Έξι βασικές τεχνολογίες για κινητήρες υψηλής ταχύτητας

Έξι βασικές τεχνολογίες για κινητήρες υψηλής ταχύτητας

«Καθοδηγούμενη από την επιδίωξη μικρότερου μεγέθους και υψηλότερης ισχύος, η ταχύτητα του κινητήρα έχει ανέβει σε όλη τη διαδρομή, από δύο ή τρεις χιλιάδες στροφές τις πρώτες μέρες, σε όλη τη διαδρομή σε δεκάδες χιλιάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες στροφές, και η Η υψηλότερη ταχύτητα έχει βελτιώσει την πυκνότητα ισχύος και τη χρήση των πρώτων υλών." Επομένως, η υψηλή ταχύτητα είναι μια ισχυρή τάση, λαμβάνοντας ως παράδειγμα τη νέα ενεργειακή κίνηση, η μέγιστη ταχύτητα της πρώτης γενιάς του Toyota Prius είναι μόνο 6000 r/min και η ταχύτητα του προϊόντος τέταρτης γενιάς φτάνει τα 17000 r/min. Σε αυτό το τεύχος, εξετάζουμε την εφαρμογή των κινητήρων ταχύτητας και τις βασικές τεχνολογίες πίσω από αυτές. "

Η υψηλή ταχύτητα και η εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής, αλλά ταυτόχρονα φέρνουν εξαιρετικά υψηλές προκλήσεις στον κινητήρα, συνδυάζουμε αυτά τα προβλήματα στην ίδια κατηγορία και διαπιστώνουμε ότι υπάρχουν έξι κατηγορίες: απαγωγή θερμότητας, επιλογή, δομή ρότορα, θόρυβος κραδασμών , αποτελεσματικός σχεδιασμός, ρουλεμάν.

 

01. Το πρόβλημα της απαγωγής θερμότητας

 

Η απώλεια κινητήρα αυξάνεται με τον γεωμετρικό αριθμό ταχυτήτων και η θερμότητα που παράγεται από μεγάλες απώλειες αυξάνει την άνοδο της θερμοκρασίας του κινητήρα εξαιρετικά γρήγορα, για να διατηρηθεί η λειτουργία υψηλής ταχύτητας, είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί μια μέθοδος ψύξης με καλή απαγωγή θερμότητας. Μπορούμε να δούμε ότι οι συνήθεις μέθοδοι ψύξης κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι:

 

"Εσωτερική εξαναγκασμένη ψύξη αέρα" όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, δυνατός ψυχρός αέρας μπορεί να φυσήξει απευθείας στον κινητήρα για να αφαιρέσει τη θερμότητα στην περιέλιξη και τον πυρήνα, αυτός ο τρόπος εμφανίζεται γενικά σε αεροσυμπιεστές, φυσητήρες, κινητήρες αεροσκαφών και άλλες περιπτώσεις όπου είναι ισχυρή άνεμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί.

2 "εσωτερική ψύξη λαδιού" Στο περιβάλλον εφαρμογής όπου ο κινητήρας πρέπει να είναι κλειστός και προστατευμένος ή ο δυνατός άνεμος, η πιο χρησιμοποιούμενη είναι η μέθοδος εσωτερικής ψύξης λαδιού, όπως ο συνδυασμός ψύξης λαδιού στην αυλάκωση του στάτη που χρησιμοποιείται στην υψηλή κινητήρας ταχύτητας σχεδιασμένος από την AVL. Ορισμένοι κινητήρες υιοθετούν επίσης έναν συνδυασμό ψύξης με έγχυση λαδιού περιέλιξης και ψύξης λαδιού στάτορα και ψύξης λαδιού ρότορα και ούτω καθεξής.

Προκειμένου να επιτευχθεί υψηλή πυκνότητα ισχύος, η παραγωγή θερμότητας και η ψύξη είναι σημαντικά ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι κινητήρες υψηλής ταχύτητας.

