Permanentmagnet-Synchronmotoren: Design und Anwendung der Rotorstruktur für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb in Hochtemperaturumgebungen

In High-End-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Erdölexploration, der Fertigung von High-End-Geräten und Fahrzeugen mit neuer Energie ist eine hohe-Geschwindigkeit erforderlichPermanentmagnet-Synchronmotoren(PMSMs) in Hochtemperaturumgebungen sind aufgrund ihrer Kernvorteile hoher Effizienz, Energieeinsparung, hoher Leistungsdichte und schneller Reaktionsgeschwindigkeit zu Kernkomponenten von Antriebssystemen geworden. Als wichtiger Träger für die Energieumwandlung des Motors bestimmt das Design der Rotorstruktur direkt die Betriebsstabilität, die Leistungsabgabe und die Lebensdauer des Motors unter den beiden rauen Arbeitsbedingungen hoher Temperatur (normalerweise bezieht sich dies auf eine Betriebstemperatur größer oder gleich 150 Grad) und hoher Geschwindigkeit (Drehzahl größer oder gleich 10.000 U/min). In diesem Artikel werden technische Praktiken der Industrie und die neuesten Forschungsergebnisse kombiniert. Er beschreibt die wichtigsten Designpunkte, gängigen Typen, die Materialauswahl und Optimierungsstrategien der Rotorstruktur von Hochgeschwindigkeits-PMSMs in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Er bietet Fachleuten aus der Industrie eine professionelle Referenz und erleichtert die Aktualisierung verwandter Technologien und die Produktimplementierung.

Die Überlagerung von Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeits-Doppelarbeitsbedingungen stellt drei strenge Kernanforderungen an die Rotorstruktur: erstens hohe Temperaturbeständigkeit und Anti-{2}}Entmagnetisierung. Hohe Temperaturen führen zu einer Schwächung der magnetischen Eigenschaften von Permanentmagneten und sogar zu einer irreversiblen Entmagnetisierung, was sich direkt auf die Leistungsabgabe des Motors auswirkt; Zweitens Anti--Zentrifugal- und Anti--Abwurf. Die enorme Zentrifugalkraft, die durch die Hochgeschwindigkeitsrotation erzeugt wird, kann Sicherheitsrisiken wie Verformung der Rotorstruktur und Ablösung von Permanentmagneten verursachen; Drittens, geringe Verluste und Temperaturanstiegskontrolle. Der Wirbelstromverlust des Rotors nimmt mit zunehmender Drehzahl zu, wodurch die Temperatur weiter ansteigt und ein Teufelskreis aus „Hochtemperatur---Verlust --Entmagnetisierung“ entsteht. Daher muss das Design der Rotorstruktur die drei Kernanforderungen hoher Temperaturbeständigkeit, Anti--Zentrifugalkraft und geringe Verluste in Einklang bringen.

Derzeit sind die Rotorstrukturen mit hoher -Geschwindigkeit ausgestattetPermanentmagnet-SynchronmotorenPMSMs, die für Hochtemperaturumgebungen geeignet sind, werden hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: intern-montiert, oberflächenmontiert-und Verbundwerkstoff. Jeder Strukturtyp hat seinen eigenen Schwerpunkt auf Designlogik und Materialauswahl entsprechend den anwendbaren Szenarien, wobei Praktikabilität und Zuverlässigkeit berücksichtigt werden und die Anforderungen unterschiedlicher Arbeitsbedingungen bei hohen Temperaturen und hohen Geschwindigkeiten abgedeckt werden.

Die innen-montierte Rotorstruktur ist der am häufigsten verwendete Typ in Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsszenarien. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass die Permanentmagnete im Rotorkern eingebettet sind, wodurch vermieden wird, dass die Permanentmagnete direkt Umgebungen mit hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Gleichzeitig verbessert die Kernstruktur die mechanische Festigkeit des Rotors und widersteht der Zentrifugalkraft mit hoher Geschwindigkeit. Diese Struktur kann weiter in eingebettete und interne magnetische Barrierestrukturen unterteilt werden. Die eingebettete Struktur fixiert die Permanentmagnete durch die Schlitze des Rotorkerns und verstärkt sie mit hochtemperaturbeständigen Klebstoffen, um zu verhindern, dass sich die Permanentmagnete bei hoher Rotationsgeschwindigkeit verschieben. Die interne magnetische Barrierestruktur blockiert den Wirbelstrompfad durch die Bildung mehrerer Schichten magnetischer Barrieren, reduziert den Wirbelstromverlust des Rotors, verringert die Temperaturanstiegsamplitude und verbessert gleichzeitig die magnetische Abschirmwirkung, um die Permanentmagnete vor Störungen durch externe Magnetfelder zu schützen.

