Synchronní motory s permanentními magnety: Návrh a aplikace struktury rotoru pro vysoko{0}}rychlostní provoz v prostředí s vysokou-teplotou

Ve špičkových{0}}oborech, jako je letectví, těžba ropy,-výroba špičkových zařízení a nová energetická vozidla, vysokorychlostní-synchronní motory s permanentními magnety(PMSM) ve vysokoteplotních{0}}prostředích se staly hlavními součástmi systémů pohonů díky jejich základním výhodám vysoké účinnosti, úspory energie, vysoké hustoty výkonu a vysoké rychlosti odezvy. Konstrukce rotoru jako klíčový nosič pro přeměnu energie motoru přímo určuje provozní stabilitu, výstupní výkon a životnost motoru v duálních drsných pracovních podmínkách vysoké teploty (obvykle se vztahuje k provozní teplotě vyšší nebo rovné 150 stupňům) a vysoké rychlosti (otáčky větší nebo rovné 10 000 ot/min). Tento článek, který kombinuje průmyslové technické postupy a nejnovější výsledky výzkumu, podrobně popisuje hlavní body návrhu, hlavní typy, výběr materiálů a optimalizační strategie rotorové struktury vysokorychlostních PMSM ve vysokoteplotním prostředí, poskytuje profesionální reference pro odborníky v oboru a usnadňuje upgrade souvisejících technologií a implementaci produktů.

Superpozice duálních pracovních podmínek při vysokých{0}}teplotách a vysokých{1}}rychlostech klade tři základní přísné požadavky na konstrukci rotoru: zaprvé odolnost vůči vysokým teplotám a anti-demagnetizaci. Vysoká teplota povede k zeslabení magnetických vlastností permanentních magnetů a dokonce k nevratné demagnetizaci, což přímo ovlivní výkon motoru; za druhé, proti-odstředivému a-odlučování. Obrovská odstředivá síla generovaná vysokou-otací pravděpodobně způsobí bezpečnostní rizika, jako je deformace struktury rotoru a uvolnění permanentního magnetu; za třetí, řízení nízkých ztrát a nárůstu teploty. Ztráta vířivých proudů rotoru se bude zvyšovat se zvyšující se rychlostí otáčení, což dále zvyšuje teplotu a vytváří začarovaný kruh „vysokoteplotní - ztráty - demagnetizace“. Konstrukce rotoru proto musí vyvážit tři základní požadavky, kterými jsou odolnost proti vysoké teplotě, anti-odstředivá síla a nízké ztráty.

V současnosti mají rotorové struktury vysokou-rychlostsynchronní motory s permanentními magnetyPMSM vhodné pro-vysokoteplotní prostředí se dělí hlavně do tří kategorií: vnitřní-montáž, povrchová-montáž a kompozitní. Každý typ konstrukce se zaměřuje na logiku návrhu a výběr materiálu podle příslušných scénářů, přičemž bere v úvahu praktičnost a spolehlivost a pokrývá potřeby různých pracovních podmínek při vysokých-teplotách a vysokých{5}}rychlostech.

Vnitřní-struktura rotoru je nejpoužívanějším typem ve scénářích vysokých-teplot a vysokých{2}}rychlostí. Jeho hlavní výhodou je, že permanentní magnety jsou zapuštěny do jádra rotoru, čímž se zabrání přímému vystavení permanentních magnetů prostředí s vysokou teplotou a zároveň se spoléhá na strukturu jádra, která zlepší mechanickou pevnost rotoru a odolá vysokorychlostní odstředivé síle. Tuto strukturu lze dále rozdělit na vestavěné a vnitřní magnetické bariérové ​​struktury. Vestavěná struktura fixuje permanentní magnety skrz štěrbiny jádra rotoru a vyztužuje je vysokoteplotně odolnými lepidly, aby se zabránilo posunu permanentních magnetů během vysokorychlostní rotace; vnitřní magnetická bariérová struktura blokuje dráhu vířivých proudů nastavením několika vrstev magnetických bariér, snižuje ztráty rotoru vířivými proudy, snižuje amplitudu nárůstu teploty a současně zlepšuje účinek magnetického stínění, aby byly permanentní magnety chráněny před vnějším rušením magnetického pole.