 

02. Πρόβλημα επιλογής κινητήρα

 

Κινητήρας μόνιμου μαγνήτη ή κινητήρας επαγωγής; Είτε πρόκειται για άλλους τύπους κινητήρων, όπως η απροθυμία μεταγωγής, η επιλογή του τύπου κινητήρα υψηλής ταχύτητας ήταν πάντα μια ερώτηση χωρίς τυπική απάντηση. Γενικά, από την άποψη της πυκνότητας ισχύος και της απόδοσης, είναι πλεονεκτικό να επιλέγουμε κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, ενώ οι επαγωγικοί κινητήρες και οι κινητήρες μεταγωγής απροθυμίας επιλέγονται από την αξιοπιστία. Ωστόσο, λόγω του μεγάλου θορύβου δόνησης, η εφαρμογή της απροθυμίας μεταγωγής είναι μικρότερη.

 

 

Το παρακάτω σχήμα είναι ο νόμος κατανομής τύπου των κινητήρων υψηλής ταχύτητας υπό διαφορετικές ταχύτητες και ισχύς και η "ισχύς * τιμή ταχύτητας" του κινητήρα σχεδιάζεται ως καμπύλη περιγράμματος και μπορούμε να βρούμε κάποιο γενικό πλαίσιο: "Σε εξαιρετικά υψηλά εφαρμογές, οι επαγωγικοί κινητήρες είναι οι περισσότερες και οι επαγωγικοί κινητήρες και οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη συνυπάρχουν σε εφαρμογές υψηλής ταχύτητας». Εφόσον τηρείται αυτή η αρχή, μπορούμε να επιλέξουμε τον τύπο του κινητήρα σύμφωνα με τις ανάγκες εντός της σειράς.

03. Προβλήματα με τη δομή του ρότορα

 

Η φυγόκεντρη τάση που πρέπει να υπερνικήσει η δομή του ρότορα του κινητήρα υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιείται γενικά στην περιοχή "υψηλής ταχύτητας", στο μεταλλικό περίβλημα, στην ίδια τη δομή του ρότορα (όπως ο σκελετός ψαριών των lpm, η δομή του ρότορα του IM) κ.λπ., και η περιέλιξη από ανθρακονήματα χρησιμοποιείται στην περιοχή «υπερυψηλής ταχύτητας» ή απλώς μετατρέπει τον ρότορα σε μια συμπαγή ενσωματωμένη δομή, όπως ο κινητήρας του σφονδύλου αποθήκευσης ενέργειας.

Οι περισσότεροι κινητήρες υψηλής ταχύτητας μόνιμου μαγνήτη χρησιμοποιούν τη δομή του περιβλήματος του ρότορα και αυτός ο σχεδιασμός είναι επίσης πολύ συγκεκριμένος, δηλαδή για την προστασία του μόνιμου μαγνήτη και την πρόληψη της βλάβης του περιβλήματος. Επομένως, προσπαθήστε να αποφύγετε τη συγκέντρωση τάσεων, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, εάν ο μαγνήτης δεν γεμίσει ολόκληρη την περιφέρεια, θα υπάρχει συγκέντρωση τάσης στο περίβλημα και τον μαγνήτη, γι' αυτό ο κινητήρας μόνιμου μαγνήτη υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιεί έναν πλήρη δακτύλιο μαγνήτης, αν όχι ένας πλήρης δακτύλιος χρησιμοποιείται επίσης για να γεμίσει την περιφέρεια.

04. Το πρόβλημα του θορύβου δόνησης

 

Το πρόβλημα του θορύβου των κραδασμών είναι ένα σημαντικό εμπόδιο για τους κινητήρες υψηλής ταχύτητας. Σε σύγκριση με τους συνηθισμένους κινητήρες, υπάρχουν προβλήματα κραδασμών που προκαλούνται από τη δυναμική του ρότορα, όπως το πρόβλημα κρίσιμης ταχύτητας του ρότορα και το πρόβλημα δόνησης εκτροπής του άξονα. Υπάρχει επίσης το πρόβλημα του ουρλιαχτού που προκαλείται από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη υψηλής συχνότητας και η συχνότητα ηλεκτρομαγνητικής δύναμης του κινητήρα υψηλής ταχύτητας είναι υψηλότερη, το εύρος διανομής είναι ευρύτερο και είναι εύκολο να διεγείρεται ο συντονισμός του συστήματος στάτορα.

