V dnešnom rýchlo sa rozvíjajúcom technologickom prostredí, vysokorýchlostné motory sa stávajú hlavným zdrojom energie v mnohých špičkových oblastiach. Od nových energetických vozidiel po letecký priemysel, od presnej výroby po energetické zariadenia, za týmito špičkovými aplikáciami sa skrýva podpora kľúčovej technológie – technológie vysokorýchlostného statora motora.
Keď hovoríme o vysokorýchlostných motoroch, často prichádzajú na myseľ vysoké otáčky a vysoký výkon. V skutočnosti sú motory s otáčkami nad 10 000 ot./min. klasifikované ako vysokorýchlostné motory. Ich schopnosť stať sa jadrom mnohých priemyselných odvetví je úplne spôsobená ich charakteristikou malej veľkosti a vysokej hustoty energie.
Ako 'srdce' vysokorýchlostného motora, technologická prevaha statora priamo určuje výkon, účinnosť a spoľahlivosť celého motora.
01 Výzvy vysokorýchlostných motorov
Vysokorýchlostné motory nie sú len obyčajné motory, ktoré bežia rýchlejšie. Ako rýchlosť stúpa, vyvstáva séria bezprecedentných výziev.
Vysokofrekvenčná strata je prvou a hlavnou výzvou. Frekvencia prúdu vinutia statora a magnetického toku v železnom jadre sa prudko zvyšuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou, čo vytvára významné vysokofrekvenčné dodatočné straty vo vinutí motora, jadre statora a rotora.
Efekt kože a efekt priblíženia sú zvyčajne zanedbateľné pri nízkych frekvenciách, ale stávajú sa mimoriadne významnými pri vysokých frekvenciách.
Problém rozptylu tepla je rovnako náročný. Vysokorýchlostné motory sú oveľa menšie ako konvenčné motory s rovnakým výkonom, čo vedie k vysokej hustote výkonu a hustote strát, čo sťažuje odvod tepla.
Bez špeciálnych chladiacich opatrení môže dôjsť k nadmernému zvýšeniu teploty motora, čo skráti životnosť vinutia.
Pri motoroch s permanentnými magnetmi môže nadmerné zvýšenie teploty rotora viesť aj k nevratnej demagnetizácii permanentných magnetov.
Výzvy vo výrobných procesoch by sa nemali podceňovať. Nesprávna manipulácia s valcovitosťou a koaxiálnosťou vývrtu statora môže spôsobiť nerovnováhu sily magnetického poľa počas prevádzky rotora, čo generuje zrýchlenie vibrácií na základe zmien vzduchovej medzery.
02 Technológia vinutia statora
Vinutia statora sú kľúčovým faktorom pri zlepšovaní účinnosti motora, životnosti, objemu a nákladov. Na splnenie výziev elektrifikácie dopravy je rozhodujúci výber vhodnej technológie navíjania a správny dizajn.
V súčasnosti existujú tri hlavné technológie navíjania: Pull-In Windings , Hairpin Windings a Formed Litz Wire.
Vťahovacie vinutia pozostávajú z okrúhlych drôtov vložených do štrbín, pričom každý drôt je izolovaný a viaceré drôty sú umiestnené vedľa seba. Faktor plnenia pre tento typ vinutia môže dosiahnuť 40 % až 45 %.
Vlásenky, tiež známe ako tyčové vinutia, sa skladajú z individuálne izolovaných pevných medených tyčí. Vopred tvarované tyče v tvare U sa vkladajú do štrbín motora a otvorené konce medených tyčí sú ohnuté a spojené zváraním. Faktor plnenia pre HPW môže presiahnuť 50 %.
Formed Litz Wire sa skladá zo zväzkov prameňov skrútených, stlačených a paralelne spojených do tyčí. Individuálne izolované pramene sú plynule transponované pozdĺž axiálneho smeru motora. Dosiahnuteľný faktor plnenia pre FLW je porovnateľný s faktorom HPW.
Spomedzi troch typov vinutia majú Hairpin Windings a Formed Litz Wire vyššie faktory plnenia, čo znamená kompaktnejšie konštrukcie a vyššiu hustotu výkonu.
03 Inovatívne štruktúry statorov
Tvárou v tvár špeciálnym výzvam vysokorýchlostného prostredia vyvinuli výskumníci rôzne inovatívne konštrukcie statorov.
je Motor s permanentným magnetom statora prelomový dizajn. Prelomí obmedzenia tradičných trakčných motorov vozidiel umiestnením permanentných magnetov do statora namiesto rotora.
Táto konštrukcia ponúka mnoho výhod: rotor nemá materiál s permanentným magnetom ani vinutia kotvy, vďaka čomu je jednoduchý a robustný, vhodný najmä pre vysokorýchlostnú prevádzku; permanentné magnety aj vinutia kotvy sú umiestnené v statore, čo uľahčuje chladenie; magnetizáciu permanentných magnetov možno dosiahnuť rozumnou zmenou spôsobu zapojenia vinutia kotvy.
