Шест ключови технологии за високоскоростни двигатели

Шест ключови технологии за високоскоростни двигатели

„Движен от стремежа към по-малък размер и по-голяма мощност, скоростта на двигателя се повиши докрай, от две или три хиляди оборота в първите дни, чак до десетки хиляди до стотици хиляди обороти, и по-високата скорост е подобрила плътността на мощността и използването на суровините." Следователно високата скорост е силна тенденция, като вземем новото енергийно задвижване като пример, максималната скорост на първото поколение на Toyota Prius е само 6000 r/min, а скоростта на продукта от четвърто поколение достига 17 000 r/min. В този брой ние разглеждаме по-висока перспектива, за да разгледаме приложението на скоростните двигатели и ключовите технологии зад тях. "

Високата скорост и свръхвисоката скорост имат широки перспективи за приложение, но в същото време носят изключително големи предизвикателства пред двигателя, ние комбинираме тези проблеми в една и съща категория и откриваме, че има шест категории: разсейване на топлината, избор, структура на ротора, вибрационен шум , ефективен дизайн, лагери.

 

01. Проблемът с разсейването на топлината

 

Загубата на двигателя се увеличава с геометричния брой скорости, а топлината, генерирана от голямата загуба, увеличава изключително бързо повишаването на температурата на двигателя, за да се поддържа работа с висока скорост, е необходимо да се проектира метод на охлаждане с добро разсейване на топлината. Можем да видим, че обичайните методи за охлаждане на високоскоростен двигател са:

 

„Вътрешно принудително въздушно охлаждане“, както е показано на фигурата по-долу, силен студен въздух може директно да духа в двигателя, за да отнеме топлината от намотката и сърцевината, този начин обикновено се появява във въздушни компресори, вентилатори, самолетни двигатели и други случаи, когато силни може да се използва вятър.

2 "вътрешно охлаждане на маслото" В среда на приложение, където двигателят трябва да бъде затворен и защитен, или силен вятър, най-използваният метод е вътрешният метод за охлаждане на маслото, като комбинацията от охлаждане на маслото в жлеба на статора, използван във високо скоростен двигател, проектиран от AVL. Някои двигатели също приемат комбинация от охлаждане на впръскване на масло на намотката плюс охлаждане на статорно масло плюс охлаждане на роторно масло и т.н.

За да се постигне висока плътност на мощността, генерирането на топлина и охлаждането са важни проблеми, с които трябва да се сблъскат високоскоростните двигатели.

 

02. Проблем с избора на двигател

 

Мотор с постоянен магнит или индукционен двигател? Независимо дали става въпрос за други типове двигатели, като превключвано нежелание, изборът на тип високоскоростен двигател винаги е бил въпрос без стандартен отговор. Като цяло, от гледна точка на плътността на мощността и ефективността, е изгодно да се избират двигатели с постоянен магнит, докато асинхронните двигатели и двигателите с превключвателно съпротивление се избират според надеждността. Въпреки това, поради големия вибрационен шум, приложението на превключвателното нежелание е по-малко.

 

 

Фигурата по-долу е законът за разпределение на типа на високоскоростни двигатели при различни скорости и мощности, а „мощност * стойност на скоростта“ на двигателя е начертана като контурна крива и можем да намерим някакъв общ контекст: „При свръхвисоки приложения, индукционните двигатели са повечето, а индукционните двигатели и двигателите с постоянен магнит съществуват едновременно във високоскоростни приложения". При спазване на този принцип можем да изберем типа двигател според нуждите в рамките на гамата.

03. Проблеми със структурата на ротора

 

Центробежното напрежение, което структурата на ротора на високоскоростния двигател трябва да преодолее, обикновено се използва в обхвата на "високата скорост", металната обвивка, структурата на самия ротор (като скелета на рибата на lpm, структурата на ротора на IM) и т.н., а намотката от въглеродни влакна се използва в диапазона на "свръхвисока скорост" или просто превръща ротора в солидна интегрирана структура, като например двигателя на маховика за съхранение на енергия.

Повечето високоскоростни двигатели с постоянен магнит използват структурата на обвивката на ротора и този дизайн също е много специфичен, тоест за защита на постоянния магнит и предотвратяване на повреда на обвивката. Затова се опитайте да избегнете концентрацията на напрежение, както е показано на фигурата по-долу, ако магнитът не запълни цялата обиколка, ще има концентрация на напрежение върху обвивката и магнита, поради което високоскоростният двигател с постоянен магнит използва пълен пръстен магнит, ако не цял пръстен също се използва за запълване на обиколката.

04. Проблемът с вибрационния шум

 

Проблемът с вибрационния шум е основна пречка за високоскоростните двигатели. В сравнение с обикновените двигатели има проблеми с вибрациите, причинени от динамиката на ротора, като проблема с критичната скорост на ротора и проблема с вибрациите при отклонение на вала. Съществува и проблемът с виенето, причинено от високочестотна електромагнитна сила, а честотата на електромагнитната сила на високоскоростния двигател е по-висока, диапазонът на разпределение е по-широк и е лесно да се стимулира резонансът на статорната система.

