Sechs Schlüsseltechnologien für Hochgeschwindigkeitsmotoren

Sechs Schlüsseltechnologien für Hochgeschwindigkeitsmotoren

„Angetrieben durch das Streben nach kleinerer Größe und höherer Leistung ist die Drehzahl des Motors stetig gestiegen, von zwei- oder dreitausend Umdrehungen in den Anfängen auf Zehntausende bis Hunderttausende Umdrehungen Höhere Geschwindigkeit hat die Leistungsdichte und die Rohstoffausnutzung verbessert.“ Daher ist hohe Geschwindigkeit ein starker Trend. Nehmen wir als Beispiel den Antrieb mit neuer Energie: Die Höchstgeschwindigkeit der ersten Generation des Toyota Prius beträgt nur 6000 U/min und die Geschwindigkeit des Produkts der vierten Generation erreicht 17000 U/min. In dieser Ausgabe betrachten wir die Anwendung von Geschwindigkeitsmotoren und die dahinter stehenden Schlüsseltechnologien aus einer höheren Perspektive. "

Hohe Geschwindigkeit und ultrahohe Geschwindigkeit haben breite Anwendungsaussichten, stellen aber gleichzeitig extrem hohe Herausforderungen an den Motor. Wir fassen diese Probleme in derselben Kategorie zusammen und stellen fest, dass es sechs Kategorien gibt: Wärmeableitung, Auswahl, Rotorstruktur, Vibrationsgeräusch , effizientes Design, Lager.

 

01. Das Problem der Wärmeableitung

 

Der Motorverlust steigt mit der geometrischen Anzahl der Geschwindigkeiten, und die durch hohe Verluste erzeugte Wärme erhöht den Temperaturanstieg des Motors extrem schnell. Um einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, eine Kühlmethode mit guter Wärmeableitung zu entwickeln. Wir können sehen, dass die gängigen Kühlmethoden für Hochgeschwindigkeitsmotoren sind:

 

„Interne erzwungene Luftkühlung“, wie in der Abbildung unten dargestellt, kann starke kalte Luft direkt in den Motor blasen, um die Wärme von der Wicklung und dem Kern abzuleiten. Diese Methode tritt im Allgemeinen bei Luftkompressoren, Gebläsen, Flugzeugmotoren und anderen Gelegenheiten auf, bei denen starke Luftkühlung erforderlich ist Wind kann genutzt werden.

2 „interne Ölkühlung“ In Anwendungsumgebungen, in denen der Motor geschlossen und geschützt sein muss oder bei starkem Wind, wird am häufigsten die interne Ölkühlungsmethode verwendet, z. B. die Kombination von Ölkühlung in der Statornut, die in der Hoch- Geschwindigkeitsmotor von AVL. Einige Motoren verwenden auch eine Kombination aus Wicklungsöleinspritzkühlung plus Statorölkühlung plus Rotorölkühlung usw.

Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, sind Wärmeerzeugung und Kühlung wichtige Themen, denen sich Hochgeschwindigkeitsmotoren stellen müssen.

 

02. Problem bei der Motorauswahl

 

Permanentmagnetmotor oder Induktionsmotor? Unabhängig davon, ob es sich um andere Motortypen wie geschaltete Reluktanzmotoren handelt, war die Wahl des Hochgeschwindigkeitsmotortyps schon immer eine Frage, auf die es keine Standardantwort gab. Im Allgemeinen ist es aus Sicht der Leistungsdichte und Effizienz vorteilhaft, Permanentmagnetmotoren zu wählen, während Induktionsmotoren und geschaltete Reluktanzmotoren aus Gründen der Zuverlässigkeit ausgewählt werden. Aufgrund der großen Vibrationsgeräusche wird jedoch seltener eine geschaltete Reluktanz eingesetzt.

 

 

Die folgende Abbildung zeigt das Typverteilungsgesetz von Hochgeschwindigkeitsmotoren bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Leistungen. Der „Leistung * Geschwindigkeitswert“ des Motors ist als Konturkurve dargestellt, und wir können einen allgemeinen Kontext finden: „In Ultrahochbetrieb.“ In den meisten Anwendungen kommen Induktionsmotoren zum Einsatz, und in Hochgeschwindigkeitsanwendungen kommen Induktionsmotoren und Permanentmagnetmotoren nebeneinander vor. Solange dieses Prinzip befolgt wird, können wir den Motortyp entsprechend den Anforderungen innerhalb des Sortiments auswählen.

