Ключевые элементы разработки высокоскоростных двигателей

В условиях бурного развития мирового рынка транспортных средств на новых источниках энергии скорость приводных двигателей продемонстрировала ошеломляющий рост. От 18 000 об/мин несколько лет назад до комфортного превышения 20 000 об/мин сегодня — это не только численный прорыв, но и строгие испытания технологий проектирования и производства двигателей. В этой статье рассматриваются несколько аспектов развитие скоростной моторики.

 

01. Выбор ротора Номер пары полюсов

В высокоскоростных двигателях потери в железе стали неизбежным критическим фактором, особенно в диапазоне высоких скоростей. Существует тесная взаимосвязь между количеством полюсов двигателя и потерями в железе, поскольку с увеличением скорости двигателя частота изменения магнитного потока в сердечнике также увеличивается, что приводит к значительному увеличению потерь в железе.

Например, у двигателя, работающего со скоростью 20 000 об/мин, 6-полюсный двигатель достигает рабочей частоты 1000 Гц, а 8-полюсный увеличивает ее до 1333 Гц. Согласно приведенной выше формуле расчета потерь в железе, увеличение рабочей частоты напрямую приводит к увеличению потерь в железе.

В тенденции проектирования высокоскоростных двигателей мы можем видеть постепенное уменьшение использования комбинаций полюсов-паз 8/48 и увеличение использования комбинаций полюсов-паз 6/54.

Причина такого сдвига кроется в вышеупомянутых соображениях относительно потерь железа. Чтобы уменьшить потери в железе при работе на высоких скоростях, конструкторы обычно выбирают комбинацию полюс-паз 6/54 для достижения лучших электромагнитных характеристик и более высокой эффективности.

02. Выбор системы охлаждения

Для высокоскоростных двигателей с постоянными магнитами температура существенно влияет на их производительность. Поскольку рабочая точка постоянных магнитов меняется в зависимости от температуры, чрезмерно высокие температуры могут даже привести к размагничиванию магнитов. Более того, высокая удельная мощность электродвигателей в транспортных средствах на новой энергии ограничивает площадь охлаждающей поверхности, что делает проектирование системы охлаждения решающим фактором для обеспечения стабильной работы двигателя.

При рассмотрении способов охлаждения предлагаю использовать масляную систему охлаждения для двигателей со скоростью более 18 000 об/мин. Это связано с тем, что проблемы с нагревом ротора становятся особенно заметными, когда скорость превышает 16 000 об/мин. В двигателе с водяным охлаждением в первую очередь охлаждается статор, тогда как при высоких скоростях эффективное рассеивание тепла ротора посредством водяного охлаждения становится проблематичным.

Что касается контроля температуры, современные конструкции двигателей обычно включают датчики температуры внутри статора. В двигателях с водяным охлаждением благодаря стабильной структуре каналов распределения температура обмоток статора относительно равномерна и хорошо контролируется. Однако в двигателях с масляным охлаждением большая гибкость конструкции проточных каналов приводит к более заметной разнице температур между обмотками по сравнению с двигателями с водяным охлаждением. Поэтому при выборе места расположения датчика крайне важно учитывать области с более высоким повышением температуры обмотки, чтобы минимизировать разницу температур между контролируемой температурой и самой высокой точкой обмотки, точно отражая фактическое тепловое состояние двигателя.

03. Технологические проблемы высокоскоростных подшипников

Система поддержки ротора является ключевым компонентом при разработке высокоскоростных двигателей, причем выбор технологии подшипников имеет особенно важное значение. В настоящее время в подшипниках двигателей широко используются радиальные шарикоподшипники.

В условиях высоких скоростей шарикоподшипники сталкиваются с серьезными проблемами, такими как перегрев и риск скольжения. Это связано с тем, что с увеличением скорости трение и выделение тепла внутри подшипников также резко возрастают, что приводит к снижению производительности подшипников или даже к их выходу из строя. Поэтому смазка высокоскоростных подшипников имеет решающее значение.

После того, как скорость двигателя превысит 18 000 об/мин, еще одной важной причиной рекомендовать масляное охлаждение является смазка подшипников. В двигателях с водяным охлаждением в качестве подшипников обычно используются самосмазывающиеся шарикоподшипники. Однако при работе на высоких скоростях эти подшипники сталкиваются с такими проблемами, как утечка смазки и большая разница температур между внутренним и наружным кольцами.

Напротив, шарикоподшипники открытого типа, используемые в системах охлаждения масла, могут эффективно охлаждать внутренние и наружные кольца подшипников, избегая проблем с утечкой смазки и имея более низкий коэффициент трения качения. Однако необходимо уделить внимание конструкции путей смазочного масла, чтобы обеспечить адекватное охлаждение подшипников. В отверстие заплечика встроена выступающая конструкция, обеспечивающая относительно равномерную скорость потока охлаждающего масла до и после заплечика.