В современном быстро развивающемся технологическом мире, высокоскоростные двигатели становятся основным источником энергии во многих высокотехнологичных областях. От новых энергетических транспортных средств до аэрокосмической отрасли, от прецизионного производства до энергетического оборудования, за этими передовыми приложениями стоит поддержка ключевой технологии — технологии статоров высокоскоростных двигателей.
Когда мы говорим о высокоскоростных двигателях, часто на ум приходят высокая скорость вращения и большая мощность. Фактически двигатели со скоростью более 10 000 об/мин относят к быстроходным. Их способность стать ядром многочисленных промышленных секторов полностью обусловлена их малыми размерами и высокой удельной мощностью..
Технологическое превосходство статора, являющегося «сердцем» высокоскоростного двигателя, напрямую определяет производительность, эффективность и надежность всего двигателя.
01 Проблемы высокоскоростных двигателей
Высокоскоростные двигатели — это не просто обычные двигатели, работающие быстрее. По мере роста скорости возникает ряд беспрецедентных проблем.
Высокочастотные потери — это первая и главная проблема. Частота тока обмотки статора и магнитного потока в железном сердечнике резко возрастает с ростом скорости, создавая значительные высокочастотные дополнительные потери в обмотках двигателя, сердечнике статора и роторе.
Скин-эффект и эффект близости обычно незначительны на низких частотах, но становятся чрезвычайно значительными на высоких частотах.
Проблема рассеивания тепла не менее сложна. Высокоскоростные двигатели намного меньше обычных двигателей эквивалентной мощности, что приводит к высокой плотности мощности и плотности потерь, что затрудняет отвод тепла.
Без специальных мер по охлаждению может произойти чрезмерное повышение температуры двигателя, что приведет к сокращению срока службы обмотки.
В двигателях с постоянными магнитами чрезмерное повышение температуры ротора также может привести к необратимому размагничиванию постоянных магнитов.
Проблемы в производственных процессах не следует недооценивать. Неправильное обращение с цилиндричностью и соосностью отверстия статора может привести к дисбалансу сил магнитного поля во время работы ротора, вызывая вибрационное ускорение из-за изменений воздушного зазора.
02 Технология обмотки статора
Обмотки статора являются ключевым фактором в повышении эффективности, срока службы, объема и стоимости двигателя. Для решения задач электрификации транспорта решающее значение имеет выбор подходящей технологии намотки и правильной конструкции.
В настоящее время существует три основные технологии намотки: втягивающаяся , обмотка, шпилька и формованная многопроволочная проволока..
Вставные обмотки состоят из круглых проводов, вставленных в пазы, каждый из которых изолирован, а несколько проводов расположены рядом. Коэффициент заполнения для этого типа обмотки может достигать 40–45%.
Обмотки со шпильками, также известные как стержневые обмотки, состоят из индивидуально изолированных цельных медных стержней. Предварительно сформированные П-образные стержни вставляются в пазы двигателя, а открытые концы медных стержней загибаются и соединяются сваркой. Коэффициент заполнения HPW может превышать 50%.
Формованный литцендрат состоит из пучков жил, скрученных, сжатых и параллельно соединенных в виде стержней. Индивидуально изолированные жилы непрерывно перемещаются в осевом направлении двигателя. Достижимый коэффициент заполнения FLW сопоставим с коэффициентом заполнения HPW.
Среди трех типов обмоток шпильчатая обмотка и формованная многожильный провод имеют более высокие коэффициенты заполнения, что означает более компактную конструкцию и более высокую удельную мощность.
03 Инновационные конструкции статора
Столкнувшись с особыми проблемами высокоскоростных сред, исследователи разработали различные инновационные конструкции статоров.
Статорный двигатель с постоянными магнитами представляет собой революционную конструкцию. Он устраняет ограничения традиционных тяговых двигателей транспортных средств, размещая постоянные магниты в статоре, а не в роторе.
Эта конструкция имеет множество преимуществ: ротор не имеет ни материала постоянного магнита, ни обмоток якоря, что делает его простым и надежным, особенно подходящим для работы на высоких скоростях; как постоянные магниты, так и обмотки якоря расположены в статоре, что облегчает охлаждение; намагничивания постоянных магнитов можно добиться разумным изменением способа соединения обмоток якоря.