Προκειμένου να αποφευχθούν οι κραδασμοί κρίσιμης ταχύτητας, ο σχεδιασμός του ρότορα των κινητήρων υψηλής ταχύτητας είναι πολύ κρίσιμος και απαιτεί αυστηρή ανάλυση και δοκιμή τρόπων. Ο λόγος μήκους προς διάμετρο πρέπει να χρησιμοποιηθεί ως μεταβλητή βελτιστοποίησης στο σχεδιασμό: ο σχεδιασμός του ρότορα είναι πολύ παχύς και κοντός, γεγονός που μπορεί να αυξήσει το ανώτερο όριο της κρίσιμης ταχύτητας και δεν είναι επιρρεπές σε συντονισμό, αλλά η δυσκολία του ρότορας για να ξεπεραστεί η φυγόκεντρη τάση αυξάνεται. Με τη σειρά του, ο σχεδιασμός του ρότορα είναι λεπτός, το πρόβλημα της φυγόκεντρης αντοχής βελτιώνεται, αλλά η κρίσιμη ταχύτητα μετατοπίζεται, η πιθανότητα συντονισμού αυξάνεται και η ηλεκτρομαγνητική ισχύς θα μειωθεί επίσης. Επομένως, η σχεδίαση του ρότορα πρέπει να εξισορροπείται επανειλημμένα, κάτι που αποτελεί την κορυφαία προτεραιότητα του σχεδιασμού του κινητήρα υψηλής ταχύτητας.

 

 

05. Αποτελεσματικές ερωτήσεις

 

Οι απώλειες κινητήρα αυξάνονται με τον γεωμετρικό αριθμό ταχυτήτων, οι υψηλές απώλειες κάνουν την απόδοση του κινητήρα να μειώνεται γρήγορα, για να επιτευχθεί υψηλή απόδοση, πρέπει να αντιμετωπιστούν όλα τα είδη απωλειών. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την κατανάλωση σιδήρου, προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες δινορευμάτων, χρησιμοποιούνται γενικά εξαιρετικά λεπτά φύλλα πυριτίου από 0,10mm και 0,08 mm. Οι εξαιρετικά λεπτές γκοφρέτες μπορούν να μειώσουν τις απώλειες δινορεύματος, αλλά δεν μπορούν να βελτιώσουν τις απώλειες υστέρησης, επομένως η απώλεια υστέρησης σιδήρου των εξαιρετικά λεπτών φύλλων αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος, ενώ η απώλεια δινορεύματος στα συνηθισμένα φύλλα αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος. Για να βελτιώσετε την απώλεια υστέρησης, μπορείτε να ξεκινήσετε από τους ακόλουθους τρεις τρόπους:

 

1. Βελτιστοποιήστε τη σχεδίαση του μαγνητικού κυκλώματος για τη βελτίωση της ημιτονικότητας του μαγνητικού πεδίου και τη μείωση της αρμονικής κατανάλωσης σιδήρου.

2. Μειώστε το μαγνητικό φορτίο, αυξήστε το θερμικό φορτίο και μειώστε τη βασική κατανάλωση σιδήρου.

3. Ξεκινώντας από την επιλογή υλικού, επιλέξτε φύλλα πυριτίου με μικρή απώλεια υστέρησης.

Εκτός από την κατανάλωση σιδήρου, οι κινητήρες υψηλής ταχύτητας δίνουν επίσης ιδιαίτερη προσοχή στις απώλειες εναλλασσόμενου ρεύματος, οι οποίες προκαλούνται από τη διείσδυση ξηρών εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων υψηλής συχνότητας, που συχνά εμφανίζονται έξω από τον μαγνήτη, το μεταλλικό περίβλημα και τις επιφάνειες περιέλιξης του στάτη. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την απώλεια εναλλασσόμενου ρεύματος μαγνήτη, η συνήθως χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι η διαίρεση του μαγνήτη σε πολλαπλά τμήματα, τα οποία μπορεί να είναι ακτινικά ή αξονικά τμήματα. Η τμηματοποίηση μπορεί να μειώσει την περιοχή κυκλοφορίας δινορευμάτων και να μειώσει την απώλεια εναλλασσόμενου ρεύματος, το παρακάτω σχήμα είναι η προσομοίωση του πεδίου δινορευμάτων μετά την τμηματοποίηση, μπορεί να φανεί ότι όσο περισσότερα τεμαχισμένα σωματίδια, τόσο μικρότερη είναι η απώλεια AC. Υπάρχουν περισσότερες λύσεις από την κατάτμηση, οι οποίες περιορίζονται στον χώρο και δεν επεκτείνονται.

