Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc rôto động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ cao với nam châm hình thang nhúng tiếp tuyến

Trong bối cảnh sức mạnh nhỏ động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ cao , để đáp ứng các yêu cầu về ứng suất của cấu trúc rôto và đơn giản hóa quy trình sản xuất, một cấu trúc rôto nhúng tiếp tuyến dựa trên nam châm hình thang được đề xuất. Với tiền đề đáp ứng các yêu cầu thiết kế cơ bản của động cơ, các thông số cấu trúc rôto được tối ưu hóa. Mô phỏng phần tử hữu hạn được sử dụng để phân tích ảnh hưởng của hệ số hồ quang cực và cấu trúc bề mặt rôto đến mô men xoắn, mô men xoắn trung bình và gợn sóng mômen. Kiểm tra ứng suất kết cấu cũng được tiến hành.

Để đơn giản hóa hơn nữa quy trình chế tạo và lắp ráp rôto động cơ, giúp nó phù hợp hơn với các ứng dụng tốc độ cao, nghiên cứu này đề xuất cấu trúc rôto nhúng tiếp tuyến mới dựa trên nam châm hình thang cho động cơ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ sử dụng cuộn dây tập trung có khe phân đoạn. Với stato sử dụng cấu trúc lõi phân đoạn, cấu trúc bề mặt rôto được tối ưu hóa. Phân tích chi tiết về cách các thông số cấu trúc rôto này ảnh hưởng đến gợn sóng mô men xoắn và mô men xoắn trung bình cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cho việc thiết kế các động cơ như vậy.

Động cơ sử dụng cuộn dây tập trung có khe phân đoạn và stato sử dụng cấu trúc lắp ráp phân đoạn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cuộn dây tự động và giảm chi phí sản xuất và xử lý. Rôto sử dụng cấu trúc nhúng tiếp tuyến, với nam châm hình thang được lắp trực tiếp vào các khe rôto. So với cấu trúc rôto tiếp tuyến truyền thống, thiết kế mới này giúp giảm chi phí xử lý lõi rôto và đơn giản hóa quy trình lắp ráp.

Việc tối ưu hóa cấu trúc rôto động cơ được chia thành hai phần: tối ưu hóa các tham số cấu trúc nam châm và tối ưu hóa các tham số cấu trúc bề mặt rôto. Các thông số cấu trúc nam châm bao gồm chiều rộng của đế dưới L1, chiều rộng của đế trên L2 và chiều cao. Chiều rộng của đế dưới L1 và chiều cao có thể được xác định sơ bộ dựa trên cấu trúc động cơ. Đường kính bên trong của rôto bị giới hạn bởi trục động cơ và khi xem xét các yêu cầu lắp ráp và xử lý rôto, độ dày của vòng trong của rôto về cơ bản là cố định. Do đó, chiều cao của nam châm được xác định trước và không được coi là tham số tối ưu.

Không xét đến độ bão hòa, thể tích của nam châm trong rôto tỷ lệ thuận với liên kết từ thông vĩnh cửu của rôto động cơ. Để đảm bảo công suất đầu ra mô-men xoắn của động cơ, chiều rộng của đế dưới của nam châm hình thang phải được tăng tối đa trước khi tối ưu hóa cấu trúc rôto. Tuy nhiên, chiều rộng đế thấp hơn lớn hơn dẫn đến chiều rộng cầu nối trong lõi rôto nhỏ hơn, ảnh hưởng đến ứng suất của rôto. Nguyên tắc xác định chiều rộng đế dưới của nam châm là giảm thiểu chiều rộng cầu trong khi vẫn đảm bảo ứng suất rôto đáp ứng yêu cầu. Khi chiều rộng đáy dưới được xác định, các phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để xác định kích thước của đáy trên.

Để đảm bảo độ bền cơ học của cấu trúc rôto động cơ đáp ứng yêu cầu vận hành, mô hình ba chiều của cấu trúc rôto được thiết lập bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Áp dụng tải quán tính quay của tốc độ định mức của động cơ, ứng suất kết cấu của rôto được xác minh. Hình 2 thể hiện bản đồ đám mây phân bố ứng suất của rôto động cơ, biểu thị ứng suất tối đa ở lõi rôto là 0,98 MPa. Cho rằng vật liệu rôto động cơ là thép silicon có giới hạn chảy 405 MPa, ứng suất tối đa trong các điều kiện này thấp hơn giới hạn chảy, xác nhận rằng cấu trúc rôto đáp ứng các yêu cầu cơ học.

Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ tốc độ cao, cấu trúc rôto nhúng tiếp tuyến dựa trên nam châm hình thang được đề xuất để đơn giản hóa quy trình sản xuất. Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn chỉ ra rằng việc xác định các thông số nam châm đòi hỏi phải xem xét toàn diện mô-men đầu ra, gợn sóng mô-men xoắn, quy trình sản xuất và lỗi. Tối ưu hóa bề mặt bên ngoài của rôto có thể làm giảm độ gợn của mô-men xoắn hơn nữa. Nghiên cứu cho thấy cấu trúc rôto động cơ mới đơn giản hóa đáng kể chi phí và xử lý rôto với tác động tối thiểu đến hiệu suất mô-men xoắn, cung cấp kinh nghiệm thiết kế kỹ thuật có giá trị và tài liệu tham khảo để tối ưu hóa loại động cơ này.