Шесть ключевых технологий для высокоскоростных двигателей

Шесть ключевых технологий для высокоскоростных двигателей

«В погоне за меньшими размерами и большей мощностью скорость двигателя постоянно росла, от двух или трех тысяч оборотов в первые дни до десятков тысяч и сотен тысяч оборотов, а более высокая скорость улучшила удельную мощность и использование сырья». Таким образом, высокая скорость является сильной тенденцией, на примере нового энергетического привода максимальная скорость Toyota Prius первого поколения составляет всего 6000 об/мин, а скорость продукта четвертого поколения достигает 17000 об/мин. В этом выпуске мы смотрим с более высокой точки зрения на применение скоростных двигателей и ключевые технологии, лежащие в их основе. "

Высокая скорость и сверхвысокая скорость имеют широкие перспективы применения, но в то же время предъявляют чрезвычайно высокие требования к двигателю. Мы объединяем эти проблемы в одну категорию и обнаруживаем, что существует шесть категорий: тепловыделение, выбор, конструкция ротора, вибрационный шум. , эффективная конструкция, подшипники.

 

01. Проблема отвода тепла

 

Потери двигателя увеличиваются с увеличением геометрического числа скоростей, а тепло, выделяемое из-за высоких потерь, чрезвычайно быстро увеличивает нагрев двигателя. Для поддержания работы на высокой скорости необходимо разработать метод охлаждения с хорошим рассеиванием тепла. Мы видим, что распространенными методами охлаждения высокоскоростных двигателей являются:

 

«Внутреннее принудительное воздушное охлаждение», как показано на рисунке ниже, сильный холодный воздух может дуть прямо в двигатель, отводя тепло от обмотки и сердечника, этот способ обычно используется в воздушных компрессорах, воздуходувках, авиационных двигателях и других случаях, когда можно использовать ветер.

2 «внутреннее масляное охлаждение» В условиях применения, когда двигатель должен быть закрыт и защищен или от сильного ветра, наиболее часто используется метод внутреннего масляного охлаждения, такой как комбинация масляного охлаждения в канавке статора, используемая в высокопроизводительных двигателях. скоростной двигатель, разработанный AVL. В некоторых двигателях также используется комбинация охлаждения впрыском масла для обмотки, масляного охлаждения статора, масляного охлаждения ротора и так далее.

Для достижения высокой удельной мощности выделение тепла и охлаждение являются важными проблемами, с которыми должны сталкиваться высокоскоростные двигатели.

 

02. Проблема выбора двигателя

 

Двигатель с постоянными магнитами или асинхронный двигатель? Будь то другие типы двигателей, такие как вентильно-реактивные, выбор типа высокоскоростного двигателя всегда был вопросом, на который нет стандартного ответа. Как правило, с точки зрения удельной мощности и эффективности предпочтительно выбирать двигатели с постоянными магнитами, тогда как асинхронные двигатели и реактивные реактивные двигатели выбираются из соображений надежности. Однако из-за большого вибрационного шума применение переключаемого сопротивления меньше.

 

 

На рисунке ниже представлен закон распределения типов высокоскоростных двигателей при разных скоростях и мощностях, а соотношение «мощность * скорость» двигателя изображено в виде контурной кривой, и мы можем найти некоторый общий контекст: «В сверхвысоких приложений, асинхронные двигатели являются большинством, а асинхронные двигатели и двигатели с постоянными магнитами сосуществуют в высокоскоростных приложениях». Пока соблюдается этот принцип, мы можем выбрать тип двигателя в соответствии с потребностями в пределах диапазона.

03. Проблемы с конструкцией ротора

 

Центробежное напряжение, которое должна преодолевать конструкция ротора высокоскоростного двигателя, обычно используется в «высокоскоростном» диапазоне, металлической оболочке, самой конструкции ротора (например, рыбий скелет lpm, конструкция ротора IM) и т. д., а обмотку из углеродного волокна использовать в «сверхскоростном» диапазоне, или просто сделать ротор в прочную интегрированную конструкцию, например двигатель маховика накопителя энергии.

В большинстве высокоскоростных двигателей с постоянными магнитами используется конструкция оболочки ротора, и эта конструкция также очень специфична, то есть для защиты постоянного магнита и предотвращения выхода оболочки из строя. Поэтому старайтесь избегать концентрации напряжений, как показано на рисунке ниже, если магнит не заполняет всю окружность, будет концентрация напряжений на оболочке и магните, поэтому в высокоскоростном двигателе с постоянными магнитами используется полное кольцо. магнит, если не полное кольцо, также используется для заполнения окружности.

04. Проблема вибрационного шума

 

Проблема вибрационного шума является основным препятствием для высокоскоростных двигателей. По сравнению с обычными двигателями существуют проблемы вибрации, вызванные динамикой ротора, такие как проблема критической скорости ротора и проблема вибрации вала при отклонении. Существует также проблема завывания, вызванная высокочастотной электромагнитной силой, а частота электромагнитной силы высокоскоростного двигателя выше, диапазон распределения шире, и легко стимулировать резонанс системы статора.

