Структура ротора високошвидкісного двигуна та конструктивні характеристики (конструкція статора, різні типи конструкції ротора)

Ротор високошвидкісного двигуна має характеристики невеликого розміру, високої питомої потужності, прямого зв’язку з високошвидкісним навантаженням, усуває традиційний пристрій механічного прискорення, зменшує шум системи та покращує ефективність передачі системи тощо. Він має широкі перспективи застосування в галузі високошвидкісних шліфувальних верстатів, систем охолодження з циркуляцією повітря, махових накопичувачів енергії, паливних елементів, високошвидкісних відцентрових компресорів для транспортування природного газу та розподілених систем генерації електроенергії як обладнання електропостачання для літаків або кораблів, і став однією з гарячих точок досліджень у міжнародній електричній галузі.

Основними характеристиками високошвидкісного двигуна є висока швидкість ротора, високий струм обмотки статора та частота магнітного потоку в сердечнику, висока щільність потужності та щільність втрат. Ці характеристики визначають те, що ключові технології та методи проектування високошвидкісного двигуна відрізняються від двигуна постійної швидкості.

Частота обертання ротора високошвидкісного двигуна зазвичай перевищує 10 000 об/хв. При обертанні з високою швидкістю звичайний ламінований ротор не може протистояти величезній відцентровій силі, тому необхідно використовувати спеціальну високоміцну ламіновану або суцільну структуру ротора. Для двигунів з постійними магнітами проблема міцності ротора є більш помітною, оскільки спечений матеріал постійного магніту не може витримувати напругу розтягування, створювану високошвидкісним обертанням ротора, і для постійного магніту необхідно вжити заходів захисту. Тертя на високій швидкості між ротором і повітряним зазором спричиняє набагато більші втрати на тертя на поверхні ротора, ніж у двигуна з постійною швидкістю, що створює великі труднощі для розсіювання тепла ротора. Щоб забезпечити достатню міцність ротора, ротор високошвидкісного двигуна здебільшого тонкий, тому порівняно з двигуном із постійною швидкістю можливість наближення роторної системи до критичної швидкості високошвидкісного двигуна значно збільшується. Звичайні підшипники двигуна не можуть надійно працювати на високій швидкості, тому необхідно використовувати високошвидкісні підшипникові системи.

Висока змінна частота струму обмотки та магнітний потік у сердечнику високошвидкісного двигуна спричинить великі високочастотні додаткові втрати в обмотці двигуна, сердечнику статора та роторі. Коли частота струму статора низька, вплив скін-ефекту та ефекту близькості на втрати в обмотці можна ігнорувати, але при високій частоті обмотка статора спричинить очевидний скін-ефект та ефект близькості та збільшить додаткові втрати в обмотці. Частота магнітного потоку в сердечнику статора високошвидкісного двигуна є високою, вплив скін-ефекту не можна ігнорувати, а звичайний метод розрахунку принесе великі похибки. Щоб точно розрахувати втрати в сердечнику статора високошвидкісного двигуна, необхідно вивчити модель розрахунку втрат у залізі в умовах високої частоти. Просторові гармоніки, спричинені несинусоїдальним розподілом пазу статора та обмотки, а також гармоніки струму та часу, що генеруються джерелом живлення ШІМ, призведуть до великих втрат на вихровий струм у роторі. Через малий розмір ротора та погані умови охолодження це принесе великі труднощі з розсіюванням тепла ротора. Тому буде обговорено точний розрахунок втрат на вихрові струми ротора та дослідження ефективних заходів для зменшення втрат на вихрові струми ротора. Це має велике значення для надійної роботи високошвидкісного двигуна. У той же час високочастотна напруга або струм також створює проблеми для розробки контролерів потужних високошвидкісних двигунів.

Об’єм високошвидкісного двигуна набагато менший, ніж двигун із постійною швидкістю такої ж потужності, не тільки велика щільність потужності та щільність втрат, але також ускладнюється розсіювання тепла, якщо спеціальні заходи розсіювання тепла не використовуються, підвищення температури двигуна буде занадто високим, тим самим скорочуючи термін служби обмотки, особливо для двигуна з постійним магнітом, у разі підвищення температури ротора занадто високо, постійний магніт схильний до незворотного. розмагнічування. Добре спроектована система охолодження може ефективно зменшити підвищення температури фіксованого ротора, що є запорукою тривалої стабільної роботи потужних високошвидкісних двигунів.

Підсумовуючи, існує багато особливих ключових проблем, пов’язаних із міцністю ротора, динамікою роторної системи, електромагнітною конструкцією, конструкцією системи охолодження та розрахунком підвищення температури, розробкою високошвидкісних підшипників і контролерів, які недоступні у звичайних двигунах. Таким чином, проектування високошвидкісного двигуна є комплексним процесом проектування кількох ітерацій фізичних полів, таких як електромагнітне поле, сила ротора, динаміка ротора, поле рідини та температурне поле. В даний час основними типами двигунів, що використовуються у високошвидкісних полях, є асинхронні двигуни, двигуни з постійними магнітами, двигуни з реактивним реактивом і двигуни з полюсами, і кожен тип двигуна має різну топологію.

У цій статті аналізується стан розвитку різних типів високошвидкісних двигунів у країні та за кордоном, а також узагальнюється граничний індекс різних типів високошвидкісних двигунів. Структура та конструктивні характеристики високошвидкісного двигуна детально проаналізовані, включаючи конструкцію статора, конструкцію ротора, аналіз динаміки роторної системи, вибір підшипників та конструкцію системи охолодження тощо. Нарешті, проаналізовано основні проблеми, з якими стикається розробка високошвидкісного двигуна, а також перспективи розвитку та перспективи високошвидкісного двигуна.