За да се избегнат вибрации с критична скорост, дизайнът на ротора на високоскоростните двигатели е много критичен и изисква строг модален анализ и тестване. Съотношението дължина/диаметър трябва да се използва като оптимизираща променлива в дизайна: дизайнът на ротора е твърде дебел и къс, което може да увеличи горната граница на критичната скорост и не е склонен към резонанс, но трудността на ротор за преодоляване на центробежното напрежение се увеличава. На свой ред дизайнът на ротора е тънък, проблемът с центробежната сила е подобрен, но критичната скорост се измества, вероятността от резонанс се увеличава и електромагнитната мощност също ще намалее. Следователно дизайнът на ротора трябва да бъде многократно балансиран, което е най-важният приоритет на дизайна на високоскоростния двигател.

 

 

05. Ефективни въпроси

 

Загубите на двигателя се увеличават с геометричния брой скорости, високите загуби водят до бързо намаляване на ефективността на двигателя, за да се постигне висока ефективност, трябва да се управляват всички видове загуби. Като вземем за пример консумацията на желязо, за да се намалят загубите от вихрови токове, обикновено се използват ултратънки листове от силициева стомана от 0.10 mm и 0,08 mm. Свръхтънките пластини могат да намалят загубите от вихрови токове, но не могат да подобрят загубите от хистерезис, така че загубата от хистерезис на желязото на ултратънките листове представлява мнозинството, докато загубата от вихрови токове в обикновените листове представлява мнозинството. За да подобрите загубата на хистерезис, можете да започнете от следните три начина:

 

1. Оптимизирайте дизайна на магнитната верига, за да подобрите синусоидността на магнитното поле и да намалите хармоничното потребление на желязо;

2. Намалете магнитното натоварване, увеличете топлинното натоварване и намалете основната консумация на желязо;

3. Започвайки от избора на материал, изберете листове от силициева стомана с малка загуба на хистерезис.

В допълнение към консумацията на желязо, високоскоростните двигатели също обръщат допълнително внимание на загубите на променлив ток, които са причинени от проникването на сухи високочестотни променливи магнитни полета, често появяващи се извън повърхностите на магнита, металната обвивка и статорната намотка. Като вземем за пример загубата на променлив ток на магнит, често използваният метод е да разделим магнита на множество сегменти, които могат да бъдат радиални сегменти или аксиални сегменти. Сегментирането може да намали зоната на циркулация на вихрови токове и да намали загубата на променлив ток, фигурата по-долу е симулация на полето на вихрови токове след сегментиране, може да се види, че колкото повече сегментирани частици, толкова по-малка е загубата на променлив ток. Има повече решения от сегментирането, които са ограничени в пространството и не се разширяват.

Компонентът на магнитното поле с най-висока честота във високоскоростния двигател се въвежда от PWM носителя на инвертора, тъй като принципът на работа на импулсната модулация неизбежно произвежда високочестотни токови хармоници, които от своя страна допълнително произвеждат високочестотно магнитно поле и високочестотното магнитно поле прониква в повърхността на магнита и статора и ротора, за да доведе до загуба на висока честота. Някои високоскоростни двигатели използват многостепенна задвижваща структура, за да подобрят хармониците на страничната лента на ШИМ.

06. Проблеми с лагера

Изборът на лагери за високоскоростни двигатели е ключов въпрос и обикновено има четири категории магнитна левитация, въздушни лагери, плъзгащи механични лагери и сачмени механични лагери. Магнитните лагери се използват в приложения с по-висока мощност, а въздушните лагери се използват в приложения с по-малка мощност и размер. Механичните лагери често изискват смазване с масло и са ограничени в много приложения без масло.

Все още има много ключови проблеми и технологии на високоскоростните двигатели и тези проблеми трябва да бъдат управлявани едновременно, което е сравнително високо и трудно в сравнение с обикновените двигатели. Необходимостта от възприемане на мултифизичен дизайн на силово-магнитно-топлинно-NVH свързване е ново предизвикателство и нова възможност.

Тази статия представя осем категории приложения и шест ключови технологии за високоскоростни двигатели. Като цяло високоскоростните двигатели са обещаващо и технически предизвикателно приложение. Някои технологии изглеждат далеч от нас, но от гледна точка на развитието можем да видим, че вената на „плитка висока скорост - средно висока скорост - ултра-ултра-висока скорост“ се развива. В сравнение с преди десет години, 10,000 или 20,000 ротационни двигателя вече са нещо обичайно. Следователно високата скорост е „дългосрочна“ и бавно ще промени модела на индустрията. Следователно, независимо дали се търсят възможности в нови области или се подобрява конкурентоспособността на съществуващите продукти, високоскоростната технология е област, която си струва дългосрочна инвестиция.