Struktura rotorja motorja za visoke hitrosti in konstrukcijske značilnosti (zasnova statorja, različne vrste zasnove strukture rotorja)

Visokohitrostni rotor motorja ima značilnosti majhne velikosti, visoke gostote moči, neposredne povezave z obremenitvijo visoke hitrosti, odpravlja tradicionalno napravo za mehansko pospeševanje, zmanjšuje hrup sistema in izboljšuje učinkovitost prenosa sistema itd. Ima široke možnosti uporabe na področjih visokohitrostnih brusilnih strojev, hladilnih sistemov s kroženjem zraka, vztrajnikov za shranjevanje energije, gorivnih celic, visokohitrostnih centrifugalnih kompresorjev za prenos zemeljskega plina in sistemov za porazdeljeno proizvodnjo električne energije kot opreme za napajanje za letala ali ladje in je postal ena od raziskovalnih žarišč na mednarodnem električnem področju.

Glavne značilnosti hitrega motorja so visoka hitrost rotorja, visok tok navitja statorja in frekvenca magnetnega pretoka v jedru, visoka gostota moči in gostota izgube. Te značilnosti določajo, da se ključne tehnologije in metode načrtovanja motorja z visoko hitrostjo razlikujejo od tistih pri motorju s konstantno hitrostjo.

Hitrost rotorja visokohitrostnega motorja je običajno višja od 10 000 vrt/min. Ko se vrti z visoko hitrostjo, običajni laminirani rotor ne more vzdržati velike centrifugalne sile, zato je treba uporabiti posebno visoko trdno laminirano ali trdno strukturo rotorja. Pri motorjih s trajnimi magneti je problem trdnosti rotorja bolj izrazit, ker sintrani trajni magnetni material ne more vzdržati natezne napetosti, ki nastane zaradi visoke hitrosti vrtenja rotorja, zato je treba sprejeti zaščitne ukrepe za trajni magnet. Trenje pri visoki hitrosti med rotorjem in zračno režo povzroča veliko večjo izgubo zaradi trenja na površini rotorja kot pri motorju s konstantno hitrostjo, kar povzroča velike težave pri odvajanju toplote rotorja. Da bi zagotovili zadostno trdnost rotorja, je rotor hitrega motorja večinoma tanek, zato je v primerjavi z motorjem s konstantno hitrostjo možnost, da se rotorski sistem približa kritični hitrosti visokohitrostnega motorja, močno povečana. Običajni ležaji motorja ne morejo zanesljivo delovati pri visoki hitrosti, zato je treba uporabiti sisteme ležajev za visoke hitrosti.

Visoka izmenična frekvenca toka navitja in magnetni pretok v jedru visokohitrostnega motorja povzročita veliko visokofrekvenčno dodatno izgubo v navitju motorja, jedru statorja in rotorju. Ko je tokovna frekvenca statorja nizka, se lahko učinek kožnega učinka in učinka bližine na izgubo navitja zanemari, pri visoki frekvenci pa bo navitje statorja povzročilo očiten učinek kože in učinek bližine ter povečalo dodatno izgubo navitja. Frekvenca magnetnega pretoka v statorskem jedru hitrega motorja je visoka, vpliva kožnega učinka ni mogoče prezreti, običajna metoda izračuna pa bo povzročila velike napake. Za natančen izračun izgube jedra statorja pri visokohitrostnem motorju je treba raziskati model izračuna izgube železa v pogojih visoke frekvence. Prostorski harmoniki, ki jih povzroči statorska reža in nesinusna porazdelitev navitja, ter tokovni in časovni harmoniki, ki jih ustvari napajalnik PWM, bodo povzročili velike izgube vrtinčnega toka v rotorju. Zaradi majhnosti rotorja in slabih hladilnih pogojev bo to povzročilo velike težave pri odvajanju toplote rotorja. Zato bo obravnavan natančen izračun izgube zaradi vrtinčnih tokov rotorja in raziskovanje učinkovitih ukrepov za zmanjšanje izgube zaradi vrtinčnih tokov rotorja. To je zelo pomembno za zanesljivo delovanje motorja z visoko hitrostjo. Hkrati pa visokofrekvenčna napetost ali tok prinaša tudi izzive za načrtovanje krmilnika visoko zmogljivih motorjev z visokimi hitrostmi.

Prostornina motorja z visoko hitrostjo je veliko manjša od motorja s konstantno hitrostjo enake moči, ne le gostota moči in gostota izgube sta veliki, ampak je tudi odvajanje toplote težko, če se ne uporabijo posebni ukrepi za odvajanje toplote, bo dvig temperature motorja previsok, s čimer se skrajša življenjska doba navitja, zlasti za motor s trajnim magnetom, v primeru dviga temperature rotorja je previsok, je trajni magnet nagnjen k nepovratnosti razmagnetenje. Dobro zasnovan hladilni sistem lahko učinkovito zmanjša dvig temperature fiksnega rotorja, kar je ključ do dolgoročnega stabilnega delovanja visokozmogljivih motorjev z visoko hitrostjo.

Če povzamemo, obstaja veliko posebnih ključnih problemov v moči rotorja, dinamiki rotorskega sistema, elektromagnetni zasnovi, zasnovi hladilnega sistema in izračunu dviga temperature, visokohitrostnem ležaju in razvoju krmilnika, ki niso na voljo pri običajnih motorjih. Zato je zasnova visokohitrostnega motorja obsežen proces načrtovanja več iteracij fizičnih polj, kot so elektromagnetno polje, moč rotorja, dinamika rotorja, polje tekočine in temperaturno polje. Trenutno so glavni tipi motorjev, ki se uporabljajo v poljih visokih hitrosti, indukcijski motorji, motorji s trajnimi magneti, motorji s preklopno reluktanco in motorji s kremplji, vsak tip motorja pa ima drugačno topologijo.

Ta članek analizira razvojni status različnih vrst motorjev za visoke hitrosti doma in v tujini ter povzema mejni indeks različnih vrst motorjev za visoke hitrosti. Struktura in oblikovne značilnosti motorja z visokimi hitrostmi so podrobno analizirane, vključno z zasnovo statorja, zasnovo strukture rotorja, analizo dinamike rotorskega sistema, izbiro ležajev in zasnovo hladilnega sistema itd. Končno so analizirani glavni problemi, s katerimi se sooča razvoj motorja z visokimi hitrostmi, in predvideni razvojni trend in možnosti za motor z visokimi hitrostmi.