Studie om optimering av höghastighets permanentmagnetmotorrotorstruktur med tangentiellt inbäddade trapetsmagneter

I samband med liten makt snabba permanentmagnetmotorer , för att möta spänningskraven för rotorstrukturen och förenkla produktionsprocessen, föreslås en tangentiellt inbäddad rotorstruktur baserad på trapetsformade magneter. Under förutsättningen att uppfylla de grundläggande designkraven för motorn optimeras rotorstrukturens parametrar. Finita element-simulering används för att analysera effekterna av polbågskoefficienten och rotorns ytstruktur på kuggvridmoment, medelvridmoment och vridmomentrippel. Strukturella stresskontroller genomförs också.

För att ytterligare förenkla tillverknings- och monteringsprocessen av motorrotorn, vilket gör den mer lämpad för höghastighetsapplikationer, föreslår denna studie en ny tangentiellt inbäddad rotorstruktur baserad på trapetsformade magneter för små kraftfulla permanentmagnetmotorer som använder koncentrerade lindningar med fraktionerad slits. Med statorn som använder en segmenterad kärnstruktur optimeras rotorns ytstruktur. Detaljerad analys av hur dessa rotorstrukturparametrar påverkar vridmomentrippel och medelvridmoment ger värdefull referens för konstruktionen av sådana motorer.

Motorn använder koncentrerade lindningar med fraktionerad slits, och statorn använder en segmenterad monteringsstruktur, vilket underlättar automatiserade lindningsprocesser och minskar produktions- och bearbetningskostnaderna. Rotorn använder en tangentiellt inbäddad struktur, med trapetsformade magneter direkt införda i rotorslitsarna. Jämfört med traditionella tangentiella rotorstrukturer minskar denna nya design bearbetningskostnaderna för rotorkärnan och förenklar monteringsprocesserna.

Optimeringen av motorrotorstrukturen är uppdelad i två delar: optimering av magnetstrukturparametrarna och rotorytstrukturparametrarna. Magnetstrukturparametrarna inkluderar bredden på den nedre basen L1, bredden på den övre basen L2 och höjden. Bredden på den nedre basen L1 och höjden kan preliminärt bestämmas baserat på motorstrukturen. Rotorns innerdiameter begränsas av motoraxeln, och med tanke på rotorns bearbetnings- och monteringskrav är tjockleken på rotorns inre ring väsentligen fixerad. Således är magneternas höjd förutbestämd och anses inte vara en optimeringsparameter.

Utan att ta hänsyn till mättnad är volymen av magneterna i rotorn proportionell mot den permanenta magnetiska flödeslänken hos motorrotorn. För att säkerställa motorns vridmomentkapacitet måste bredden på den nedre basen av trapetsmagneterna maximeras innan rotorstrukturen optimeras. En större lägre basbredd resulterar dock i en mindre anslutningsbryggbredd i rotorkärnan, vilket påverkar rotorns spänning. Principen för att bestämma den nedre basbredden på magneterna är att minimera bryggbredden samtidigt som man säkerställer att rotorspänningen uppfyller kraven. När den undre basbredden väl har bestämts används finita elementmetoder för att definiera måtten på den övre basen.

För att säkerställa att den mekaniska hållfastheten hos motorrotorstrukturen uppfyller driftskraven upprättas en tredimensionell modell av rotorstrukturen med användning av finita elementmetoder. Genom att applicera rotationströghetsbelastningen för motorns nominella hastighet, verifieras rotorns strukturella spänning. Figur 2 visar spänningsfördelningsmolnkartan för motorrotorn, som indikerar en maximal rotorkärnspänning på 0,98 MPa. Med tanke på att motorrotormaterialet är kiselstål med en sträckgräns på 405 MPa, är den maximala spänningen under dessa förhållanden under sträckgränsen, vilket bekräftar att rotorstrukturen uppfyller mekaniska krav.

För höghastighetsmotorer med små kraftfulla permanentmagneter föreslås en tangentiellt inbäddad rotorstruktur baserad på trapetsformade magneter för att förenkla produktionsprocessen. Simuleringsresultat med ändliga element indikerar att bestämning av magnetparametrarna kräver omfattande övervägande av utgående vridmoment, vridmomentrippel, tillverkningsprocesser och fel. Att optimera rotorns yttre yta kan ytterligare minska vridmomentrippeln. Studien visar att den nya motorrotorstrukturen avsevärt förenklar rotorns bearbetning och kostnader med minimal påverkan på vridmomentprestanda, vilket ger värdefull erfarenhet av teknisk design och referens för att optimera denna typ av motor.