Исследование по оптимизации конструкции роторов высокоскоростных двигателей с постоянными магнитами с тангенциально заделанными трапециевидными магнитами

В условиях малой энергетики Для высокоскоростных двигателей с постоянными магнитами , для удовлетворения требований к нагрузкам конструкции ротора и упрощения производственного процесса предлагается тангенциально закладная конструкция ротора на основе трапециевидных магнитов. При условии удовлетворения основных конструктивных требований двигателя параметры конструкции ротора оптимизированы. Моделирование методом конечных элементов используется для анализа влияния коэффициента полюсной дуги и структуры поверхности ротора на зубчатый крутящий момент, средний крутящий момент и пульсации крутящего момента. Также проводятся структурные стресс-проверки.

Чтобы еще больше упростить процесс изготовления и сборки ротора двигателя и сделать его более подходящим для высокоскоростных применений, в этом исследовании предлагается новая тангенциально заделанная конструкция ротора на основе трапециевидных магнитов для двигателей с постоянными магнитами малой мощности, использующих сосредоточенные обмотки с дробными пазами. Поскольку в статоре используется сегментированная структура сердечника, структура поверхности ротора оптимизирована. Подробный анализ того, как эти параметры конструкции ротора влияют на пульсацию крутящего момента и средний крутящий момент, дает ценную информацию для проектирования таких двигателей.

В двигателе используются концентрированные обмотки с дробными пазами, а в статоре используется сегментированная сборочная конструкция, что упрощает автоматизированные процессы намотки и снижает затраты на производство и обработку. В роторе используется тангенциально встроенная конструкция с трапециевидными магнитами, вставленными непосредственно в пазы ротора. По сравнению с традиционными тангенциальными конструкциями ротора эта новая конструкция снижает затраты на обработку сердечника ротора и упрощает процессы сборки.

Оптимизация структуры ротора двигателя разделена на две части: оптимизация параметров структуры магнита и параметров структуры поверхности ротора. Параметры магнитной структуры включают ширину нижнего основания L1, ширину верхнего основания L2 и высоту. Ширина нижнего основания L1 и высота могут быть предварительно определены исходя из конструкции двигателя. Внутренний диаметр ротора ограничен валом двигателя, и, учитывая требования к обработке и сборке ротора, толщина внутреннего кольца ротора по существу фиксирована. Таким образом, высота магнитов задана заранее и не считается параметром оптимизации.

Без учета насыщения объем магнитов в роторе пропорционален постоянному магнитному потокосцеплению ротора двигателя. Чтобы обеспечить выходной крутящий момент двигателя, перед оптимизацией конструкции ротора необходимо максимально увеличить ширину нижнего основания трапециевидных магнитов. Однако большая нижняя ширина основания приводит к меньшей ширине соединительной перемычки в сердечнике ротора, что влияет на нагрузку на ротор. Принцип определения нижней ширины основания магнитов заключается в минимизации ширины моста при обеспечении соответствия напряжения ротора требованиям. После определения ширины нижнего основания для определения размеров верхнего основания используются методы конечных элементов.

Для обеспечения соответствия механической прочности конструкции ротора двигателя эксплуатационным требованиям с использованием методов конечных элементов создается трехмерная модель конструкции ротора. Применяя вращательную инерционную нагрузку номинальной скорости двигателя, проверяют структурное напряжение ротора. На рисунке 2 показана карта облака распределения напряжений ротора двигателя, указывающая максимальное напряжение сердечника ротора 0,98 МПа. Учитывая, что материалом ротора двигателя является кремниевая сталь с пределом текучести 405 МПа, максимальное напряжение в этих условиях ниже предела текучести, что подтверждает соответствие конструкции ротора механическим требованиям.

Для высокоскоростных двигателей малой мощности с постоянными магнитами для упрощения производственного процесса предложена тангенциально закладная конструкция ротора на основе трапециевидных магнитов. Результаты моделирования методом конечных элементов показывают, что определение параметров магнита требует всестороннего учета выходного крутящего момента, пульсаций крутящего момента, производственных процессов и ошибок. Оптимизация внешней поверхности ротора может еще больше снизить пульсации крутящего момента. Исследование показывает, что новая конструкция ротора двигателя значительно упрощает обработку и затраты на ротор с минимальным влиянием на характеристики крутящего момента, предоставляя ценный опыт инженерного проектирования и рекомендации для оптимизации этого типа двигателя.