indicând o tensiune maximă a miezului rotorului de 0,98 MPa. Având în vedere că materialul rotorului motorului este oțel siliconic cu o limită de curgere de 405 MPa, efortul maxim în aceste condiții este sub limita de curgere, confirmând că structura rotorului îndeplinește cerințele mecanice.

Pentru motoarele cu magnet permanenți de putere mică de mare viteză, este propusă o structură de rotor încorporată tangenţial bazată pe magneţi trapezoidali pentru a simplifica procesul de producţie. Rezultatele simulării cu elemente finite indică faptul că determinarea parametrilor magnetului necesită o luare în considerare cuprinzătoare a cuplului de ieșire, a ondulației cuplului, a proceselor de fabricație și a erorilor. Optimizarea suprafeței exterioare a rotorului poate reduce și mai mult ondulația cuplului. Studiul arată că noua structură a rotorului motorului simplifică semnificativ procesarea rotorului și costurile cu un impact minim asupra performanței cuplului, oferind experiență valoroasă de proiectare inginerească și referință pentru optimizarea acestui tip de motor.