Синхронни двигатели с постоянен магнит: Проектиране и приложение на роторна структура за високо-скоростна работа при висока-температурна среда

В-области от висок клас като аерокосмическа индустрия, проучване на нефт, производство на оборудване от висок-клас и превозни средства с нова енергия, висока-скоростсинхронни двигатели с постоянен магнит(PMSM) в среда с висока -температура са се превърнали в основни компоненти на задвижващи системи поради техните основни предимства на висока ефективност, пестене на енергия, висока плътност на мощността и бърза скорост на реакция. Като ключов носител за преобразуване на енергията на двигателя, конструкцията на роторната структура директно определя оперативната стабилност, изходната мощност и експлоатационния живот на двигателя при двойни тежки работни условия на висока температура (обикновено се отнася до работна температура, по-голяма или равна на 150 градуса) и висока скорост (скорост на въртене, по-голяма или равна на 10000r/min). Комбинирайки индустриални технически практики и най-новите резултати от изследвания, тази статия описва подробно основните точки на дизайна, основните типове, избора на материали и стратегиите за оптимизиране на роторната структура на високо-скоростни PMSM в среди с висока-температура, предоставяйки професионална справка за практикуващите в индустрията и улеснявайки надграждането на свързаните технологии и внедряването на продукта.

Суперпозицията на двойни работни условия при висока-температура и висока{1}}скорост поставя три основни стриктни изисквания за структурата на ротора: първо, устойчивост на висока температура и анти-размагнитване. Високата температура ще доведе до отслабване на магнитните свойства на постоянните магнити и дори до необратимо демагнетизиране, което пряко засяга изходната мощност на двигателя; второ, анти-центробежно и анти-проливане. Огромната центробежна сила, генерирана от висока-скорост на въртене, вероятно ще причини опасности за безопасността, като например деформация на структурата на ротора и отделяне на постоянен магнит; трето, контрол на ниски загуби и повишаване на температурата. Загубите от вихрови токове на ротора ще се увеличат с увеличаването на скоростта на въртене, допълнително повишавайки температурата, образувайки порочен кръг от „загуба при висока температура - - демагнетизация“. Следователно конструкцията на роторната структура трябва да балансира трите основни изисквания за устойчивост на висока температура, анти{12}}центробежна сила и ниски загуби.

Понастоящем високоскоростните-роторни структурисинхронни двигатели с постоянен магнитPMSM, подходящи за високо-температурни среди, се разделят основно на три категории: вътрешно-монтирани, повърхностно-монтирани и композитни. Всеки тип структура има собствен фокус върху логиката на дизайна и избора на материали според приложимите сценарии, като се вземат предвид практичността и надеждността и покриват нуждите от различни високи-температурни и високо-скоростни работни условия.

Вътрешно{0}}монтираната роторна структура е най-широко използваният тип при високи-температури и-скоростни сценарии. Неговото основно предимство е, че постоянните магнити са вградени в сърцевината на ротора, като се избягва директното излагане на постоянните магнити на среда с висока-температура и в същото време се разчита на структурата на сърцевината за подобряване на механичната якост на ротора и устойчивост на високо-скоростна центробежна сила. Тази структура може допълнително да бъде разделена на вградени и вътрешни магнитни бариерни структури. Вградената структура фиксира постоянните магнити през процепите на сърцевината на ротора и ги подсилва с лепила, устойчиви на висока-температура, за да се предотврати изместването на постоянните магнити по време на високо-скоростно въртене; структурата на вътрешната магнитна бариера блокира пътя на вихровите токове чрез поставяне на множество слоеве магнитни бариери, намалява загубата на вихрови токове на ротора, намалява амплитудата на повишаване на температурата и в същото време подобрява ефекта на магнитно екраниране, за да предпази постоянните магнити от смущения на външното магнитно поле.