Štruktúra statora bez štrbín je ďalším inovatívnym riešením. Vo vysokorýchlostných motoroch s permanentnými magnetmi je frekvencia striedavého magnetického poľa veľmi vysoká, čo vedie k značným stratám železa statora, silnému zahrievaniu a krútiaci moment spôsobuje zvlnenie krútiaceho momentu.
Prijatie konštrukcie statora bez štrbín môže účinne znížiť straty železa a úplne eliminovať účinky krútiaceho momentu.
Niektoré štúdie kombinujú vysokú permeabilitu, vysoký odpor a lacné vlastnosti mäkkého magnetického feritu, pričom ho používajú ako statorové jadro pre vysokorýchlostné bezkomutátorové jednosmerné motory s permanentným magnetom, pričom využívajú aj bezštrbinovú štruktúru statora.
Štruktúra toroidného vinutia je nový dizajn navrhnutý Technickou univerzitou v Shenyang vo svojom výskume vysokorýchlostných motorov s permanentnými magnetmi.
V toroidnom vinutí sú strany spodnej vrstvy cievok umiestnené v 6 drážkach jadra statora, zatiaľ čo strany hornej vrstvy sú rozmiestnené v 24 drážkach na vonkajšom okraji strmeňa statora. To nielen zväčšuje oblasť vetrania a rozptylu tepla na povrchu statora, ale tiež umožňuje prúdenie chladiaceho vzduchu na priame chladenie vinutí statora.
04 Technológia chladenia a tepelný dizajn
Chladiaci systém vysokorýchlostného motora je kľúčom k jeho spoľahlivej prevádzke. Dobre navrhnutý chladiaci systém dokáže efektívne znížiť nárast teploty statora a rotora, čo je kľúčové pre dlhodobú stabilnú prevádzku vysokovýkonných vysokootáčkových motorov.
Technológie chladenia statorov sú rôznorodé. Pri uzavretých konštrukciách vodného plášťa je teplota na koncoch vinutia relatívne vysoká počas vnútorného chladenia.
Inžinieri praxou zistili, že úprava smeru toku vody, pričom sa použije metóda, kde voda vstupuje zo stredu a vystupuje z oboch strán, môže účinne zlepšiť rozptyl tepla.
Pre veľké vysokorýchlostné motory je možné pridať rotorový ventilátor a vnútornú organizáciu prúdenia vzduchu možno navrhnúť tak, aby bol stator segmentovaný v strede, slúžiaci ako kanál nasávania vzduchu z vonkajšej strednej časti plášťa, s odsávaním plynov z oboch koncov. Zvyšok puzdra má vodou chladenú štruktúru, pričom voda vstupuje zo stredu a vystupuje z oboch strán.
Zlepšená úprava rozptylu tepla pre konce vinutia je tiež technológia špecifická pre vysokorýchlostné motory. Na rozdiel od tradičných motorov, vysokorýchlostné motory využívajú metódy, ako je eliminácia konvenčných štrbinových klinov na zlepšenie chladiacich podmienok.
Technológia chladenia rozprašovaním sa používa aj na odvádzanie tepla z hláv vinutia. Táto metóda priameho chladenia účinne odstraňuje teplo generované vinutiami a zabezpečuje stabilnú prevádzku motora v prostredí s vysokou teplotou.
05 Budúce trendy vývoja
S neustálym technologickým pokrokom sa technológia vysokorýchlostného statora motora vyvíja smerom k vyššej účinnosti, vyššej spoľahlivosti a väčšej inteligencii.
Aplikácia nových materiálov bude kľúčová. Použitie materiálov, ako je mäkký magnetický ferit s vysokou permeabilitou a vysokým odporom, spolu s vysokovýkonnými izolačnými materiálmi ďalej zlepší pracovnú účinnosť a spoľahlivosť statora.
Integrovaný dizajn je ďalším významným trendom. Konštrukcia vysokorýchlostných motorov je komplexný, iteračný proces zahŕňajúci viacero fyzikálnych polí: elektromagnetické polia, silu rotora, dynamiku rotora, polia tekutín a teplotné polia.
V budúcnosti, prostredníctvom simulácie a optimalizácie multifyzikálnej väzby, bude technológia statora užšie integrovaná s inými motorovými systémami.
Inovácie vo výrobných procesoch poženú dopredu aj technológiu statorov. S rozvojom 3D tlače a technológií presného obrábania budú možné komplexnejšie a optimalizované štruktúry statorov, čím sa ďalej posúvajú výkonnostné limity vysokorýchlostných motorov.
V súčasnosti sa výskum v oblasti vysokorýchlostných motorov v Číne neustále prehlbuje. Niekoľko univerzít a výskumných inštitúcií, ako napríklad Zhejiang University, Shenyang University of Technology a Harbin University of Science and Technology, dosiahlo v tejto oblasti významný pokrok.
Od priemyselných zariadení až po každodenný život, inovácie v technológii vysokorýchlostného statora motora ticho menia náš svet.
V budúcnosti, s aplikáciou nových materiálov a nových procesov, bude technológia vysokorýchlostného statora motora pokračovať v prenikaní a bude poskytovať silnejšiu a efektívnejšiu a silnejšiu hybnú silu pre ľudský technologický pokrok.
