Cấu trúc và đ� tốc độ cao (thiết kế stato, các kiểu thiết kế cấu trúc rôto khác nhau)

Rôto động cơ tốc độ cao có đặc điểm kích thước nhỏ, mật độ công suất cao, kết nối trực tiếp với tải tốc độ cao, loại bỏ thiết bị tăng tốc cơ học truyền thống, giảm tiếng ồn hệ thống và nâng cao hiệu suất truyền động của hệ thống, v.v. Nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực máy mài tốc độ cao, hệ thống làm lạnh tuần hoàn không khí, bánh đà lưu trữ năng lượng, pin nhiên liệu, máy nén ly tâm tốc độ cao để truyền khí tự nhiên và hệ thống phát điện phân tán làm thiết bị cung cấp điện cho máy bay hoặc tàu thủy, 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 dây stato cao và tần số từ thông trong 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 động cơ tốc độ không đổi.

Tốc độ rôto của động cơ tốc độ cao thường cao hơn 10 000 vòng/phút. Khi quay ở tốc độ cao, rôto nhiều lớp thông thường không thể chịu được lực ly tâm rất lớn, do đó cần sử dụng cấu trúc rôto rắn hoặc nhiều lớp có độ bền cao đặc biệt. Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu, vấn đề về cường độ rôto nổi bật hơn, vì vật liệu nam châm vĩnh cửu thiêu kết không thể chịu được ứng suất kéo do rôto quay tốc độ cao 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 tổn thất ma sát trên bề mặt rôto lớn hơn nhiều so với động cơ tốc độ không đổi, điều này gây khó khăn lớn cho việc tản nhiệt của rôto. Để đảm bảo rôto có đủ độ bền, rôto của động cơ tốc độ cao hầu hết đều mảnh mai, do đó so với động cơ tốc độ không đổi, khả năng hệ thống rôto đạt đến tốc độ tới hạn của động cơ tốc độ cao sẽ tăng lên rất nhiều. Vòng bi động cơ thông thường không thể hoạt động đáng tin cậy ở tốc độ cao và phải sử dụng hệ thống vòng bi tốc độ cao.

Tần số xen kẽ cao của dòng điện cuộn dây và từ thông trong lõi của động cơ tốc độ cao sẽ tạo ra tổn hao bổ sung tần số cao lớn trong cuộn dây của động cơ, lõi stato và rôto. Khi tần số dòng điện stato thấp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận đối với tổn thất cuộn dây, nhưng ở tần số cao, cuộn dây stato sẽ tạo ra hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận rõ ràng, đồng thời làm tăng tổn thất bổ sung của cuộn dây. Tần số từ thông trong lõi stato của động cơ tốc độ cao cao, không thể bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt và phương pháp tính toán thông thường sẽ mang lại sai số lớn. Để tính toán chính xác tổn hao lõi stator của động cơ tốc độ cao, cần nghiên cứu mô hình tính toán tổn hao sắt trong điều kiện tần số cao. Các sóng hài không gian gây ra bởi khe stato và sự phân bố không hình sin của cuộn dây, cũng như các sóng hài dòng điện và thời gian do nguồn điện cung cấp bằng nguồn điện tạo ra, sẽ tạo ra tổn thất dòng điện xoáy lớn trong rôto. Do kích thước nhỏ của rôto và điều kiện làm mát kém sẽ gây khó khăn lớn cho việc tản nhiệt của rôto. Do đó, việc tính toán chính xác tổn thất dòng điện xoáy rôto và tìm ra 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 hoặc dòng điện tần số cao cũng mang đến những thách thức cho việc thiết kế bộ điều khiển của động cơ tốc độ cao công suất cao.

Âm lượng của động cơ tốc độ cao nhỏ hơn nhiều so với động cơ tốc độ không đổi có cùng công suất, không chỉ mật độ công suất và mật độ tổn thất lớn mà khả năng tản nhiệt cũng khó khăn, nếu không sử dụng các biện pháp tản nhiệt đặc biệt, độ tăng nhiệt của động cơ sẽ quá cao, do đó rút ngắn tuổi thọ của cuộn dây, đặc biệt đối với động cơ nam châm vĩnh cửu, trong trường hợp nhiệt độ rôto tăng quá cao, nam châm vĩnh cửu dễ bị khử từ không thể đảo ngược. Một hệ thống làm mát được thiết kế tốt có thể làm giảm hiệu quả sự tăng nhiệt độ của rôto cố định, đây là chìa khóa cho hoạt động ổn định lâu dài của động cơ tốc độ cao công suất cao.

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

Bài viết này phân tích hiện trạng phát triển của các loại động cơ tốc độ cao trong và ngoài nước, đồng thời tóm tắt chỉ số giới hạn của các loại động cơ tốc độ cao. Cấu trúc và đặc điểm 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 ổ trục và thiết kế hệ thống làm mát, v.v. Cuối cùng, các vấn đề chính phải đối mặt khi phát triển động cơ tốc độ cao sẽ được phân tích, đồng thời dự đoán xu hướng phát triển và triển vọng của động cơ tốc độ cao.