Seis tecnologias principais para motores de alta velocidade

Seis tecnologias-chave para motores de alta velocidade

"Impulsionado pela busca de tamanho menor e maior potência, a velocidade do motor subiu de duas ou três mil revoluções nos primeiros dias, até dezenas de milhares a centenas de milhares de revoluções, e o velocidade mais alta melhorou a densidade de potência e a utilização de matéria-prima." Portanto, a alta velocidade é uma forte tendência, tomando como exemplo o novo acionamento de energia, a velocidade máxima da primeira geração do Toyota Prius é de apenas 6.000 r/min, e a velocidade do produto de quarta geração chega a 17.000 r/min. Nesta edição, adotamos uma perspectiva mais ampla para observar a aplicação de motores de velocidade e as principais tecnologias por trás deles. "

Alta velocidade e ultra-alta velocidade têm amplas perspectivas de aplicação, mas ao mesmo tempo trazem desafios extremamente altos para o motor, combinamos esses problemas na mesma categoria e descobrimos que existem seis categorias: dissipação de calor, seleção, estrutura do rotor, ruído de vibração , design eficiente, rolamentos.

 

01. O problema da dissipação de calor

 

A perda do motor aumenta com o número geométrico de velocidades, e o calor gerado pela alta perda aumenta o aumento de temperatura do motor de forma extremamente rápida, para manter a operação em alta velocidade, é necessário projetar um método de resfriamento com boa dissipação de calor. Podemos ver que os métodos comuns de resfriamento de motores de alta velocidade são:

 

"Resfriamento de ar forçado interno", conforme mostrado na figura abaixo, ar frio forte pode soprar diretamente no motor para remover o calor do enrolamento e do núcleo, dessa forma geralmente aparece em compressores de ar, sopradores, motores de aeronaves e outras ocasiões em que fortes vento pode ser usado.

2 "resfriamento interno do óleo" No ambiente de aplicação onde o motor deve ser fechado e protegido, ou vento forte, o mais utilizado é o método de resfriamento interno do óleo, como a combinação de resfriamento do óleo no sulco do estator usado no alto- motor de velocidade projetado por AVL. Alguns motores também adotam uma combinação de resfriamento por injeção de óleo do enrolamento mais resfriamento de óleo do estator mais resfriamento de óleo do rotor e assim por diante.

Para alcançar alta densidade de potência, geração de calor e resfriamento são questões importantes que os motores de alta velocidade devem enfrentar.

 

02. Problema de seleção do motor

 

Motor de imã permanente ou motor de indução? Quer se trate de outros tipos de motores, como relutância comutada, a escolha do tipo de motor de alta velocidade sempre foi uma questão sem resposta padrão. Geralmente, do ponto de vista da densidade de potência e eficiência, é vantajoso escolher motores de ímã permanente, enquanto motores de indução e motores de relutância comutados são selecionados pela confiabilidade. No entanto, devido ao grande ruído de vibração, a aplicação de relutância comutada é menor.

 

 

A figura abaixo é a lei de distribuição de tipos de motores de alta velocidade sob diferentes velocidades e potências, e o "valor de potência * velocidade" do motor é desenhado como uma curva de contorno, e podemos encontrar algum contexto geral: "Em ultra-alta aplicações, motores de indução são a maioria, e motores de indução e motores de ímã permanente coexistem em aplicações de alta velocidade". Desde que este princípio seja seguido, podemos escolher o tipo de motor de acordo com as necessidades dentro da gama.

03. Problemas com a estrutura do rotor

 

A tensão centrífuga que a estrutura do rotor do motor de alta velocidade deve superar é geralmente usada na faixa de "alta velocidade", a bainha de metal, a própria estrutura do rotor (como o esqueleto de peixe de lpm, a estrutura do rotor de IM) , etc., e o enrolamento de fibra de carbono é usado na faixa de "velocidade ultra-alta", ou simplesmente transforma o rotor em uma estrutura integrada sólida, como o motor do volante de armazenamento de energia.

A maioria dos motores de alta velocidade de ímã permanente usa a estrutura da bainha do rotor, e esse design também é muito particular, ou seja, para proteger o ímã permanente e evitar que a bainha falhe. Portanto, tente evitar a concentração de tensão, conforme mostrado na figura abaixo, se o ímã não preencher toda a circunferência, haverá concentração de tensão na bainha e no ímã, por isso o motor de ímã permanente de alta velocidade usa um anel completo ímã, se não um anel completo também é usado para preencher a circunferência.

04. O problema do ruído de vibração

 

O problema do ruído de vibração é um grande obstáculo para motores de alta velocidade. Em comparação com motores comuns, existem problemas de vibração causados ​​pela dinâmica do rotor, como o problema de velocidade crítica do rotor e o problema de vibração de deflexão do eixo. Há também o problema do uivo causado pela força eletromagnética de alta frequência, e a frequência da força eletromagnética do motor de alta velocidade é maior, a faixa de distribuição é mais ampla e é fácil estimular a ressonância do sistema do estator.