Чтобы избежать вибрации на критической скорости, конструкция ротора высокоскоростных двигателей очень важна и требует тщательного модального анализа и испытаний. Отношение длины к диаметру необходимо использовать в качестве переменной оптимизации в конструкции: конструкция ротора слишком толстая и короткая, что может увеличить верхний предел критической скорости и не склонна к резонансу, но сложность ротора для преодоления центробежного напряжения увеличивается. В свою очередь, конструкция ротора становится тонкой, улучшается проблема центробежной силы, но смещается критическая скорость, увеличивается вероятность резонанса, а также уменьшается электромагнитная мощность. Следовательно, конструкцию ротора необходимо многократно балансировать, что является главным приоритетом конструкции высокоскоростного двигателя.

 

 

05. Эффективные вопросы

 

Потери двигателя увеличиваются с увеличением геометрического числа скоростей, высокие потери приводят к быстрому снижению эффективности двигателя, для достижения высокой эффективности необходимо управлять всеми видами потерь. Взяв в качестве примера потребление железа, для уменьшения потерь на вихревые токи обычно используются сверхтонкие листы из кремнистой стали толщиной 0,10 мм и 0,08 мм. Ультратонкие пластины могут уменьшить потери на вихревые токи, но не могут улучшить потери на гистерезис, поэтому потери на гистерезис железа в ультратонких листах составляют большую часть, в то время как потери на вихревые токи в обычных листах составляют большую часть. Чтобы улучшить потери на гистерезис, вы можете начать со следующих трех способов:

 

1. Оптимизация конструкции магнитной цепи для улучшения синусоидальности магнитного поля и снижения потребления гармонического железа;

2. Уменьшите магнитную нагрузку, увеличьте тепловую нагрузку и уменьшите основное потребление железа;

3. Начиная с выбора материала, выбирайте листы из кремнистой стали с малыми потерями на гистерезис.

Помимо расхода железа, в быстроходных двигателях особое внимание уделяют потерям переменного тока, которые обусловлены проникновением сухих высокочастотных переменных магнитных полей, часто возникающих за пределами магнита, металлической оболочки и поверхностей обмотки статора. Взяв в качестве примера потери магнита на переменном токе, обычно используемый метод заключается в разделении магнита на несколько сегментов, которые могут быть радиальными сегментами или осевыми сегментами. Сегментация может уменьшить площадь циркуляции вихревых токов и уменьшить потери переменного тока, на рисунке ниже показано моделирование поля вихревых токов после сегментации, видно, что чем больше сегментированных частиц, тем меньше потери переменного тока. Решений больше, чем сегментация, которые ограничены пространством и не расширяются.

Компонент магнитного поля с самой высокой частотой в высокоскоростном двигателе вводится несущей ШИМ инвертора, потому что принцип работы импульсной модуляции неизбежно создает высокочастотные гармоники тока, которые, в свою очередь, дополнительно создают высокочастотное магнитное поле. , а высокочастотное магнитное поле проникает в поверхность магнита, статора и ротора, вызывая высокочастотные потери. Некоторые высокоскоростные двигатели используют многоуровневую структуру привода для улучшения гармоник боковой полосы ШИМ.

06. Проблемы с подшипниками

Выбор подшипников высокоскоростных двигателей является ключевым вопросом, и, как правило, существует четыре категории магнитной левитации, воздушные подшипники, механические подшипники скольжения и шариковые механические подшипники. Магнитные подшипники используются в приложениях с более высокой мощностью, а воздушные подшипники используются в приложениях с меньшей мощностью и размером. Механические подшипники часто требуют масляной смазки и ограничены во многих безмасляных применениях.

Есть еще много ключевых проблем и технологий высокоскоростных двигателей, и этими проблемами нужно управлять одновременно, что относительно высоко и сложно по сравнению с обычными двигателями. Необходимость принятия конструкции мультифизической связи сила-магнит-тепло-NVH является новой проблемой и новой возможностью.

В этой статье представлены восемь категорий приложений и шесть ключевых технологий высокоскоростных двигателей. В целом высокоскоростные двигатели представляют собой многообещающее и технически сложное приложение. Некоторые технологии кажутся далекими от нас, но с точки зрения развития мы видим, что жила «мелкая высокая скорость — средняя высокая скорость — сверхвысокая скорость» развивается. По сравнению с тем, что было десять лет назад, 10,000 или 20,000 роторные двигатели стали обычным явлением. Таким образом, высокая скорость — это «долгосрочная перспектива», которая постепенно изменит структуру отрасли. Поэтому, будь то поиск возможностей в новых областях или повышение конкурентоспособности существующих продуктов, высокоскоростные технологии — это область, в которую стоит вкладывать долгосрочные инвестиции.