Študija o optimizaciji strukture rotorjev motorjev s trajnimi magneti za visoke hitrosti s tangencialno vgrajenimi trapeznimi magneti

V kontekstu majhne moči Visokohitrostni motorji s trajnimi magneti, , da bi izpolnili zahteve glede napetosti strukture rotorja in poenostavili proizvodni proces, je predlagana tangencialno vgrajena struktura rotorja, ki temelji na trapeznih magnetih. Pod predpostavko izpolnjevanja osnovnih konstrukcijskih zahtev motorja so parametri strukture rotorja optimizirani. Simulacija končnih elementov se uporablja za analizo učinkov koeficienta polarnega loka in površinske strukture rotorja na vrtilni moment, povprečni vrtilni moment in valovanje vrtilnega momenta. Izvajajo se tudi pregledi strukturnih napetosti.

Za nadaljnjo poenostavitev postopka izdelave in sestavljanja rotorja motorja, zaradi česar je bolj primeren za uporabo pri visokih hitrostih, ta študija predlaga novo tangencialno vgrajeno strukturo rotorja, ki temelji na trapeznih magnetih za motorje s trajnimi magneti majhne moči, ki uporabljajo koncentrirana navitja z delnimi režami. S statorjem, ki uporablja strukturo segmentiranega jedra, je struktura površine rotorja optimizirana. Podrobna analiza o tem, kako ti parametri strukture rotorja vplivajo na valovanje navora in povprečni navor, je dragocena referenca za načrtovanje takih motorjev.

Motor ima koncentrirana navitja z delnimi režami, stator pa uporablja segmentirano sestavno strukturo, kar olajša avtomatizirane postopke navijanja in zmanjša stroške proizvodnje in obdelave. Rotor uporablja tangencialno vgrajeno strukturo s trapezoidnimi magneti, ki so neposredno vstavljeni v reže rotorja. V primerjavi s tradicionalnimi tangencialnimi strukturami rotorja ta nova zasnova zmanjšuje stroške obdelave jedra rotorja in poenostavlja postopke sestavljanja.

Optimizacija strukture rotorja motorja je razdeljena na dva dela: optimizacija parametrov strukture magneta in parametrov strukture površine rotorja. Parametri magnetne strukture vključujejo širino spodnje baze L1, širino zgornje baze L2 in višino. Širina spodnje podlage L1 in višina se lahko predhodno določita glede na strukturo motorja. Notranji premer rotorja je omejen z gredjo motorja, glede na zahteve glede obdelave in montaže rotorja pa je debelina notranjega obroča rotorja v bistvu fiksna. Tako je višina magnetov vnaprej določena in se ne šteje za optimizacijski parameter.

Brez upoštevanja nasičenosti je prostornina magnetov v rotorju sorazmerna s povezavo trajnega magnetnega pretoka rotorja motorja. Da bi zagotovili zmožnost izhodnega navora motorja, je treba pred optimizacijo strukture rotorja povečati širino spodnje osnove trapeznih magnetov. Vendar pa večja spodnja osnovna širina povzroči manjšo širino povezovalnega mostu v jedru rotorja, kar vpliva na napetost rotorja. Načelo za določanje spodnje osnovne širine magnetov je zmanjšati širino mostu, hkrati pa zagotoviti, da napetost rotorja izpolnjuje zahteve. Ko je spodnja širina baze določena, se z metodami končnih elementov določijo dimenzije zgornje baze.

Da bi zagotovili, da mehanska trdnost strukture rotorja motorja izpolnjuje operativne zahteve, je bil vzpostavljen tridimenzionalni model strukture rotorja z uporabo metod končnih elementov. Z uporabo vztrajnostne obremenitve nazivne hitrosti motorja se preveri strukturna napetost rotorja. Slika 2 prikazuje zemljevid oblaka porazdelitve napetosti rotorja motorja, ki kaže največjo napetost jedra rotorja 0,98 MPa. Glede na to, da je material rotorja motorja silicijevo jeklo z mejo tečenja 405 MPa, je največja napetost pri teh pogojih pod mejo tečenja, kar potrjuje, da struktura rotorja izpolnjuje mehanske zahteve.

Za visokohitrostne motorje s trajnimi magneti majhne moči je za poenostavitev proizvodnega procesa predlagana tangencialno vgrajena struktura rotorja, ki temelji na trapeznih magnetih. Rezultati simulacije končnih elementov kažejo, da določanje parametrov magneta zahteva celovito upoštevanje izhodnega navora, valovanja navora, proizvodnih procesov in napak. Optimiziranje zunanje površine rotorja lahko dodatno zmanjša valovanje navora. Študija kaže, da nova struktura rotorja motorja znatno poenostavi obdelavo rotorja in stroške z minimalnim vplivom na zmogljivost navora, kar zagotavlja dragocene izkušnje inženirskega načrtovanja in referenco za optimizacijo te vrste motorja.