Вътрешно{0}}монтираната роторна структура е подходяща за сценарии със скорост на въртене от 10000-30000 об/мин и работна температура от 150-250 градуса, като например двигатели, поддържащи авио-двигатели и високо-температурни помпени двигатели. По отношение на избора на материал, сърцевината на ротора използва предимно не-загуби, не-ориентирани силициеви стоманени листове от 0,2 mm или по-малко, като Baosteel B20AT1200, които могат ефективно да намалят загубите в сърцевината; постоянните магнити предпочитат самариева-кобалтова (SmCo) магнитна стомана с висока-температурна степен или високо{15}}температурна неодимова-желязо-борна (NdFeB) магнитна стомана. Сред тях магнитната стомана SmCo има температура на Кюри от 700-800 градуса, което може ефективно да избегне високотемпературното демагнетизиране и да отговори на нуждите на сценарии със средна и висока температура.

Повърхностно монтираната структура на ротора приема дизайн, при който постоянните магнити са директно залепени върху повърхността на ротора, което има предимствата на проста структура, висока ефективност на магнитно свързване и висока плътност на мощността и е подходяща за сценарии с висока-скорост и висока-плътност на мощност, висока-температура. За да посрещне предизвикателствата на високата температура и високата скорост, тази структура трябва да се съсредоточи върху решаването на проблемите с фиксирането на постоянен магнит и анти-размагнитването: постоянните магнити са избрани от магнитна стомана SmCo с отлична устойчивост на високи-температури или нови самариеви-желязо-азотни (SmFeN) магнити. Сред тях магнитите SmFeN имат температура на Кюри до 470 градуса, все още могат да поддържат силен магнетизъм над 200 градуса и могат да постигнат стабилна работа при високи температури без тежки редкоземни елементи; в същото време върху повърхността на постоянните магнити е обвита защитна обвивка с висока -сила, основно използвайки композитни обшивки от въглеродни влакна, чиято якост на опън е 3-5 пъти по-голяма от тази на традиционните метали и не е-магнитна и не-проводима, което може ефективно да устои на високоскоростната центробежна сила, да избегне загубата на вихрови токове и намаляване на повишаването на температурата.

В допълнение повърхностно{0}}монтираната роторна структура може допълнително да намали загубата на вихров ток и да оптимизира ефекта на разсейване на топлината чрез отваряне на периферни плитки жлебове на втулката и добавяне на медни екраниращи пръстени между постоянните магнити и втулката. Подходящо е за сценарии със скорост на въртене от 20000-40000r/min и работна температура от 180-300 градуса, като например задвижващи двигатели на нови енергийни превозни средства и високоскоростни поддържащи двигатели на компресори.

Композитната роторна структура е оптимизиран дизайн, съчетаващ предимствата на вътрешни-монтирани и повърхностно-монтирани структури. Неговото ядро ​​е, че част от постоянните магнити са вградени в сърцевината на ротора, а част са залепени върху повърхността на ротора, като се вземат предвид механичната якост и магнитните характеристики. Сърцевината на ротора на тази структура е направена от устойчиви на висока температура листове от силициева стомана или мек магнитен композит (SMC), ламиниран. SMC материалът има изотропна магнитна пропускливост, която може ефективно да потиска високо{6}}честотните загуби на вихрови токове и е подходящ за сценарии с висока-скорост и висока-честота; вградените постоянни магнити се използват за подобряване на капацитета на претоварване на двигателя, а повърхностно{9}}монтираните постоянни магнити се използват за подобряване на плътността на мощността и загубата на вихров ток се намалява чрез оптимизиране на дизайна на магнитната верига.

За по-нататъшно подобряване на устойчивостта на високи-температури, структурата на композитния ротор обикновено е оборудвана с вградени-охлаждащи канали, а технологията за охлаждане на маслото се използва за вкарване на охлаждаща течност в ротора за едновременно охлаждане на магнитната стомана и лагерите, като ефективно контролира температурата на ротора, която е подходяща за работна температура от 200-300 градуса.