Seis tecnologías clave para motores de alta velocidad
Jul 24, 2023
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Seis tecnologías clave para motores de alta velocidad
"Impulsado por la búsqueda de un tamaño más pequeño y una mayor potencia, la velocidad del motor ha subido hasta el final, desde dos o tres mil revoluciones en los primeros días, hasta decenas de miles a cientos de miles de revoluciones, y la una mayor velocidad ha mejorado la densidad de potencia y la utilización de materias primas". Por lo tanto, la alta velocidad es una fuerte tendencia, tomando como ejemplo la conducción de nueva energía, la velocidad máxima de la primera generación de Toyota Prius es de solo 6000 r/min, y la velocidad del producto de cuarta generación alcanza las 17000 r/min. En este número, adoptamos una perspectiva más amplia para observar la aplicación de los motores de velocidad y las tecnologías clave detrás de ellos. "
La alta velocidad y la ultra alta velocidad tienen amplias perspectivas de aplicación, pero al mismo tiempo presentan desafíos extremadamente altos para el motor. Combinamos estos problemas en la misma categoría y descubrimos que hay seis categorías: disipación de calor, selección, estructura del rotor, ruido de vibración. , diseño eficiente, rodamientos.
01. El problema de la disipación de calor
La pérdida del motor aumenta con el número geométrico de velocidades, y el calor generado por la alta pérdida aumenta el aumento de temperatura del motor extremadamente rápido, para mantener el funcionamiento a alta velocidad, es necesario diseñar un método de enfriamiento con buena disipación de calor. Podemos ver que los métodos comunes de enfriamiento de motores de alta velocidad son:
"Enfriamiento de aire forzado interno" como se muestra en la figura a continuación, el aire frío fuerte puede soplar directamente en el motor para quitar el calor del devanado y el núcleo, de esta manera generalmente aparece en compresores de aire, sopladores, motores de aviones y otras ocasiones donde fuerte Se puede usar viento.
2 "refrigeración de aceite interna" En el entorno de aplicación donde el motor debe estar cerrado y protegido, o el viento fuerte, el más utilizado es el método de refrigeración de aceite interna, como la combinación de refrigeración de aceite en la ranura del estator utilizada en el alto- motor de velocidad diseñado por AVL. Algunos motores también adoptan una combinación de refrigeración por inyección de aceite del devanado, refrigeración del aceite del estator, refrigeración del aceite del rotor, etc.
Para lograr una alta densidad de potencia, la generación de calor y la refrigeración son cuestiones importantes a las que deben enfrentarse los motores de alta velocidad.
02. Problema de selección de motor
¿Motor de imanes permanentes o motor de inducción? Ya se trate de otros tipos de motores, como los de reluctancia conmutada, la elección del tipo de motor de alta velocidad siempre ha sido una pregunta sin respuesta estándar. Generalmente, desde la perspectiva de la densidad de potencia y la eficiencia, es ventajoso elegir motores de imanes permanentes, mientras que los motores de inducción y los motores de reluctancia conmutada se seleccionan por confiabilidad. Sin embargo, debido al gran ruido de vibración, la aplicación de reluctancia conmutada es menor.
La siguiente figura es la ley de distribución de tipos de motores de alta velocidad a diferentes velocidades y potencias, y el "valor de potencia * velocidad" del motor se dibuja como una curva de contorno, y podemos encontrar un contexto general: "En ultra alta velocidad". aplicaciones, los motores de inducción son la mayoría, y los motores de inducción y los motores de imanes permanentes coexisten en aplicaciones de alta velocidad". Siempre que se siga este principio, podemos elegir el tipo de motor según las necesidades dentro de la gama.
03. Problemas con la estructura del rotor
La tensión centrífuga que debe superar la estructura del rotor del motor de alta velocidad se usa generalmente en el rango de "alta velocidad", la cubierta metálica, la estructura del rotor en sí (como el esqueleto de pez de lpm, la estructura del rotor de IM) , etc., y el devanado de fibra de carbono se utiliza en el rango de "velocidad ultra alta", o simplemente convierte el rotor en una estructura integrada sólida, como el motor del volante de almacenamiento de energía.
La mayoría de los motores de alta velocidad de imanes permanentes utilizan la estructura de la cubierta del rotor, y este diseño también es muy particular, es decir, para proteger el imán permanente y evitar que la cubierta falle. Por lo tanto, intente evitar la concentración de tensión, como se muestra en la figura a continuación, si el imán no llena toda la circunferencia, habrá concentración de tensión en la cubierta y el imán, por lo que el motor de imán permanente de alta velocidad utiliza un anillo completo. imán, si no un anillo completo también se utiliza para llenar la circunferencia.
04. El problema del ruido de vibración
El problema del ruido de vibración es un obstáculo importante para los motores de alta velocidad. En comparación con los motores ordinarios, existen problemas de vibración causados por la dinámica del rotor, como el problema de la velocidad crítica del rotor y el problema de la vibración de deflexión del eje. También existe el problema de los aullidos causados por la fuerza electromagnética de alta frecuencia, y la frecuencia de la fuerza electromagnética del motor de alta velocidad es más alta, el rango de distribución es más amplio y es fácil estimular la resonancia del sistema del estator.
