Структура и конструктивные характеристики ротора высокоскоростного двигателя (конструкция статора, различные типы конструкции ротора)

Ротор высокоскоростного двигателя имеет небольшие размеры, высокую удельную мощность, прямое соединение с высокоскоростной нагрузкой, исключает традиционное механическое ускоряющее устройство, снижает шум системы, повышает эффективность передачи системы и т. д. Он имеет широкие перспективы применения в области высокоскоростных шлифовальных станков, систем охлаждения с циркуляцией воздуха, маховиков для хранения энергии, топливных элементов, высокоскоростных центробежных компрессоров для транспортировки природного газа и систем распределенной генерации энергии в качестве оборудования для электропитания самолетов или кораблей, а также стал одной из горячих точек исследований в международной электротехнической области.

Основными характеристиками быстроходного двигателя являются высокая частота вращения ротора, большой ток обмотки статора и частота магнитного потока в сердечнике, высокая плотность мощности и плотность потерь. Эти характеристики определяют, что ключевые технологии и методы проектирования высокоскоростных двигателей отличаются от технологий двигателей с постоянной скоростью.

Скорость ротора высокоскоростного двигателя обычно превышает 10 000 об/мин. При вращении на высокой скорости обычный ламинированный ротор не может выдержать огромную центробежную силу, поэтому необходимо использовать специальную высокопрочную ламинированную или сплошную конструкцию ротора. Для двигателей с постоянными магнитами проблема прочности ротора является более актуальной, поскольку спеченный материал постоянного магнита не может выдерживать растягивающее напряжение, создаваемое высокоскоростным вращением ротора, и для постоянного магнита необходимо принять меры защиты. Высокоскоростное трение между ротором и воздушным зазором вызывает гораздо большие потери на трение на поверхности ротора, чем у двигателя с постоянной скоростью, что значительно затрудняет отвод тепла ротора. Чтобы обеспечить достаточную прочность ротора, ротор высокоскоростного двигателя в основном тонкий, поэтому по сравнению с двигателем с постоянной скоростью вероятность того, что роторная система достигнет критической скорости высокоскоростного двигателя, значительно увеличивается. Обычные подшипники двигателя не могут надежно работать на высокой скорости, поэтому необходимо использовать системы высокоскоростных подшипников.

Высокая переменная частота тока обмотки и магнитного потока в сердечнике высокоскоростного двигателя приведет к большим высокочастотным дополнительным потерям в обмотке двигателя, сердечнике статора и роторе. Когда частота тока статора низкая, влияние скин-эффекта и эффекта близости на потери в обмотке можно игнорировать, но на высокой частоте обмотка статора будет вызывать очевидный скин-эффект и эффект близости и увеличивать дополнительные потери в обмотке. Частота магнитного потока в сердечнике статора высокоскоростного двигателя высока, влияние скин-эффекта нельзя игнорировать, а традиционный метод расчета приводит к большим ошибкам. Чтобы точно рассчитать потери в сердечнике статора высокоскоростного двигателя, необходимо изучить модель расчета потерь в железе в условиях высокой частоты. Пространственные гармоники, вызванные несинусоидальным распределением пазов статора и обмотки, а также гармоники тока и времени, генерируемые источником питания с ШИМ, будут вызывать большие потери на вихревые токи в роторе. Из-за небольшого размера ротора и плохих условий охлаждения это создаст большие трудности с отводом тепла от ротора. Поэтому будут обсуждаться точный расчет потерь на вихревые токи ротора и исследование эффективных мер по снижению потерь на вихревые токи ротора. Это имеет большое значение для надежной работы высокоскоростного двигателя. В то же время высокочастотное напряжение или ток также усложняет разработку контроллеров мощных высокоскоростных двигателей.

Объем высокоскоростного двигателя намного меньше, чем у двигателя с постоянной скоростью той же мощности, не только плотность мощности и плотность потерь велики, но также затруднен отвод тепла. Если не используются специальные меры по отводу тепла, повышение температуры двигателя будет слишком высоким, что сокращает срок службы обмотки, особенно для двигателя с постоянными магнитами, в случае слишком высокого повышения температуры ротора постоянный магнит склонен к необратимому размагничиванию. Хорошо спроектированная система охлаждения может эффективно снизить повышение температуры неподвижного ротора, что является ключом к долгосрочной стабильной работе мощных высокоскоростных двигателей.

Подводя итог, можно сказать, что существует множество особых ключевых проблем в области прочности ротора, динамики роторной системы, электромагнитного проектирования, проектирования системы охлаждения и расчета повышения температуры, разработки высокоскоростных подшипников и контроллеров, которые недоступны в обычных двигателях. Таким образом, проектирование высокоскоростного двигателя представляет собой комплексный процесс проектирования, включающий множество итераций физических полей, таких как электромагнитное поле, сила ротора, динамика ротора, поле жидкости и температурное поле. В настоящее время основными типами двигателей, используемых в высокоскоростных полях, являются асинхронные двигатели, двигатели с постоянными магнитами, вентильные реактивные двигатели и двигатели с кулачковым полюсом, причем каждый тип двигателя имеет различную топологию.

В этой статье анализируется состояние разработки различных типов высокоскоростных двигателей в стране и за рубежом, а также обобщаются предельные показатели различных типов высокоскоростных двигателей. Подробно анализируются структура и конструктивные характеристики высокоскоростного двигателя, включая конструкцию статора, конструкцию конструкции ротора, анализ динамики роторной системы, выбор подшипников и проектирование системы охлаждения и т. д. Наконец, анализируются основные проблемы, стоящие перед разработкой высокоскоростного двигателя, а также определяются тенденции развития и перспективы высокоскоростного двигателя.