Para evitar vibração de velocidade crítica, o projeto do rotor de motores de alta velocidade é muito crítico e requer análises e testes modais rigorosos. A relação comprimento/diâmetro deve ser usada como uma variável de otimização no projeto: o projeto do rotor é muito grosso e curto, o que pode aumentar o limite superior da velocidade crítica e não é propenso a ressonância, mas a dificuldade do rotor para superar aumentos de tensão centrífuga. Por sua vez, o projeto do rotor é esbelto, o problema da força centrífuga é melhorado, mas a velocidade crítica é deslocada, a probabilidade de ressonância aumenta e a potência eletromagnética também diminui. Portanto, o projeto do rotor precisa ser repetidamente balanceado, que é a principal prioridade do projeto do motor de alta velocidade.

 

 

05. Perguntas eficientes

 

A perda do motor aumenta com o número geométrico de velocidades, altas perdas fazem com que a eficiência do motor decaia rapidamente, para alcançar alta eficiência, todos os tipos de perdas devem ser gerenciados. Tomando como exemplo o consumo de ferro, para reduzir as perdas por correntes parasitas, geralmente são utilizadas chapas de aço silício ultrafinas de 0,10mm e 0,08mm. Wafers ultrafinos podem reduzir as perdas por correntes parasitas, mas não podem melhorar as perdas por histerese, de modo que a perda por histerese de ferro de chapas ultrafinas é responsável pela maioria, enquanto a perda por correntes parasitas em chapas comuns é responsável pela maioria. Para melhorar a perda de histerese, você pode começar das três maneiras a seguir:

 

1. Otimize o projeto do circuito magnético para melhorar a sinusoididade do campo magnético e reduzir o consumo de ferro harmônico;

2. Reduza a carga magnética, aumente a carga térmica e reduza o consumo fundamental de ferro;

3. Partindo da seleção do material, selecione chapas de aço silício com pequena perda de histerese.

Além do consumo de ferro, os motores de alta velocidade também prestam atenção extra às perdas CA, causadas pela penetração de campos magnéticos alternados secos de alta frequência, muitas vezes aparecendo fora do ímã, da bainha de metal e das superfícies do enrolamento do estator. Tomando a perda de CA do ímã como exemplo, o método comumente usado é dividir o ímã em vários segmentos, que podem ser segmentos radiais ou segmentos axiais. A segmentação pode reduzir a área de circulação de corrente parasita e reduzir a perda de CA, a figura abaixo é a simulação do campo de corrente parasita após a segmentação, pode-se ver que quanto mais partículas segmentadas, menor a perda de CA. Existem mais soluções do que segmentação, que se limitam ao espaço e não se expandem.

O componente do campo magnético com a frequência mais alta no motor de alta velocidade é introduzido pela portadora PWM do inversor, porque o princípio de funcionamento da modulação de pulso inevitavelmente produz harmônicos de corrente de alta frequência, que por sua vez produzem um campo magnético de alta frequência , e o campo magnético de alta frequência penetra na superfície do ímã e do estator e rotor para produzir perda de alta frequência. Alguns motores de alta velocidade usam uma estrutura de acionamento multinível para melhorar os harmônicos da banda lateral PWM.

06. Problemas de rolamento

A seleção de rolamentos de motores de alta velocidade é uma questão fundamental e, geralmente, existem quatro categorias de levitação magnética, rolamentos de ar, rolamentos mecânicos deslizantes e rolamentos mecânicos de esferas. Os rolamentos magnéticos são usados ​​em aplicações com maior potência e os rolamentos a ar são usados ​​em aplicações com menor potência e tamanho. Os rolamentos mecânicos geralmente requerem lubrificação a óleo e são limitados em muitas aplicações sem óleo.

Ainda existem muitos problemas e tecnologias importantes de motores de alta velocidade, e esses problemas precisam ser gerenciados ao mesmo tempo, o que é relativamente alto e difícil em comparação com os motores comuns. A necessidade de adotar o projeto de acoplamento multifísico força-magnético-térmico-NVH é um novo desafio e uma nova oportunidade.

Este artigo apresenta oito categorias de aplicações e seis principais tecnologias de motores de alta velocidade. Em geral, os motores de alta velocidade são uma aplicação promissora e tecnicamente desafiadora. Algumas tecnologias parecem distantes de nós, mas do ponto de vista do desenvolvimento, podemos ver que a veia de "alta velocidade rasa - velocidade média-alta - velocidade ultra-ultra-alta" vem evoluindo. Em comparação com dez anos atrás, 10,000 ou 20,000 motores rotativos agora são comuns. Portanto, alta velocidade é "longo prazo" e mudará lentamente o padrão da indústria. Portanto, seja em busca de oportunidades em novos campos ou na melhoria da competitividade de produtos existentes, a tecnologia de alta velocidade é uma área que merece investimento de longo prazo.