Το στοιχείο μαγνητικού πεδίου με την υψηλότερη συχνότητα στον κινητήρα υψηλής ταχύτητας εισάγεται από τον φορέα PWM του μετατροπέα, επειδή η αρχή λειτουργίας της διαμόρφωσης παλμού αναπόφευκτα παράγει αρμονικές ρεύματος υψηλής συχνότητας, οι οποίες με τη σειρά τους παράγουν περαιτέρω μαγνητικό πεδίο υψηλής συχνότητας και το μαγνητικό πεδίο υψηλής συχνότητας διεισδύει στην επιφάνεια του μαγνήτη και του στάτορα και του ρότορα για να παράγει απώλεια υψηλής συχνότητας. Ορισμένοι κινητήρες υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούν δομή μετάδοσης κίνησης πολλαπλών επιπέδων για τη βελτίωση των αρμονικών της πλευρικής ζώνης PWM.

06. Προβλήματα ρουλεμάν

Η επιλογή ρουλεμάν κινητήρων υψηλής ταχύτητας είναι ένα βασικό ζήτημα και γενικά υπάρχουν τέσσερις κατηγορίες μαγνητικής αιώρησης, ρουλεμάν αέρα, συρόμενα μηχανικά ρουλεμάν και σφαιρικά μηχανικά ρουλεμάν. Τα μαγνητικά ρουλεμάν χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές με υψηλότερη ισχύ και τα ρουλεμάν αέρα χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές με μικρότερη ισχύ και μέγεθος. Τα μηχανικά ρουλεμάν απαιτούν συχνά λίπανση λαδιού και είναι περιορισμένα σε πολλές εφαρμογές χωρίς λάδι.

Υπάρχουν ακόμη πολλά βασικά προβλήματα και τεχνολογίες των κινητήρων υψηλής ταχύτητας και αυτά τα προβλήματα πρέπει να αντιμετωπιστούν ταυτόχρονα, κάτι που είναι σχετικά υψηλό και δύσκολο σε σύγκριση με τους συνηθισμένους κινητήρες. Η ανάγκη υιοθέτησης του σχεδιασμού πολυφυσικής ζεύξης δύναμης-μαγνητικού-θερμικού-NVH είναι μια νέα πρόκληση και μια νέα ευκαιρία.

Αυτό το άρθρο εισάγει οκτώ κατηγορίες εφαρμογών και έξι βασικές τεχνολογίες κινητήρων υψηλής ταχύτητας. Γενικά, οι κινητήρες υψηλής ταχύτητας είναι μια πολλά υποσχόμενη και τεχνικά απαιτητική εφαρμογή. Ορισμένες τεχνολογίες φαίνονται πολύ μακριά από εμάς, αλλά από την προοπτική της ανάπτυξης, μπορούμε να δούμε ότι η φλέβα της «ρηχής υψηλής ταχύτητας - μεσαίας-υψηλής ταχύτητας - εξαιρετικά υπερυψηλής ταχύτητας» έχει εξελιχθεί. Σε σύγκριση με πριν από δέκα χρόνια, οι 10,000 ή 20000 περιστροφικοί κινητήρες είναι πλέον συνηθισμένοι. Επομένως, η υψηλή ταχύτητα είναι «μακροπρόθεσμος» και σιγά σιγά θα αλλάξει το πρότυπο του κλάδου. Επομένως, είτε αναζητά ευκαιρίες σε νέους τομείς είτε βελτιώνει την ανταγωνιστικότητα των υπαρχόντων προϊόντων, η τεχνολογία υψηλής ταχύτητας είναι ένας τομέας που αξίζει μακροπρόθεσμη επένδυση.