03. Probleme mit der Rotorstruktur

 

Die Zentrifugalspannung, die die Rotorstruktur des Hochgeschwindigkeitsmotors überwinden muss, wird im Allgemeinen im „Hochgeschwindigkeits“-Bereich verwendet, der Metallmantel, die Struktur des Rotors selbst (z. B. das Fischskelett von LPM, die Rotorstruktur von IM). , usw., und die Kohlefaserwicklung wird im „Ultra-High-Speed“-Bereich verwendet, oder machen Sie den Rotor einfach zu einer soliden integrierten Struktur, wie zum Beispiel dem Motor des Energiespeicher-Schwungrads.

Die meisten Permanentmagnet-Hochgeschwindigkeitsmotoren verwenden die Struktur des Rotormantels, und diese Konstruktion ist auch sehr speziell, nämlich den Permanentmagneten zu schützen und ein Versagen des Mantels zu verhindern. Versuchen Sie daher, Spannungskonzentrationen zu vermeiden, wie in der Abbildung unten gezeigt. Wenn der Magnet nicht den gesamten Umfang ausfüllt, kommt es zu Spannungskonzentrationen auf der Hülle und dem Magneten, weshalb der Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmotor einen vollständigen Ring verwendet Magnet, wenn nicht, wird auch ein kompletter Ring verwendet, um den Umfang auszufüllen.

04. Das Problem der Vibrationsgeräusche

 

Das Problem der Vibrationsgeräusche ist ein großes Hindernis für Hochgeschwindigkeitsmotoren. Im Vergleich zu gewöhnlichen Motoren gibt es Vibrationsprobleme, die durch die Rotordynamik verursacht werden, wie z. B. das Problem der kritischen Geschwindigkeit des Rotors und das Problem der Durchbiegungsvibration der Welle. Es gibt auch das Problem des Heulens, das durch hochfrequente elektromagnetische Kräfte verursacht wird. Die Frequenz der elektromagnetischen Kraft von Hochgeschwindigkeitsmotoren ist höher, der Verteilungsbereich ist breiter und es ist einfach, die Resonanz des Statorsystems zu stimulieren.

Um kritische Drehzahlvibrationen zu vermeiden, ist die Rotorkonstruktion von Hochgeschwindigkeitsmotoren sehr wichtig und erfordert strenge Modalanalysen und Tests. Das Längen-Durchmesser-Verhältnis muss als Optimierungsvariable im Design verwendet werden: Das Rotordesign ist zu dick und zu kurz, was die Obergrenze der kritischen Geschwindigkeit erhöhen kann und nicht anfällig für Resonanzen ist, sondern die Schwierigkeit des Rotor zur Überwindung der Zentrifugalspannung erhöht. Das Rotordesign ist wiederum schlanker, das Problem der Zentrifugalfestigkeit wird verbessert, aber die kritische Drehzahl verschiebt sich, die Resonanzwahrscheinlichkeit steigt und auch die elektromagnetische Leistung nimmt ab. Daher muss die Konstruktion des Rotors wiederholt ausgewuchtet werden, was bei der Konstruktion von Hochgeschwindigkeitsmotoren oberste Priorität hat.

 

 

05. Effiziente Fragen

 

Der Motorverlust nimmt mit der geometrischen Anzahl der Drehzahlen zu. Hohe Verluste lassen den Motorwirkungsgrad schnell sinken. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, müssen alle Arten von Verlusten bewältigt werden. Nehmen wir als Beispiel den Eisenverbrauch: Um Wirbelstromverluste zu reduzieren, werden im Allgemeinen ultradünne Siliziumstahlbleche von 0,10mm und 0,08 mm verwendet. Ultradünne Wafer können Wirbelstromverluste reduzieren, aber die Hystereseverluste nicht verbessern, sodass der Eisen-Hystereseverlust bei ultradünnen Blechen den größten Teil ausmacht, während der Wirbelstromverlust bei gewöhnlichen Blechen den Großteil ausmacht. Um den Hystereseverlust zu verbessern, können Sie auf drei Arten vorgehen:

 

1. Optimieren Sie das Design des Magnetkreises, um die Sinusform des Magnetfelds zu verbessern und den harmonischen Eisenverbrauch zu reduzieren.

