Kľúčové prvky vo vývoji vysokorýchlostných motorov

S energickým rozvojom globálneho trhu s novými energetickými vozidlami vykazuje rýchlosť hnacích motorov úžasný rast. Od 18 000 otáčok za minútu pred niekoľkými rokmi až po dnes pohodlne presahujúcich 20 000 otáčok za minútu to predstavuje nielen numerický prelom, ale aj prísne testy konštrukcie motora a výrobných technológií. Tento článok sa zaoberá niekoľkými aspektmi vývoj vysokorýchlostného motora.

 

01. Výber z rotora Číslo páru pólov

Vo vysokorýchlostných motoroch sa strata železa stala nevyhnutným kritickým faktorom, najmä vo vysokorýchlostných rozsahoch. Existuje úzky vzťah medzi počtom pólov motora a stratou železa, pretože so zvyšujúcou sa rýchlosťou motora sa zvyšuje aj frekvencia zmien magnetického toku v jadre, čo vedie k výraznému zvýšeniu straty železa.

Napríklad v motore pracujúcom pri 20 000 otáčkach za minútu dosahuje 6-pólový motor pracovnú frekvenciu 1000 Hz, zatiaľ čo 8-pólový motor túto frekvenciu zvyšuje na 1333 Hz. Podľa vyššie uvedeného výpočtového vzorca pre straty železa vedie zvýšenie prevádzkovej frekvencie priamo k zvýšeným stratám železa.

V dizajnovom trende vysokootáčkových motorov môžeme vidieť postupný pokles používania kombinácií pól-slot 8/48 a nárast používania kombinácií 6/54 pól-drážka.

Dôvod tohto posunu spočíva v spomínaných úvahách o strate železa. Na zníženie strát železa počas vysokorýchlostnej prevádzky majú dizajnéri tendenciu zvoliť kombináciu 6/54 pól-slot, aby dosiahli lepší elektromagnetický výkon a vyššiu účinnosť.

02. Výber chladiaceho systému

Pri vysokorýchlostných motoroch s permanentnými magnetmi teplota výrazne ovplyvňuje ich výkon. Pretože prevádzkový bod permanentných magnetov sa mení s teplotou, príliš vysoké teploty môžu dokonca znamenať riziko demagnetizácie magnetov. Okrem toho vysoká hustota výkonu elektromotorov v nových energetických vozidlách obmedzuje plochu chladiaceho povrchu, takže dizajn chladiaceho systému je rozhodujúci pre zabezpečenie stabilného výkonu motora.

Pri zvažovaní spôsobov chladenia navrhujem použiť systém chladenia oleja pre motory s otáčkami nad 18 000 ot./min. Je to preto, že problémy so zahrievaním rotora sú obzvlášť výrazné, keď otáčky prekročia 16 000 ot./min. Vo vodou chladenom motore je stator primárne chladený, zatiaľ čo pri vysokých rýchlostiach je efektívne odvádzanie tepla rotora chladením vodou náročné.

Pokiaľ ide o monitorovanie teploty, súčasné konštrukcie motorov zvyčajne vkladajú teplotné snímače do statora. Vo vodou chladených motoroch je vďaka stabilným štruktúram prietokových kanálov rozloženie teploty vinutia statora relatívne rovnomerné a dobre riadené. V olejom chladených motoroch však väčšia konštrukčná flexibilita prietokových kanálov vedie k výraznejším teplotným rozdielom medzi vinutiami v porovnaní s vodou chladenými motormi. Preto pri výbere umiestnenia snímača je dôležité zvážiť oblasti s vyšším nárastom teploty vinutia, aby sa minimalizoval teplotný rozdiel medzi monitorovanou teplotou a najvyšším bodom vinutia, čo presne odráža skutočný tepelný stav motora.

03. Technologické výzvy vysokorýchlostných ložísk

Nosný systém rotora je kľúčovým komponentom pri vývoji vysokorýchlostných motorov, pričom výber technológie ložísk je obzvlášť dôležitý. V súčasnosti sa v ložiskách motorov bežne používajú guľkové ložiská s hlbokými drážkami.

Vo vysokorýchlostnom prostredí čelia guľôčkové ložiská vážnym problémom, ako je prehrievanie a riziko chodu. Je to preto, že so zvyšujúcou sa rýchlosťou sa výrazne zvyšuje aj trenie a tvorba tepla vo vnútri ložísk, čo vedie k zníženiu výkonu ložísk alebo dokonca k poruche. Preto je mazanie vysokorýchlostných ložísk kľúčové.

Keď otáčky motora prekročia 18 000 ot./min., ďalším dôležitým dôvodom na odporúčanie chladenia oleja je mazanie ložísk. Vo vodou chladených motoroch sa ako ložiská zvyčajne používajú samomazné guľôčkové ložiská. Počas vysokorýchlostnej prevádzky však tieto ložiská čelia problémom, ako je únik maziva a veľké teplotné rozdiely medzi vnútorným a vonkajším krúžkom.

Na rozdiel od toho, guľkové ložiská otvoreného typu používané v olejových chladiacich systémoch môžu účinne chladiť vnútorné a vonkajšie krúžky ložísk, čím sa zabráni problémom s únikom maziva a majú nižší koeficient valivého trenia. Pozornosť však treba venovať návrhu dráh mazacieho oleja, aby sa zabezpečilo dostatočné chladenie ložísk. V ramennom otvore je vyčnievajúca štruktúra zapustená, aby sa zabezpečila relatívne rovnomerná rýchlosť prietoku chladiaceho oleja pred a za ramenom.