Štúdia o optimalizácii konštrukcie vysokorýchlostných rotorov motora s permanentnými magnetmi s tangenciálne uloženými lichobežníkovými magnetmi

V kontexte malej moci vysokorýchlostné motory s permanentnými magnetmi , na splnenie požiadaviek na namáhanie konštrukcie rotora a zjednodušenie výrobného procesu sa navrhuje tangenciálne uložená konštrukcia rotora na báze lichobežníkových magnetov. Za predpokladu splnenia základných konštrukčných požiadaviek motora sú optimalizované parametre konštrukcie rotora. Simulácia konečných prvkov sa používa na analýzu účinkov koeficientu pólového oblúka a štruktúry povrchu rotora na ozubený krútiaci moment, priemerný krútiaci moment a zvlnenie krútiaceho momentu. Vykonávajú sa aj kontroly namáhania konštrukcie.

Na ďalšie zjednodušenie výrobného a montážneho procesu rotora motora, vďaka čomu je vhodnejší pre vysokorýchlostné aplikácie, táto štúdia navrhuje novú tangenciálne zabudovanú štruktúru rotora založenú na lichobežníkových magnetoch pre malé výkonové motory s permanentnými magnetmi využívajúce koncentrované vinutia s frakčnou drážkou. So statorom využívajúcim štruktúru segmentovaného jadra je povrchová štruktúra rotora optimalizovaná. Podrobná analýza toho, ako tieto parametre štruktúry rotora ovplyvňujú zvlnenie krútiaceho momentu a priemerný krútiaci moment, poskytuje cennú referenciu pre návrh takýchto motorov.

Motor využíva koncentrované vinutia s frakčnými drážkami a stator využíva segmentovanú montážnu štruktúru, ktorá uľahčuje automatizované procesy vinutia a znižuje výrobné a spracovateľské náklady. Rotor využíva tangenciálne zabudovanú štruktúru s lichobežníkovými magnetmi priamo vloženými do štrbín rotora. V porovnaní s tradičnými tangenciálnymi rotorovými štruktúrami tento nový dizajn znižuje náklady na spracovanie jadra rotora a zjednodušuje montážne procesy.

Optimalizácia konštrukcie rotora motora je rozdelená do dvoch častí: optimalizácia parametrov štruktúry magnetu a parametrov štruktúry povrchu rotora. Parametre štruktúry magnetu zahŕňajú šírku spodnej základne L1, šírku hornej základne L2 a výšku. Šírka spodnej základne L1 a výška môžu byť predbežne určené na základe konštrukcie motora. Vnútorný priemer rotora je obmedzený hriadeľom motora a vzhľadom na požiadavky na spracovanie a montáž rotora je hrúbka vnútorného krúžku rotora v podstate pevná. Výška magnetov je teda vopred určená a nepovažuje sa za optimalizačný parameter.

Bez ohľadu na saturáciu je objem magnetov v rotore úmerný prepojeniu permanentného magnetického toku rotora motora. Aby sa zabezpečila schopnosť výstupu krútiaceho momentu motora, musí sa pred optimalizáciou konštrukcie rotora maximalizovať šírka spodnej základne lichobežníkových magnetov. Avšak väčšia nižšia šírka základne má za následok menšiu šírku spojovacieho mostíka v jadre rotora, čo ovplyvňuje namáhanie rotora. Princípom určenia spodnej šírky základne magnetov je minimalizovať šírku mostíka a zároveň zabezpečiť, aby napätie rotora spĺňalo požiadavky. Po určení šírky spodnej základne sa na definovanie rozmerov hornej základne použijú metódy konečných prvkov.

Aby mechanická pevnosť konštrukcie rotora motora spĺňala prevádzkové požiadavky, je pomocou metód konečných prvkov vytvorený trojrozmerný model konštrukcie rotora. Použitím rotačného zotrvačného zaťaženia menovitých otáčok motora sa overí konštrukčné napätie rotora. Obrázok 2 ukazuje mapu rozloženia napätia rotora motora, ktorá ukazuje maximálne napätie jadra rotora 0,98 MPa. Vzhľadom na to, že materiál rotora motora je kremíková oceľ s medzou klzu 405 MPa, maximálne napätie za týchto podmienok je pod medzou klzu, čo potvrdzuje, že konštrukcia rotora spĺňa mechanické požiadavky.

Pre vysokorýchlostné motory s permanentnými magnetmi s malým výkonom sa na zjednodušenie výrobného procesu navrhuje tangenciálne uložená štruktúra rotora založená na lichobežníkových magnetoch. Výsledky simulácie konečných prvkov naznačujú, že určenie parametrov magnetu vyžaduje komplexné zváženie výstupného krútiaceho momentu, zvlnenia krútiaceho momentu, výrobných procesov a chýb. Optimalizácia vonkajšieho povrchu rotora môže ešte viac znížiť zvlnenie krútiaceho momentu. Štúdia ukazuje, že nová štruktúra rotora motora výrazne zjednodušuje spracovanie rotora a náklady s minimálnym vplyvom na výkon krútiaceho momentu, čo poskytuje cenné skúsenosti s konštrukčným návrhom a referencie na optimalizáciu tohto typu motora.