2. Reduzieren Sie die magnetische Belastung, erhöhen Sie die Wärmebelastung und reduzieren Sie den grundlegenden Eisenverbrauch.

3. Wählen Sie ausgehend von der Materialauswahl Siliziumstahlbleche mit geringem Hystereseverlust aus.

Neben dem Eisenverbrauch achten Hochgeschwindigkeitsmotoren auch besonders auf Wechselstromverluste, die durch das Eindringen trockener hochfrequenter magnetischer Wechselfelder verursacht werden und häufig außerhalb der Magnet-, Metallmantel- und Statorwicklungsoberflächen auftreten. Am Beispiel des Wechselstromverlusts eines Magneten besteht die häufig verwendete Methode darin, den Magneten in mehrere Segmente zu unterteilen, bei denen es sich um radiale oder axiale Segmente handeln kann. Die Segmentierung kann die Wirbelstromzirkulationsfläche und den Wechselstromverlust verringern. Die folgende Abbildung zeigt die Simulation des Wirbelstromfelds nach der Segmentierung. Es ist ersichtlich, dass der Wechselstromverlust umso geringer ist, je mehr segmentierte Partikel vorhanden sind. Es gibt mehr Lösungen als die Segmentierung, die auf den Raum beschränkt sind und sich nicht erweitern.

Die Magnetfeldkomponente mit der höchsten Frequenz im Hochgeschwindigkeitsmotor wird durch den PWM-Träger des Wechselrichters eingebracht, da das Arbeitsprinzip der Pulsmodulation zwangsläufig hochfrequente Stromoberwellen erzeugt, die wiederum ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugen , und das hochfrequente Magnetfeld dringt in die Oberfläche des Magneten sowie des Stators und Rotors ein und erzeugt Hochfrequenzverluste. Einige Hochgeschwindigkeitsmotoren verwenden eine mehrstufige Antriebsstruktur, um die Oberschwingungen des PWM-Seitenbands zu verbessern.

06. Lagerprobleme

Die Lagerauswahl von Hochgeschwindigkeitsmotoren ist ein zentrales Thema, und im Allgemeinen gibt es vier Kategorien: Magnetschwebelager, Luftlager, mechanische Gleitlager und mechanische Kugellager. Magnetlager kommen bei Anwendungen mit höherer Leistung zum Einsatz, Luftlager bei Anwendungen mit geringerer Leistung und Größe. Mechanische Lager erfordern oft eine Ölschmierung und sind in vielen ölfreien Anwendungen nur begrenzt einsetzbar.

Es gibt immer noch viele Schlüsselprobleme und Technologien von Hochgeschwindigkeitsmotoren, und diese Probleme müssen gleichzeitig bewältigt werden, was im Vergleich zu gewöhnlichen Motoren relativ hoch und schwierig ist. Die Notwendigkeit, ein Kraft-Magnet-Thermo-NVH-Multiphysik-Kopplungsdesign zu übernehmen, ist eine neue Herausforderung und eine neue Chance.

In diesem Artikel werden acht Anwendungskategorien und sechs Schlüsseltechnologien von Hochgeschwindigkeitsmotoren vorgestellt. Generell sind Hochgeschwindigkeitsmotoren eine vielversprechende und technisch anspruchsvolle Anwendung. Einige Technologien scheinen weit von uns entfernt zu sein, aber aus der Perspektive der Entwicklung können wir sehen, dass sich die Richtung „flache Hochgeschwindigkeit – mittlere bis hohe Geschwindigkeit – ultra-ultrahohe Geschwindigkeit“ weiterentwickelt hat. Im Vergleich zu vor zehn Jahren sind heute 10-{9}- oder 20-{11}-Rotationsmotoren üblich. Daher ist Hochgeschwindigkeit „Langfristigkeit“ und wird das Muster der Branche langsam verändern. Unabhängig davon, ob es um die Suche nach Möglichkeiten in neuen Bereichen oder um die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit bestehender Produkte geht, ist die Hochgeschwindigkeitstechnologie ein Bereich, der eine langfristige Investition wert ist.