Yüksek hızlı motor rotor yapısı ve tasarım özellikleri (stator tasarımı, farklı tipte rotor yapısı tasarımı)

Yüksek hızlı motor rotoru, küçük boyut, yüksek güç yoğunluğu, yüksek hızlı yük ile doğrudan bağlantı, geleneksel mekanik hızlandırma cihazını ortadan kaldırma, sistem gürültüsünü azaltma ve sistem iletim verimliliğini artırma vb. özelliklere sahiptir. Yüksek hızlı taşlama makineleri, hava sirkülasyonlu soğutma sistemleri, enerji depolama volanları, yakıt hücreleri, doğal gaz iletimi için yüksek hızlı santrifüj kompresörleri ve uçak veya gemiler için güç kaynağı ekipmanı olarak dağıtılmış güç üretim sistemleri alanlarında geniş uygulama beklentilerine sahiptir ve uluslararası elektrik alanındaki araştırma sıcak noktalarından biri haline gelmiştir.

Yüksek hızlı motorun temel özellikleri, yüksek rotor hızı, yüksek stator sargı akımı ve çekirdekteki manyetik akı frekansı, yüksek güç yoğunluğu ve kayıp yoğunluğudur. Bu özellikler, yüksek hızlı motorun temel teknolojisinin ve tasarım yöntemlerinin sabit hızlı motorlardan farklı olduğunu belirler.

Yüksek hızlı motorun rotor hızı genellikle 10 000 dev/dak'dan yüksektir. Yüksek hızda dönerken, geleneksel lamine rotor büyük merkezkaç kuvvetine dayanamaz, bu nedenle özel yüksek mukavemetli lamine veya katı rotor yapısının kullanılması gerekir. Sabit mıknatıslı motorlarda, sinterlenmiş kalıcı mıknatıs malzemesi, rotorun yüksek hızda dönmesiyle oluşan çekme gerilmesine dayanamadığından, rotor mukavemeti sorunu daha belirgindir ve kalıcı mıknatıs için koruma tedbirlerinin alınması gerekir. Rotor ile hava boşluğu arasındaki yüksek hızlı sürtünme, rotor yüzeyinde sabit hızlı motora göre çok daha fazla sürtünme kaybına neden olur ve bu da rotorun ısı dağılımında büyük zorluk yaratır. Rotorun yeterli güce sahip olmasını sağlamak için yüksek hızlı motorun rotoru çoğunlukla incedir, dolayısıyla sabit hızlı motorla karşılaştırıldığında rotor sisteminin yüksek hızlı motorun kritik hızına yaklaşma olasılığı büyük ölçüde artar. Sıradan motor yatakları yüksek hızda güvenilir bir şekilde çalışamaz ve yüksek hızlı rulman sistemlerinin kullanılması gerekir.

Yüksek hızlı motorun çekirdeğindeki yüksek sarım akımı ve manyetik akı frekansı, motor, stator çekirdeği ve rotorun sarımında büyük yüksek frekanslı ek kayıp üretecektir. Stator akım frekansı düşük olduğunda, cilt etkisinin ve yakınlık etkisinin sarım kaybı üzerindeki etkisi göz ardı edilebilir, ancak yüksek frekansta stator sargısı belirgin cilt etkisi ve yakınlık etkisi üretecek ve sarımın ek kaybını artıracaktır. Yüksek hızlı motorun stator çekirdeğindeki manyetik akı frekansı yüksektir, cilt etkisinin etkisi göz ardı edilemez ve geleneksel hesaplama yöntemi büyük hatalara yol açacaktır. Yüksek hızlı motorun stator çekirdek kaybını doğru bir şekilde hesaplamak için, yüksek frekans koşulları altında demir kaybının hesaplama modelini araştırmak gerekir. Stator yuvası ve sargının sinüzoidal olmayan dağılımının neden olduğu uzay harmoniklerinin yanı sıra PWM güç kaynağı tarafından üretilen akım ve zaman harmonikleri, rotorda büyük girdap akımı kaybına neden olacaktır. Rotorun küçük boyutu ve zayıf soğutma koşulları nedeniyle rotorun ısı dağılımında büyük zorluklar yaşanacaktır. Bu nedenle rotor girdap akımı kaybının doğru hesaplanması ve rotor girdap akımı kaybını azaltmak için etkili önlemlerin araştırılması tartışılacaktır. Yüksek hızlı motorun güvenilir çalışması için büyük önem taşır. Aynı zamanda, yüksek frekanslı voltaj veya akım, yüksek güçlü, yüksek hızlı motorların kontrolör tasarımına da zorluklar getirir.

Yüksek hızlı motorun hacmi, aynı güçteki sabit hızlı motordan çok daha küçüktür, sadece güç yoğunluğu ve kayıp yoğunluğu büyük değildir, aynı zamanda ısı dağılımı da zordur, eğer özel ısı dağılımı önlemleri kullanılmazsa, motorun sıcaklık artışı çok yüksek olacaktır, bu nedenle sargının ömrü kısalacaktır, özellikle sabit mıknatıslı motor için, rotor sıcaklığının çok yüksek olması durumunda, kalıcı mıknatıs geri döndürülemez demanyetizasyona eğilimlidir. İyi tasarlanmış bir soğutma sistemi, yüksek güçlü, yüksek hızlı motorların uzun süreli istikrarlı çalışmasının anahtarı olan sabit rotorun sıcaklık artışını etkili bir şekilde azaltabilir.

Özetle, rotor gücünde, rotor sistem dinamiğinde, elektromanyetik tasarımda, soğutma sistemi tasarımında ve sıcaklık artış hesaplamasında, yüksek hızlı rulman ve kontrolör geliştirmede geleneksel motorlarda bulunmayan pek çok özel anahtar problem bulunmaktadır. Bu nedenle yüksek hızlı motor tasarımı, elektromanyetik alan, rotor kuvveti, rotor dinamiği, akışkan alanı ve sıcaklık alanı gibi fiziksel alanların birden fazla yinelenmesinden oluşan kapsamlı bir tasarım sürecidir. Şu anda yüksek hızlı alanlarda kullanılan ana motor tipleri asenkron motorlar, sabit mıknatıslı motorlar, anahtarlamalı relüktans motorlar ve pençe kutuplu motorlardır ve her motor tipi farklı bir topolojiye sahiptir.

Bu makale, yurt içi ve yurt dışındaki farklı tipteki yüksek hızlı motorların gelişim durumunu analiz etmekte ve farklı tipteki yüksek hızlı motorların sınır indeksini özetlemektedir. Yüksek hızlı motorun yapısı ve tasarım özellikleri, stator tasarımı, rotor yapısı tasarımı, rotor sistemi dinamiği analizi, yatak seçimi ve soğutma sistemi tasarımı vb. dahil olmak üzere ayrıntılı olarak analiz edilir. Son olarak, yüksek hızlı motorun geliştirilmesinde karşılaşılan temel sorunlar analiz edilir ve yüksek hızlı motorun gelişim eğilimi ve geleceği araştırılır.