Sáu công nghệ chính cho động cơ tốc độ cao

Sáu công nghệ chính cho động cơ tốc độ cao

"Được thúc đẩy bởi việc theo đuổi kích thước nhỏ hơn và công suất cao hơn, tốc độ của động cơ đã tăng lên rất nhiều, từ hai hoặc ba nghìn vòng quay trong những ngày đầu, cho đến hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn vòng quay, và tốc độ cao hơn đã cải thiện mật độ năng lượng và sử dụng nguyên liệu thô." Do đó, tốc độ cao là một xu hướng mạnh mẽ, lấy dẫn động năng lượng mới làm ví dụ, tốc độ tối đa của Toyota Prius thế hệ đầu tiên chỉ là 6000 vòng / phút và tốc độ của sản phẩm thế hệ thứ tư đạt 17000 vòng / phút. Trong số này, chúng tôi có một góc nhìn cao hơn để xem xét ứng dụng của động cơ tốc độ và các công nghệ chính đằng sau chúng. "

Tốc độ cao và tốc độ cực cao có triển vọng ứng dụng rộng rãi nhưng đồng thời cũng mang lại những thách thức cực kỳ cao cho động cơ, chúng tôi kết hợp những vấn đề này thành cùng một loại và thấy rằng có sáu loại: tản nhiệt, lựa chọn, cấu trúc rôto, tiếng ồn do rung động , thiết kế hiệu quả, vòng bi.

 

01. Vấn đề tản nhiệt

 

Tổn thất động cơ tăng theo số hình học của tốc độ và nhiệt sinh ra do tổn thất cao làm tăng nhiệt độ của động cơ tăng cực kỳ nhanh, để duy trì hoạt động ở tốc độ cao, cần phải thiết kế phương pháp làm mát với khả năng tản nhiệt tốt. Chúng ta có thể thấy rằng các phương pháp làm mát động cơ tốc độ cao phổ biến là:

 

"Làm mát bằng không khí cưỡng bức bên trong" như trong hình bên dưới, không khí lạnh mạnh có thể thổi trực tiếp vào động cơ để lấy đi nhiệt trên cuộn dây và lõi, cách này thường xuất hiện trong máy nén khí, quạt gió, động cơ máy bay và các trường hợp khác. gió có thể được sử dụng.

2 "làm mát dầu bên trong" Trong môi trường ứng dụng phải đóng và bảo vệ động cơ, hoặc gió mạnh, phương pháp làm mát dầu bên trong được sử dụng nhiều nhất, chẳng hạn như kết hợp làm mát dầu trong rãnh stato được sử dụng trong cao- động cơ tốc độ được thiết kế bởi AVL. Một số động cơ cũng áp dụng sự kết hợp giữa làm mát phun dầu cuộn dây cộng với làm mát dầu stato cộng với làm mát dầu rôto, v.v.

Để đạt được mật độ công suất cao, việc sinh nhiệt và làm mát là những vấn đề quan trọng mà động cơ tốc độ cao phải đối mặt.

 

02. Vấn đề lựa chọn động cơ

 

Động cơ nam châm vĩnh cửu hay động cơ cảm ứng? Cho dù đó là các loại động cơ khác như từ trở chuyển mạch, thì việc lựa chọn loại động cơ tốc độ cao nào luôn là một câu hỏi không có câu trả lời tiêu chuẩn. Nói chung, từ góc độ mật độ công suất và hiệu quả, việc chọn động cơ nam châm vĩnh cửu là thuận lợi, trong khi động cơ cảm ứng và động cơ từ trở chuyển mạch được chọn từ độ tin cậy. Tuy nhiên, do tiếng ồn rung động lớn nên việc áp dụng chuyển đổi miễn cưỡng ít hơn.