Структура статора без пазов — еще одно инновационное решение. В высокоскоростных двигателях с постоянными магнитами частота переменного магнитного поля очень высока, что приводит к значительным потерям в железе статора, сильному нагреву, а зубчатый момент вызывает пульсации крутящего момента.
Использование беспазовой конструкции статора может эффективно снизить потери в железе и полностью устранить влияние зубчатого момента.
Некоторые исследования сочетают в себе высокую проницаемость, высокое удельное сопротивление и недорогие характеристики магнитомягкого феррита, используя его в качестве сердечника статора для высокоскоростных бесщеточных двигателей постоянного тока с постоянными магнитами, а также используя беспазовую структуру статора.
Тороидальная структура обмотки — это новая конструкция, предложенная Шэньянским технологическим университетом в ходе исследования высокоскоростных двигателей с постоянными магнитами.
В тороидальной обмотке стороны нижнего слоя катушек размещены в 6 пазах сердечника статора, а стороны верхнего слоя распределены в 24 пазах на внешней кромке ярма статора. Это не только увеличивает площадь вентиляции и рассеивания тепла на поверхности статора, но также позволяет потоку охлаждающего воздуха непосредственно охлаждать обмотки статора.
04 Технология охлаждения и тепловой расчет
Система охлаждения высокооборотного двигателя – залог его надежной работы. Хорошо спроектированная система охлаждения может эффективно снизить повышение температуры статора и ротора, что имеет решающее значение для долгосрочной стабильной работы мощных высокоскоростных двигателей.
Технологии охлаждения статора разнообразны. Для закрытых конструкций с водяной рубашкой температура на концах обмотки относительно высока во время внутреннего самоохлаждения.
На практике инженеры обнаружили, что регулирование направления потока воды с использованием метода, при котором вода поступает посередине и выходит с обеих сторон, может эффективно улучшить рассеивание тепла.
Для крупных высокооборотных двигателей может быть добавлен роторный вентилятор, а внутренняя организация воздушного потока может быть выполнена с сегментированием статора посередине, служащим воздухозаборным каналом из внешней средней части корпуса с отводом газа с обоих концов. Остальная часть корпуса представляет собой конструкцию с водяным охлаждением, в которую вода входит посередине и выходит с обеих сторон.
Улучшенная обработка концов обмоток для отвода тепла также является технологией, специфичной для высокоскоростных двигателей. В отличие от традиционных двигателей, в высокоскоростных двигателях используются такие методы, как устранение обычных пазовых клиньев для улучшения условий охлаждения.
Для отвода тепла от головок обмотки также применяется технология распылительного охлаждения. Этот метод прямого охлаждения эффективно отводит тепло, выделяемое обмотками, обеспечивая стабильную работу двигателя в условиях высоких температур.
05 Тенденции будущего развития
Благодаря постоянному технологическому прогрессу технология статоров высокоскоростных двигателей развивается в сторону более высокой эффективности, надежности и интеллектуальности.
Применение новых материалов будет ключевым моментом. Использование таких материалов, как магнитомягкий феррит с высокой проницаемостью и высоким удельным сопротивлением, а также высокоэффективных изоляционных материалов, еще больше повысит эффективность и надежность работы статора.
Интегрированный дизайн — еще одна важная тенденция. Проектирование высокоскоростных двигателей — это комплексный итеративный процесс, включающий множество физических полей: электромагнитные поля, прочность ротора, динамику ротора, поля жидкости и температурные поля.
В будущем, благодаря мультифизическому моделированию и оптимизации, технология статора будет более тесно интегрирована с другими системами двигателей.
Инновации в производственных процессах также будут способствовать развитию технологии статоров. С развитием технологий 3D-печати и прецизионной обработки станут возможными более сложные и оптимизированные конструкции статоров, что еще больше расширяет пределы производительности высокоскоростных двигателей.
В настоящее время исследования в области высокоскоростных двигателей в Китае постоянно углубляются. Несколько университетов и исследовательских институтов, таких как Чжэцзянский университет, Шэньянский технологический университет и Харбинский университет науки и технологий, добились значительного прогресса в этой области.
Инновации в технологии статоров высокоскоростных двигателей, от промышленного оборудования до повседневной жизни, незаметно меняют наш мир.
В будущем, с применением новых материалов и новых процессов, технология статоров высокоскоростных двигателей продолжит прорыв, обеспечивая более мощный и эффективный импульс для технологического прогресса человечества.
