Sex nyckelteknologier för höghastighetsmotorer

Sex nyckelteknologier för höghastighetsmotorer

"Driven av strävan efter mindre storlek och högre effekt, har motorns hastighet stigit hela vägen, från två eller tre tusen varv under de första dagarna, hela vägen till tiotusentals till hundratusentals varv, och högre hastighet har förbättrat effekttätheten och råvaruutnyttjandet." Därför är hög hastighet en stark trend, med ny energidrift som ett exempel, den maximala hastigheten för den första generationen av Toyota Prius är bara 6000 r/min, och hastigheten för den fjärde generationens produkt når 17000 r/min. I det här numret tar vi ett högre perspektiv för att titta på tillämpningen av hastighetsmotorer och nyckelteknologierna bakom dem. "

Hög hastighet och ultrahög hastighet har breda tillämpningsmöjligheter men ger samtidigt extremt höga utmaningar för motorn, vi kombinerar dessa problem i samma kategori och finner att det finns sex kategorier: värmeavledning, val, rotorstruktur, vibrationsljud , effektiv design, lager.

 

01. Problemet med värmeavledning

 

Motorförlusten ökar med det geometriska antalet hastigheter, och värmen som genereras av hög förlust ökar motorns temperaturstegring extremt snabbt, för att upprätthålla höghastighetsdrift är det nödvändigt att utforma en kylmetod med god värmeavledning. Vi kan se att de vanligaste metoderna för höghastighetsmotorkylning är:

 

"Intern forcerad luftkylning" som visas i figuren nedan, stark kall luft kan direkt blåsa in i motorn för att ta bort värmen på lindningen och kärnan, detta sätt uppträder vanligtvis i luftkompressorer, fläktar, flygplansmotorer och andra tillfällen där stark vind kan användas.

2 "intern oljekylning" I applikationsmiljön där motorn måste stängas och skyddas, eller den starka vinden, är den mest använda metoden för intern oljekylning, såsom kombinationen av oljekylning i statorspåret som används i hög- hastighetsmotor designad av AVL. Vissa motorer använder också en kombination av lindningsoljeinsprutningskylning plus statoroljekylning plus rotoroljekylning och så vidare.

För att uppnå hög effekttäthet är värmealstring och kylning viktiga frågor som höghastighetsmotorer måste möta.

 

02. Motorvalsproblem

 

Permanentmagnetmotor eller induktionsmotor? Oavsett om det är andra typer av motorer som växlad reluktans, har valet av höghastighetsmotortyp alltid varit en fråga utan standardsvar. Generellt sett, ur perspektivet av effekttäthet och effektivitet, är det fördelaktigt att välja permanentmagnetmotorer, medan induktionsmotorer och switchade reluktansmotorer väljs utifrån tillförlitlighet. Men på grund av det stora vibrationsljudet är tillämpningen av switchad reluktans mindre.

 

 

Figuren nedan är typfördelningslagen för höghastighetsmotorer under olika hastigheter och effekter, och "effekt * hastighetsvärde" för motorn ritas som en konturkurva, och vi kan hitta några generella sammanhang: "I ultrahöga applikationer, induktionsmotorer är de flesta, och induktionsmotorer och permanentmagnetmotorer samexisterar i höghastighetsapplikationer". Så länge denna princip följs kan vi välja typ av motor efter behov inom sortimentet.

03. Problem med rotorstrukturen

 

Centrifugalspänningen som höghastighetsmotorns rotorstruktur måste övervinna används i allmänhet i "höghastighets"-området, metallmanteln, själva rotorstrukturen (som fiskskelettet av lpm, rotorstrukturen hos IM) , etc., och kolfiberlindningen används i "ultra-höghastighets"-området, eller helt enkelt göra rotorn till en solid integrerad struktur, såsom motorn för energilagringssvänghjulet.

De flesta höghastighetsmotorer med permanentmagnet använder rotorhöljets struktur, och denna design är också mycket speciell, det vill säga för att skydda permanentmagneten och förhindra att manteln går sönder. Försök därför att undvika spänningskoncentration, som visas i figuren nedan, om magneten inte fyller hela omkretsen kommer det att finnas spänningskoncentration på manteln och magneten, varför den snabba permanentmagnetmotorn använder en komplett ring magnet, om inte en hel ring används också för att fylla omkretsen.

04. Problemet med vibrationsljud

 

Problemet med vibrationsljud är ett stort hinder för höghastighetsmotorer. Jämfört med vanliga motorer finns det vibrationsproblem orsakade av rotordynamiken, såsom rotorns kritiska hastighetsproblem och axelns avböjningsvibrationsproblem. Det finns också problemet med ylande orsakad av högfrekvent elektromagnetisk kraft, och den elektromagnetiska kraftfrekvensen för höghastighetsmotorer är högre, distributionsområdet är bredare och det är lätt att stimulera statorsystemets resonans.