 

 

Hình bên dưới là quy luật phân bố loại của động cơ tốc độ cao ở các tốc độ và công suất khác nhau, và "giá trị công suất * tốc độ" của động cơ được vẽ dưới dạng một đường cong đồng mức và chúng ta có thể tìm thấy một số bối cảnh chung: "Ở cực cao ứng dụng, động cơ cảm ứng là nhiều nhất, và động cơ cảm ứng và động cơ nam châm vĩnh cửu cùng tồn tại trong các ứng dụng tốc độ cao". Miễn là tuân theo nguyên tắc này, chúng ta có thể chọn loại động cơ theo nhu cầu trong phạm vi.

03. Các vấn đề về kết cấu cánh quạt

 

Ứng suất ly tâm mà cấu trúc rôto của động cơ tốc độ cao phải vượt qua thường được sử dụng trong phạm vi "tốc độ cao", vỏ kim loại, cấu trúc bản thân rôto (chẳng hạn như khung xương cá của lpm, cấu trúc rôto của IM) , v.v., và cuộn dây sợi carbon được sử dụng trong phạm vi "tốc độ cực cao", hay đơn giản là chế tạo rôto thành một cấu trúc tích hợp vững chắc, chẳng hạn như động cơ của bánh đà lưu trữ năng lượng.

Hầu hết các động cơ tốc độ cao nam châm vĩnh cửu sử dụng cấu trúc của vỏ rôto, và thiết kế này cũng rất đặc biệt, đó là để bảo vệ nam châm vĩnh cửu và ngăn không cho vỏ bọc bị hỏng. Do đó, hãy cố gắng tránh tập trung ứng suất, như trong hình bên dưới, nếu nam châm không lấp đầy toàn bộ chu vi, sẽ có sự tập trung ứng suất trên vỏ bọc và nam châm, đó là lý do tại sao động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ cao sử dụng một vòng hoàn chỉnh nam châm, nếu không phải là một chiếc nhẫn hoàn chỉnh cũng được dùng để lấp đầy chu vi.

04. Vấn đề rung ồn

 

Vấn đề tiếng ồn do rung động là một trở ngại lớn đối với động cơ tốc độ cao. So với các động cơ thông thường, có các vấn đề rung động do động lực học của rôto gây ra, chẳng hạn như vấn đề tốc độ tới hạn của rôto và vấn đề rung lệch của trục. Ngoài ra còn có vấn đề về tiếng hú do lực điện từ tần số cao gây ra và tần số lực điện từ của động cơ tốc độ cao cao hơn, phạm vi phân phối rộng hơn và dễ kích thích sự cộng hưởng của hệ thống stato.

Để tránh rung động tốc độ tới hạn, thiết kế rôto của động cơ tốc độ cao là rất quan trọng và yêu cầu phân tích và thử nghiệm phương thức nghiêm ngặt. Tỷ lệ chiều dài trên đường kính cần được sử dụng như một biến tối ưu hóa trong thiết kế: thiết kế rôto quá dày và ngắn, có thể làm tăng giới hạn trên của tốc độ tới hạn và không dễ xảy ra cộng hưởng, nhưng độ khó của rôto để khắc phục ứng suất ly tâm tăng lên. Đổi lại, thiết kế rôto mảnh mai hơn, vấn đề cường độ ly tâm được cải thiện, nhưng tốc độ tới hạn bị thay đổi, xác suất cộng hưởng tăng lên và năng lượng điện từ cũng sẽ giảm. Do đó, thiết kế của rôto cần phải được cân bằng nhiều lần, đây là ưu tiên hàng đầu của thiết kế động cơ tốc độ cao.

 

 

05. Câu hỏi hiệu quả

 

Tổn hao động cơ tăng theo cấp số hình học của tốc độ, tổn thất cao làm hiệu suất động cơ giảm nhanh, để đạt hiệu suất cao phải quản lý các loại tổn thất. Lấy tiêu thụ sắt làm ví dụ, để giảm tổn thất dòng điện xoáy, người ta thường sử dụng các tấm thép silic siêu mỏng 0.10mm và 0,08mm. Các tấm siêu mỏng có thể giảm tổn thất dòng điện xoáy nhưng không thể cải thiện tổn thất từ ​​trễ, do đó tổn thất từ ​​trễ sắt của các tấm siêu mỏng chiếm phần lớn, trong khi tổn thất dòng điện xoáy ở các tấm thông thường chiếm đa số. Để cải thiện tình trạng mất trễ, bạn có thể bắt đầu từ ba cách sau:

