Cấu trúc cánh quạt động cơ tốc độ cao và đặc điểm thiết kế (Thiết kế stato, các loại thiết kế cấu trúc cánh quạt khác nhau)

Rôto động cơ tốc độ có đặc điểm của kích thước nhỏ, mật độ công suất cao, kết nối trực tiếp với tải tốc độ cao, loại bỏ thiết bị gia tốc cơ học truyền thống, giảm nhiễu hệ thống và cải thiện hiệu quả truyền hệ thống, v.v. Thiết bị cho máy bay hoặc tàu, và đã trở thành một trong những điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực điện quốc tế.

Các đặc điểm chính của động cơ tốc độ cao là tốc độ rôto cao, dòng điện cuộn cao và tần số từ thông ở lõi, mật độ công suất cao và mật độ tổn thất. Những đặc điểm này xác định rằng công nghệ chính và phương pháp thiết kế của động cơ tốc độ cao khác với các động cơ tốc độ không đổi.

Tốc độ cánh quạt của động cơ tốc độ cao thường cao hơn 10 000 r/phút. Khi quay ở tốc độ cao, rôto nhiều lớp thông thường không thể chịu được lực ly tâm khổng lồ, do đó, cấu trúc rôto có cường độ cao hoặc vật rắn có độ bền cao đặc biệt cần được sử dụng. Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu, vấn đề cường độ rôto nổi bật hơn, bởi vì vật liệu nam châm vĩnh cửu không thể chịu được ứng suất kéo được tạo ra bởi vòng quay tốc độ cao của rôto và phải thực hiện các biện pháp bảo vệ cho nam châm vĩnh cửu. Ma sát tốc độ cao giữa rôto và khe hở không khí gây ra mất ma sát lớn hơn nhiều trên bề mặt rôto so với động cơ tốc độ không đổi, gây khó khăn lớn cho sự phân tán nhiệt rôto. Để đảm bảo rằng rôto có đủ cường độ, rôto của động cơ tốc độ cao chủ yếu là mảnh, do đó so với động cơ tốc độ không đổi, khả năng hệ thống rôto tiếp cận tốc độ tới hạn của động cơ tốc độ cao được tăng lên rất nhiều. Vòng bi động cơ thông thường không thể hoạt động một cách đáng tin cậy ở tốc độ cao và các hệ thống ổ trục tốc độ cao phải được sử dụng.

Tần số xen kẽ cao của dòng điện và dòng điện từ trong lõi của động cơ tốc độ cao sẽ tạo ra tổn thất bổ sung tần số cao lớn trong cuộn dây của động cơ, lõi stato và rôto. Khi tần số dòng điện ở mức thấp, hiệu ứng của hiệu ứng da và hiệu ứng gần với sự mất mát quanh co, nhưng ở tần số cao, cuộn dây stato sẽ tạo ra hiệu ứng da rõ ràng và hiệu ứng gần, và làm tăng thêm sự mất cuộn dây của cuộn dây. Tần số từ thông trong lõi stator của động cơ tốc độ cao là cao, ảnh hưởng của hiệu ứng da không thể bị bỏ qua và phương pháp tính toán thông thường sẽ mang lại các lỗi lớn. Để tính toán chính xác sự mất lõi stator của động cơ tốc độ cao, cần phải khám phá mô hình tính toán mất sắt trong điều kiện tần số cao. Các sóng hài không gian gây ra bởi khe stato và phân phối không sin, cũng như các sóng hài hiện tại và thời gian được tạo ra bởi nguồn điện PWM, sẽ tạo ra tổn thất dòng xoáy lớn trong rôto. Do kích thước nhỏ của rôto và điều kiện làm mát kém, nó sẽ mang lại những khó khăn lớn cho sự tản nhiệt của cánh quạt. Do đó, việc tính toán chính xác tổn thất dòng điện xoáy rôto và việc thăm dò các biện pháp hiệu quả để giảm tổn thất dòng điện xoáy rôto sẽ được thảo luận. Nó có ý nghĩa lớn đối với hoạt động đáng tin cậy của động cơ tốc độ cao. Đồng thời, điện áp tần số cao hoặc dòng điện cũng mang đến những thách thức cho thiết kế bộ điều khiển của động cơ tốc độ cao công suất cao.

Thể tích của động cơ tốc độ cao nhỏ hơn nhiều so với động cơ tốc độ không đổi của cùng một công suất, không chỉ mật độ năng lượng và mật độ tổn thất lớn, mà cả sự tan biến nhiệt cũng khó khăn, nếu các biện pháp tản nhiệt đặc biệt không được sử dụng Memagnetization. Một hệ thống làm mát được thiết kế tốt có thể làm giảm hiệu quả sự gia tăng nhiệt độ của rôto cố định, đây là chìa khóa cho hoạt động ổn định dài hạn của động cơ tốc độ cao công suất cao.

Tóm lại, có nhiều vấn đề quan trọng đặc biệt về cường độ cánh quạt, động lực học hệ thống rôto, thiết kế điện từ, thiết kế hệ thống làm mát và tính toán tăng nhiệt độ, ổ trục tốc độ cao và phát triển bộ điều khiển không có sẵn trong các động cơ thông thường. Do đó, thiết kế của động cơ tốc độ cao là một quá trình thiết kế toàn diện của nhiều lần lặp của các trường vật lý như trường điện từ, cường độ cánh quạt, động lực rôto, trường chất lỏng và trường nhiệt độ. Hiện tại, các loại động cơ chính được sử dụng trong các lĩnh vực tốc độ cao là động cơ cảm ứng, động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ miễn cưỡng chuyển đổi và động cơ cực Claw và mỗi loại động cơ có cấu trúc liên kết khác nhau.

Bài viết này phân tích tình trạng phát triển của các loại động cơ tốc độ cao khác nhau trong và ngoài nước, và tóm tắt chỉ số giới hạn của các loại động cơ tốc độ cao khác nhau. Các đặc điểm cấu trúc và thiết kế của động cơ tốc độ cao được phân tích chi tiết, bao gồm thiết kế stato, thiết kế cấu trúc rôto, phân tích động lực học hệ thống rôto, lựa chọn mang và thiết kế hệ thống làm mát, v.v.