Vnitřní -struktura rotoru je vhodná pro scénáře s rychlostí otáčení 10 000-30 000 ot/min a provozní teplotou 150-250 stupňů, jako jsou motory podporující letecké-motory a vysokoteplotní motory čerpadel. Pokud jde o výběr materiálu, jádro rotoru většinou používá nízkoztrátové neorientované plechy z křemíkové oceli o tloušťce 0,2 mm nebo méně, jako je Baosteel B20AT1200, které mohou účinně snížit ztráty jádra; permanentní magnety preferují vysokoteplotní samáriovou-kobaltovou (SmCo) magnetickou ocel nebo vysokoteplotní -neodymovou-železo-boronovou (NdFeB) magnetickou ocel. Mezi nimi má magnetická ocel SmCo Curieovu teplotu 700-800 stupňů, což může účinně zabránit vysokoteplotní demagnetizaci a vyhovět potřebám scénářů střední a vysoké teploty.

Povrchová-struktura rotoru je navržena tak, aby permanentní magnety byly nalepeny přímo na povrch rotoru, což má výhody jednoduché konstrukce, vysoké účinnosti magnetické vazby a vysoké hustoty výkonu a je vhodné pro scénáře s vysokou-rychlostí a vysokou-hustotou výkonu a-teplotou. Aby se tato struktura vyrovnala s problémy spojenými s vysokou teplotou a vysokou rychlostí, musí se zaměřit na řešení problémů s fixací permanentních magnetů a anti-demagnetizací: permanentní magnety jsou vybírány z magnetické oceli SmCo s vynikající -teplotní odolností nebo nových magnetů samarium-železo{8}}dusík (SmFeN). Mezi nimi magnety SmFeN mají Curieovu teplotu až 470 stupňů, stále mohou udržovat silný magnetismus nad 200 stupňů a mohou dosáhnout stabilního provozu při vysokých teplotách bez těžkých vzácných zemin; zároveň je na povrchu permanentních magnetů obalena vysoce{12}}ochranná objímka, která využívá především kompozitní pouzdra z uhlíkových vláken, jejichž pevnost v tahu je 3-5krát větší než u tradičních kovů, a je ne-magnetická a nevodivá, což může účinně snižovat vysokorychlostní odstředivé ztráty proudu a zamezit ztrátě odstředivého proudu při vysokých rychlostech.

Kromě toho může povrchová- struktura rotoru dále snížit ztráty vířivými proudy a optimalizovat účinek odvodu tepla otevřením obvodových mělkých drážek na objímce a přidáním měděných stínících kroužků mezi permanentní magnety a objímku. Je vhodný pro scénáře s rychlostí otáčení 20 000-40 000 ot/min a provozní teplotou 180–300 stupňů , jako jsou hnací motory nových energetických vozidel a motory podporující vysokorychlostní kompresory.

Kompozitní struktura rotoru je optimalizovaná konstrukce kombinující výhody vnitřních -namontovaných a povrchových{1}} struktur. Jeho jádrem je, že část permanentních magnetů je zapuštěna do jádra rotoru a část je nalepena na povrch rotoru, přičemž se bere v úvahu mechanická pevnost a magnetický výkon. Jádro rotoru této konstrukce je vyrobeno z vysokoteplotně odolných silikonových ocelových plechů nebo z laminovaného měkkého magnetického kompozitu (SMC). Materiál SMC má izotropní magnetickou permeabilitu, která dokáže účinně potlačit vysoko-ztráty vířivými proudy a je vhodný pro vysoko-rychlostní a vysokofrekvenční scénáře; vestavěné permanentní magnety se používají ke zlepšení přetížitelnosti motoru a permanentní magnety na povrchu -se používají ke zlepšení hustoty výkonu a ztráta vířivých proudů je snížena optimalizací konstrukce magnetického obvodu.

K dalšímu zlepšení odolnosti vůči vysokým-teplotám je kompozitní konstrukce rotoru obvykle vybavena-vestavěnými chladicími kanály a technologie chlazení olejem se používá k přivádění chladicí kapaliny do rotoru, aby se současně chladila magnetická ocel a ložiska, čímž se účinně řídí teplota rotoru, což je vhodné pro provozní teplotu 200–300 stupňů .