 

1. Tối ưu hóa thiết kế mạch từ để cải thiện độ sin của từ trường và giảm mức tiêu thụ sắt hài;

2. Giảm tải từ, tăng tải nhiệt và giảm tiêu thụ sắt cơ bản;

3. Bắt đầu từ việc lựa chọn vật liệu, chọn các tấm thép silic có độ trễ nhỏ.

Ngoài việc tiêu thụ sắt, động cơ tốc độ cao cũng đặc biệt chú ý đến tổn thất AC, nguyên nhân là do sự xâm nhập của từ trường xoay chiều tần số cao khô, thường xuất hiện bên ngoài nam châm, vỏ kim loại và bề mặt cuộn dây stato. Lấy nam châm mất AC làm ví dụ, phương pháp thường được sử dụng là chia nam châm thành nhiều phân đoạn, có thể là phân đoạn hướng tâm hoặc phân đoạn hướng trục. Phân đoạn có thể giảm diện tích lưu thông dòng xoáy và giảm tổn thất AC, hình bên dưới là mô phỏng trường dòng xoáy sau khi phân đoạn, có thể thấy càng nhiều hạt phân đoạn thì tổn thất AC càng nhỏ. Có nhiều giải pháp hơn là phân khúc, bị giới hạn về không gian và không mở rộng.

Thành phần từ trường có tần số cao nhất trong động cơ tốc độ cao được giới thiệu bởi sóng mang PWM của biến tần, bởi vì nguyên lý làm việc của điều chế xung chắc chắn tạo ra sóng hài dòng điện tần số cao, do đó tiếp tục tạo ra từ trường tần số cao , và từ trường tần số cao thâm nhập vào bề mặt của nam châm và stato và rôto để tạo ra tổn thất tần số cao. Một số động cơ tốc độ cao sử dụng cấu trúc ổ đĩa đa cấp để cải thiện sóng hài dải bên PWM.

06. Vấn đề về vòng bi

Việc lựa chọn ổ trục của động cơ tốc độ cao là một vấn đề quan trọng, và nói chung có bốn loại bay từ trường, ổ trục không khí, ổ trục cơ trượt và ổ bi cơ. Vòng bi từ tính được sử dụng trong các ứng dụng có công suất cao hơn và vòng bi không khí được sử dụng trong các ứng dụng có công suất và kích thước nhỏ hơn. Vòng bi cơ học thường yêu cầu bôi trơn bằng dầu và bị hạn chế trong nhiều ứng dụng không có dầu.

Vẫn còn nhiều vấn đề và công nghệ chính của động cơ tốc độ cao, và những vấn đề này cần được quản lý đồng thời, tương đối cao và khó so với động cơ thông thường. Nhu cầu áp dụng thiết kế khớp nối đa vật lý lực-từ-nhiệt-NVH là một thách thức mới và một cơ hội mới.

Bài viết này giới thiệu tám loại ứng dụng và sáu công nghệ chính của động cơ tốc độ cao. Nói chung, động cơ tốc độ cao là một ứng dụng đầy hứa hẹn và thách thức về mặt kỹ thuật. Một số công nghệ có vẻ xa vời với chúng ta, nhưng từ góc độ phát triển, chúng ta có thể thấy rằng mạch "tốc độ cao nông - tốc độ trung bình - tốc độ cực cao" đã và đang phát triển. So với mười năm trước, động cơ quay 10,000 hoặc 20,000 hiện đã phổ biến. Do đó, tốc độ cao là "chủ nghĩa dài hạn" và sẽ dần thay đổi mô hình của ngành. Do đó, dù là tìm kiếm cơ hội trong lĩnh vực mới hay nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm hiện có, công nghệ tốc độ cao là lĩnh vực đáng đầu tư dài hạn.