För att undvika kritiska varvtalsvibrationer är rotordesignen för höghastighetsmotorer mycket kritisk och kräver rigorös modal analys och testning. Längd-till-diameter-förhållandet måste användas som en optimeringsvariabel i konstruktionen: rotordesignen är för tjock och kort, vilket kan öka den övre gränsen för den kritiska hastigheten och är inte benägen till resonans, men svårigheten med rotor för att övervinna centrifugalspänningsökningar. I sin tur är rotordesignen smal, problemet med centrifugalstyrkan förbättras, men den kritiska hastigheten skiftas, sannolikheten för resonans ökar och den elektromagnetiska effekten kommer också att minska. Därför måste rotorns design balanseras upprepade gånger, vilket är högsta prioritet för höghastighetsmotordesign.

 

 

05. Effektiva frågor

 

Motorförluster ökar med det geometriska antalet hastigheter, höga förluster gör att motoreffektiviteten sjunker snabbt, för att uppnå hög verkningsgrad måste alla typer av förluster hanteras. För att ta järnförbrukningen som ett exempel, för att minska virvelströmsförlusten, används vanligtvis ultratunna kiselstålplåtar på 0.10mm och 0.08mm. Ultratunna wafers kan minska virvelströmsförlusterna men kan inte förbättra hysteresförlusterna, så järnhysteresförlusten hos ultratunna ark står för majoriteten, medan virvelströmsförlusten i vanliga ark står för majoriteten. För att förbättra hysteresförlusten kan du utgå från följande tre sätt:

 

1. Optimera den magnetiska kretsdesignen för att förbättra magnetfältets sinusoiditet och minska den harmoniska järnförbrukningen;

2. Minska magnetisk belastning, öka värmebelastningen och minska grundläggande järnförbrukning;

3. Utgå från materialvalet, välj silikonstålplåtar med liten hysteresförlust.

Utöver järnförbrukningen är höghastighetsmotorer också extra uppmärksamma på AC-förluster, som orsakas av penetrering av torra högfrekventa växelmagnetiska fält, som ofta uppträder utanför magneten, metallmanteln och statorlindningsytor. Om man tar magnetens växelströmsförlust som ett exempel, är den vanliga metoden att dela upp magneten i flera segment, som kan vara radiella segment eller axiella segment. Segmentering kan minska virvelströmscirkulationsområdet och minska växelströmsförlusten, figuren nedan är simuleringen av virvelströmsfältet efter segmentering, det kan ses att ju mer segmenterade partiklar, desto mindre växelströmsförlust. Det finns fler lösningar än segmentering, som är begränsade till utrymme och inte expanderar.

Magnetfältskomponenten med den högsta frekvensen i höghastighetsmotorn introduceras av växelriktarens PWM-bärare, eftersom arbetsprincipen för pulsmodulering oundvikligen producerar högfrekventa strömövertoner, som i sin tur ytterligare producerar ett högfrekvent magnetfält , och det högfrekventa magnetfältet tränger in i magnetens yta och statorn och rotorn för att producera högfrekventa förluster. Vissa höghastighetsmotorer använder en drivstruktur med flera nivåer för att förbättra PWM-sidobandsövertonerna.

06. Lagerproblem

Valet av lager av höghastighetsmotorer är en nyckelfråga, och generellt finns det fyra kategorier av magnetisk levitation, luftlager, glidande mekaniska lager och kulmekaniska lager. Magnetiska lager används i applikationer med högre effekt, och luftlager används i applikationer med mindre effekt och storlek. Mekaniska lager kräver ofta oljesmörjning och är begränsade i många oljefria applikationer.

Det finns fortfarande många nyckelproblem och teknologier för höghastighetsmotorer, och dessa problem måste hanteras samtidigt, vilket är relativt högt och svårt jämfört med vanliga motorer. Behovet av att anta kraft-magnetisk-termisk-NVH multifysisk kopplingsdesign är en ny utmaning och en ny möjlighet.

Den här artikeln introducerar åtta applikationskategorier och sex nyckelteknologier för höghastighetsmotorer. Generellt sett är höghastighetsmotorer en lovande och tekniskt utmanande tillämpning. Vissa tekniker verkar långt borta från oss, men ur utvecklingsperspektivet kan vi se att ådran "grund hög hastighet - medelhög hastighet - ultra-ultra-hög hastighet" har utvecklats. Jämfört med för tio år sedan är 10,000 eller 20,000 roterande motorer nu vanliga. Därför är hög hastighet "långsiktighet" och kommer långsamt att förändra mönstret i branschen. Därför, oavsett om det handlar om att leta efter möjligheter inom nya områden eller att förbättra konkurrenskraften för befintliga produkter, är höghastighetsteknologi ett område värt långsiktiga investeringar.