Para evitar la vibración de velocidad crítica, el diseño del rotor de los motores de alta velocidad es muy crítico y requiere pruebas y análisis modales rigurosos. La relación longitud-diámetro debe utilizarse como variable de optimización en el diseño: el diseño del rotor es demasiado grueso y corto, lo que puede aumentar el límite superior de la velocidad crítica y no es propenso a la resonancia, pero la dificultad del rotor para superar los aumentos de tensión centrífuga. A su vez, el diseño del rotor es delgado, se mejora el problema de la fuerza centrífuga, pero se cambia la velocidad crítica, aumenta la probabilidad de resonancia y la potencia electromagnética también disminuirá. Por lo tanto, el diseño del rotor debe equilibrarse repetidamente, lo cual es la principal prioridad del diseño de motores de alta velocidad.
05. Preguntas eficientes
La pérdida del motor aumenta con el número geométrico de velocidades, las pérdidas altas hacen que la eficiencia del motor decaiga rápidamente, para lograr una alta eficiencia, se deben gestionar todos los tipos de pérdidas. Tomando como ejemplo el consumo de hierro, para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault, generalmente se utilizan láminas de acero al silicio ultradelgadas de 0,10mm y 0,08 mm. Las obleas ultrafinas pueden reducir las pérdidas por corrientes de Foucault pero no pueden mejorar las pérdidas por histéresis, por lo que la pérdida por histéresis de hierro de las láminas ultrafinas representa la mayoría, mientras que la pérdida por corrientes de Foucault en las láminas ordinarias representa la mayoría. Para mejorar la pérdida por histéresis, puede comenzar de las siguientes tres maneras:
1. Optimice el diseño del circuito magnético para mejorar la sinusoidalidad del campo magnético y reducir el consumo de hierro armónico;
2. Reduzca la carga magnética, aumente la carga de calor y reduzca el consumo fundamental de hierro;
3. A partir de la selección del material, seleccione láminas de acero al silicio con una pequeña pérdida por histéresis.
Además del consumo de hierro, los motores de alta velocidad también prestan especial atención a las pérdidas de CA, que son causadas por la penetración de campos magnéticos alternos secos de alta frecuencia, que a menudo aparecen fuera del imán, la cubierta metálica y las superficies del devanado del estator. Tomando como ejemplo la pérdida de CA del imán, el método comúnmente utilizado es dividir el imán en varios segmentos, que pueden ser segmentos radiales o segmentos axiales. La segmentación puede reducir el área de circulación de corrientes de Foucault y reducir la pérdida de CA, la siguiente figura es la simulación del campo de corrientes de Foucault después de la segmentación, se puede ver que cuantas más partículas segmentadas, menor es la pérdida de CA. Hay más soluciones que la segmentación, que se limitan al espacio y no se expanden.
El componente de campo magnético con la frecuencia más alta en el motor de alta velocidad es introducido por la portadora PWM del inversor, porque el principio de funcionamiento de la modulación de pulso produce inevitablemente armónicos de corriente de alta frecuencia, que a su vez producen un campo magnético de alta frecuencia. , y el campo magnético de alta frecuencia penetra en la superficie del imán y el estator y el rotor para producir pérdida de alta frecuencia. Algunos motores de alta velocidad utilizan una estructura de accionamiento multinivel para mejorar los armónicos de banda lateral de PWM.
06. Problemas de rodamientos
La selección de cojinetes de motores de alta velocidad es un tema clave y, en general, existen cuatro categorías de levitación magnética, cojinetes de aire, cojinetes mecánicos deslizantes y cojinetes mecánicos de bolas. Los cojinetes magnéticos se utilizan en aplicaciones con mayor potencia y los cojinetes neumáticos se utilizan en aplicaciones con menor potencia y tamaño. Los cojinetes mecánicos a menudo requieren lubricación con aceite y están limitados en muchas aplicaciones sin aceite.
Todavía hay muchos problemas y tecnologías clave de los motores de alta velocidad, y estos problemas deben gestionarse al mismo tiempo, lo cual es relativamente alto y difícil en comparación con los motores ordinarios. La necesidad de adoptar un diseño de acoplamiento multifísico fuerza-magnético-térmico-NVH es un nuevo desafío y una nueva oportunidad.
Este artículo presenta ocho categorías de aplicaciones y seis tecnologías clave de motores de alta velocidad. En general, los motores de alta velocidad son una aplicación prometedora y técnicamente desafiante. Algunas tecnologías parecen estar muy lejos de nosotros, pero desde la perspectiva del desarrollo, podemos ver que la vena de "alta velocidad superficial - velocidad media-alta - velocidad ultra-ultra-alta" ha ido evolucionando. En comparación con hace diez años, los motores rotativos de 10,000 o 20,000 ahora son comunes. Por lo tanto, la alta velocidad es "largo plazo" y cambiará lentamente el patrón de la industria. Por lo tanto, ya sea buscando oportunidades en nuevos campos o mejorando la competitividad de los productos existentes, la tecnología de alta velocidad es un área que vale la pena invertir a largo plazo.