Ključni elementi pri razvoju motorja visoke hitrosti

Z močnim razvojem svetovnega trga novih energetskih vozil je hitrost pogonskih motorjev pokazala osupljivo rast. Od 18.000 vrtljajev na minuto pred nekaj leti do udobno preseženih 20.000 vrtljajev na minuto danes, to ne predstavlja le numeričnega preboja, temveč tudi stroge teste zasnove motorja in proizvodnih tehnologij. Ta članek obravnava več vidikov motorični razvoj visoke hitrosti.

 

01. Izbor rotorja Številka para polov

Pri visokohitrostnih motorjih je izguba železa postala neizogiben kritičen dejavnik, zlasti v območjih visokih vrtljajev. Obstaja tesna povezava med številom polov motorja in izgubo železa, ker se s povečanjem hitrosti motorja poveča tudi frekvenca sprememb magnetnega pretoka v jedru, kar povzroči znatno povečanje izgube železa.

Na primer, pri motorju, ki deluje pri 20.000 obratih na minuto, doseže 6-polni motor delovno frekvenco 1000 Hz, medtem ko 8-polni motor to poveča na 1333 Hz. V skladu z zgoraj navedeno formulo za izračun izgube železa povečanje delovne frekvence neposredno povzroči povečano izgubo železa.

V trendu oblikovanja visokohitrostnih motorjev lahko opazimo postopno zmanjševanje uporabe kombinacij 8/48 polov in rež ter povečanje uporabe kombinacij 6/54 polov in rež.

Razlog za ta premik je v prej omenjenih razmišljanjih o izgubi železa. Da bi zmanjšali izgubo železa med delovanjem pri visoki hitrosti, načrtovalci ponavadi izberejo kombinacijo polov in rež 6/54, da dosežejo boljšo elektromagnetno zmogljivost in večjo učinkovitost.

02. Izbira hladilnega sistema

Pri visokohitrostnih motorjih s trajnim magnetom temperatura bistveno vpliva na njihovo delovanje. Ker se delovna točka trajnih magnetov spreminja s temperaturo, lahko previsoke temperature celo tvegajo razmagnetenje magnetov. Poleg tega visoka gostota moči elektromotorjev v novih energetskih vozilih omejuje hladilno površino, zaradi česar je zasnova hladilnega sistema ključna za zagotavljanje stabilnega delovanja motorja.

Pri razmišljanju o načinih hlajenja predlagam uporabo oljnega hladilnega sistema za motorje s hitrostjo nad 18.000 vrt/min. To je zato, ker težave s segrevanjem rotorja postanejo še posebej izrazite, ko hitrosti presežejo 16.000 vrt./min. Pri vodno hlajenem motorju je stator primarno hlajen, medtem ko pri visokih vrtljajih postane učinkovito odvajanje toplote rotorja z vodnim hlajenjem zahtevno.

Kar zadeva spremljanje temperature, trenutne zasnove motorjev običajno vgrajujejo temperaturne senzorje v stator. Pri vodno hlajenih motorjih je zaradi stabilnih struktur pretočnih kanalov porazdelitev temperature statorskih navitij relativno enakomerna in dobro nadzorovana. Vendar pa pri motorjih z oljnim hlajenjem večja konstrukcijska fleksibilnost pretočnih kanalov povzroči opaznejše temperaturne razlike med navitji v primerjavi z motorji z vodnim hlajenjem. Zato je pri izbiri lokacije senzorja ključnega pomena, da se upoštevajo območja z večjim dvigom temperature navitja, da se zmanjša temperaturna razlika med opazovano temperaturo in najvišjo točko navitja, kar natančno odraža dejansko toplotno stanje motorja.

03. Tehnološki izzivi ležajev za visoke hitrosti

Podporni sistem rotorja je ključna komponenta pri razvoju motorjev z visokimi hitrostmi, pri čemer je izbira tehnologije ležajev še posebej kritična. Trenutno se kroglični ležaji z globokimi utori pogosto uporabljajo v ležajih motorjev.

V okoljih z visoko hitrostjo se kroglični ležaji soočajo z resnimi izzivi, kot sta pregrevanje in nevarnost poganjanja. To je zato, ker se s povečanjem hitrosti močno povečata tudi trenje in nastajanje toplote v ležajih, kar vodi do zmanjšane učinkovitosti ležaja ali celo do okvare. Zato je mazanje ležajev za visoke hitrosti ključnega pomena.

Ko hitrost motorja preseže 18.000 vrt/min, je še en pomemben razlog za priporočanje oljnega hlajenja mazanje ležajev. Pri vodno hlajenih motorjih se za ležaje običajno uporabljajo samomazalni kroglični ležaji. Vendar se ti ležaji med delovanjem pri visokih hitrostih soočajo z izzivi, kot so puščanje masti in velike temperaturne razlike med notranjimi in zunanjimi obroči.

Nasprotno pa lahko kroglični ležaji odprtega tipa, ki se uporabljajo v sistemih za hlajenje olja, učinkovito ohladijo notranje in zunanje obroče ležajev, s čimer se izognejo težavam z uhajanjem masti in imajo nižji koeficient kotalnega trenja. Vendar je treba pozornost nameniti zasnovi poti mazalnega olja, da se zagotovi ustrezno hlajenje ležajev. Štrleča struktura je vdelana v luknjo za ramena, da zagotovi razmeroma enakomerno hitrost pretoka hladilnega olja pred in za ramenom.