Die innen-montierte Rotorstruktur eignet sich für Szenarien mit einer Drehzahl von 10.000-30.000 U/min und einer Betriebstemperatur von 150-250 Grad, z. B. Motoren zur Unterstützung von Flugtriebwerken und Hochtemperatur-Pumpenmotoren. In Bezug auf die Materialauswahl verwendet der Rotorkern meist verlustarme, nicht-orientierte Siliziumstahlbleche von 0,2 mm oder weniger, wie z. B. Baosteel B20AT1200, wodurch der Kernverlust effektiv reduziert werden kann; Permanentmagnete bevorzugen hochtemperaturbeständigen Samarium--Kobalt (SmCo)-Magnetstahl oder hochtemperaturbeständigen Neodym--Eisen-Bor-Magnetstahl (NdFeB). Unter diesen hat SmCo-Magnetstahl eine Curie-Temperatur von 700–800 Grad, wodurch eine Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen wirksam vermieden werden kann und die Anforderungen von Szenarien mit mittleren und hohen Temperaturen erfüllt werden.

Die oberflächenmontierte Rotorstruktur weist ein Design auf, bei dem Permanentmagnete direkt auf die Rotoroberfläche geklebt werden. Dies bietet die Vorteile einer einfachen Struktur, einer hohen magnetischen Kopplungseffizienz und einer hohen Leistungsdichte und eignet sich für Szenarien mit hoher Geschwindigkeit, hoher Leistungsdichte und hoher Temperatur. Um den Herausforderungen hoher Temperaturen und hoher Geschwindigkeit gerecht zu werden, muss sich diese Struktur auf die Lösung der Probleme der Permanentmagnetfixierung und der Anti--Entmagnetisierung konzentrieren: Permanentmagnete werden aus SmCo-Magnetstahl mit ausgezeichneter Hochtemperaturbeständigkeit oder neuen Samarium--Eisen-Stickstoff-Magneten (SmFeN) ausgewählt. Unter diesen haben SmFeN-Magnete eine Curie-Temperatur von bis zu 470 Grad, können immer noch einen starken Magnetismus über 200 Grad aufrechterhalten und können einen stabilen Betrieb bei hohen Temperaturen ohne schwere seltene Erden erreichen; Gleichzeitig wird eine hochfeste Schutzhülle auf die Oberfläche der Permanentmagnete gewickelt, hauptsächlich aus Kohlefaser-Verbundhülsen, deren Zugfestigkeit das 3-5-fache der von herkömmlichen Metallen beträgt. Sie ist nicht-magnetisch und nicht{16}}leitfähig, wodurch sie der Hochgeschwindigkeitszentrifugalkraft wirksam widerstehen, Wirbelstromverluste vermeiden und den Temperaturanstieg reduzieren kann.

Darüber hinaus kann die oberflächenmontierte Rotorstruktur den Wirbelstromverlust weiter reduzieren und den Wärmeableitungseffekt optimieren, indem flache Umfangsrillen in der Hülse geöffnet und Kupfer-Abschirmringe zwischen den Permanentmagneten und der Hülse hinzugefügt werden. Es eignet sich für Szenarien mit einer Drehzahl von 20.000 bis 40.000 U/min und einer Betriebstemperatur von 180 bis 300 Grad, wie z. B. Antriebsmotoren für neue Energiefahrzeuge und Hochgeschwindigkeitskompressor-Unterstützungsmotoren.

Die Verbundrotorstruktur ist ein optimiertes Design, das die Vorteile innen-montierter und oberflächenmontierter-Strukturen vereint. Sein Kern besteht darin, dass ein Teil der Permanentmagnete im Rotorkern eingebettet und ein Teil auf die Rotoroberfläche geklebt ist, wobei mechanische Festigkeit und magnetische Leistung berücksichtigt werden. Der Rotorkern dieser Struktur besteht aus hochtemperaturbeständigen Siliziumstahlblechen oder laminiertem weichmagnetischem Verbundwerkstoff (SMC). SMC-Material verfügt über eine isotrope magnetische Permeabilität, die hochfrequente Wirbelstromverluste wirksam unterdrücken kann und für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzszenarien geeignet ist. Die eingebetteten Permanentmagnete werden verwendet, um die Überlastfähigkeit des Motors zu verbessern, und die oberflächenmontierten Permanentmagnete werden verwendet, um die Leistungsdichte zu verbessern, und der Wirbelstromverlust wird durch die Optimierung des Magnetkreisdesigns reduziert.

Um die Hochtemperaturbeständigkeit weiter zu verbessern, ist die Verbundrotorstruktur üblicherweise mit eingebauten-Kühlkanälen ausgestattet, und mithilfe der Ölkühlungstechnologie wird Kühlflüssigkeit in den Rotor eingeführt, um gleichzeitig den magnetischen Stahl und die Lager zu kühlen und so die Rotortemperatur effektiv zu steuern, die für eine Betriebstemperatur von 200–300 Grad geeignet ist.