Дослідження оптимізації високошвидкісних роторів двигунів з постійними магнітами з тангенціально вбудованими трапецієподібними магнітами

В умовах малої влади високошвидкісних двигунів з постійними магнітами, , щоб задовольнити вимоги до напруги конструкції ротора та спростити виробничий процес, запропоновано тангенціально вбудовану структуру ротора на основі трапецієподібних магнітів. Згідно з передумовою відповідності основним вимогам конструкції двигуна, параметри конструкції ротора оптимізовані. Моделювання методом кінцевих елементів використовується для аналізу впливу коефіцієнта полюсної дуги та структури поверхні ротора на крутний момент, середній крутний момент і пульсації крутного моменту. Також проводяться перевірки структурних навантажень.

Для подальшого спрощення процесу виготовлення та складання ротора двигуна, що робить його більш придатним для високошвидкісних застосувань, у цьому дослідженні пропонується нова тангенціально вбудована структура ротора на основі трапецієподібних магнітів для двигунів з постійними магнітами малої потужності з використанням зосереджених обмоток із дробовими пазами. Завдяки тому, що статор використовує структуру сегментованого сердечника, структура поверхні ротора оптимізована. Детальний аналіз того, як ці параметри структури ротора впливають на пульсації крутного моменту та середній крутний момент, є цінною довідкою для розробки таких двигунів.

У двигуні використовуються зосереджені обмотки з дробовими пазами, а в статорі використовується сегментована структура зборки, що полегшує автоматизовані процеси намотування та знижує витрати на виробництво та обробку. У роторі використовується тангенціально вбудована структура з трапецієподібними магнітами, вставленими безпосередньо в щілини ротора. У порівнянні з традиційними тангенціальними конструкціями ротора, ця нова конструкція знижує витрати на обробку сердечника ротора та спрощує процеси складання.

Оптимізація структури ротора двигуна ділиться на дві частини: оптимізація параметрів структури магніту та параметрів структури поверхні ротора. Параметри конструкції магніту включають ширину нижньої основи L1, ширину верхньої основи L2 і висоту. Ширина нижньої основи L1 і висота можуть бути попередньо визначені за конструкцією мотора. Внутрішній діаметр ротора обмежений валом двигуна, і, враховуючи вимоги до обробки та складання ротора, товщина внутрішнього кільця ротора є фактично фіксованою. Таким чином, висота магнітів заздалегідь визначена і не вважається параметром оптимізації.

Без урахування насичення об’єм магнітів у роторі пропорційний постійному магнітному потоку ротора двигуна. Щоб забезпечити вихідний крутний момент двигуна, ширина нижньої основи трапецієподібних магнітів повинна бути максимально збільшена перед оптимізацією структури ротора. Однак більша ширина нижньої основи призводить до меншої ширини з’єднувального мосту в сердечнику ротора, що впливає на напругу ротора. Принцип визначення ширини нижньої основи магнітів полягає в тому, щоб мінімізувати ширину мосту, забезпечуючи при цьому напругу ротора, що відповідає вимогам. Після визначення ширини нижньої основи використовуються методи кінцевих елементів для визначення розмірів верхньої основи.

Щоб гарантувати, що механічна міцність конструкції ротора двигуна відповідає експлуатаційним вимогам, створюється тривимірна модель конструкції ротора за допомогою методів кінцевих елементів. Застосовуючи навантаження інерції обертання номінальної швидкості двигуна, перевіряється структурна напруга ротора. На малюнку 2 показано карту хмари розподілу напруг ротора двигуна, що вказує на максимальне напруження серцевини ротора 0,98 МПа. Враховуючи, що матеріалом ротора двигуна є кремнієва сталь із межею текучості 405 МПа, максимальне напруження за цих умов є нижчим межі текучості, що підтверджує, що структура ротора відповідає механічним вимогам.

Для високошвидкісних двигунів малої потужності з постійними магнітами пропонується конструкція тангенціально вбудованого ротора на основі трапецієподібних магнітів для спрощення виробничого процесу. Результати моделювання методом кінцевих елементів показують, що визначення параметрів магніту вимагає комплексного розгляду вихідного крутного моменту, пульсацій крутного моменту, виробничих процесів і помилок. Оптимізація зовнішньої поверхні ротора може ще більше зменшити пульсації крутного моменту. Дослідження показує, що нова структура ротора двигуна значно спрощує обробку ротора та витрати з мінімальним впливом на продуктивність крутного моменту, забезпечуючи цінний досвід інженерного проектування та довідковий матеріал для оптимізації цього типу двигуна.