Nuolatiniai magnetiniai sinchroniniai varikliai: rotoriaus konstrukcijos projektavimas ir pritaikymas dideliu greičiu{0}}dirbti aukštoje{1}}temperatūroje

Aukštos{0}}pagalbos srityse, pvz., kosmoso, naftos žvalgymo, aukščiausios-įrangos gamybos ir naujų energetinių transporto priemonių, didelės spartos{2}}nuolatinio magneto sinchroniniai varikliai(PMSM) aukštos -temperatūros aplinkoje tapo pagrindiniais pavaros sistemų komponentais dėl pagrindinių pranašumų – didelio efektyvumo, energijos taupymo, didelio galios tankio ir greito atsako greičio. Kaip pagrindinis variklio energijos keitimo elementas, rotoriaus konstrukcijos konstrukcija tiesiogiai lemia variklio veikimo stabilumą, galią ir eksploatavimo trukmę dvejopomis atšiauriomis darbo sąlygomis: aukšta temperatūra (dažniausiai kalbant apie darbinę temperatūrą, didesnę nei 150 laipsnių arba lygi) ir dideliu greičiu (sukimosi greitis didesnis arba lygus 10 000 aps./min.). Šiame straipsnyje, kuriame derinama pramonės techninė praktika ir naujausi tyrimų rezultatai, išsamiai aprašomi pagrindiniai projektavimo taškai, pagrindiniai tipai, medžiagų pasirinkimas ir didelio greičio PMSM rotoriaus struktūros optimizavimo strategijos aukštos- temperatūros aplinkoje, suteikiant profesionalią informaciją pramonės specialistams ir palengvinant susijusių technologijų atnaujinimą bei produktų diegimą.

Aukštos{0}}temperatūros ir didelio greičio{1}}dviejų darbo sąlygų superpozicija iškelia tris pagrindinius griežtus rotoriaus konstrukcijos reikalavimus: pirma, atsparumą aukštai temperatūrai ir anti-demagnetizaciją. Aukšta temperatūra susilpnins nuolatinių magnetų magnetines savybes ir netgi negrįžtamai išmagnetins, o tai tiesiogiai paveiks variklio galią; antra, anti-išcentrinis ir anti-išsiskyrimas. Didžiulė išcentrinė jėga, kurią sukuria didelis sukimosi greitis{7}}, gali sukelti pavojų saugai, pvz., rotoriaus konstrukcijos deformaciją ir nuolatinio magneto išsiliejimą; trečia, mažų nuostolių ir temperatūros kilimo kontrolė. Rotoriaus sūkurinės srovės nuostoliai didės didėjant sukimosi greičiui, toliau didindami temperatūrą, sudarydami užburtą „aukštos temperatūros - nuostolių - išmagnetinimo ciklą“. Todėl rotoriaus konstrukcijos konstrukcija turi atitikti tris pagrindinius reikalavimus: atsparumą aukštai temperatūrai, anti-išcentrinę jėgą ir mažus nuostolius.

Šiuo metu rotoriaus konstrukcijos yra{0}}didelio greičionuolatinio magneto sinchroniniai varikliaiPMSM, tinkami aukštai{0}}temperatūros aplinkai, daugiausia skirstomi į tris kategorijas: vidiniai-montuojami, montuojami ant paviršiaus-ir sudėtiniai. Kiekvienas konstrukcijos tipas yra orientuotas į projektavimo logiką ir medžiagų parinkimą pagal taikomus scenarijus, atsižvelgiant į praktiškumą ir patikimumą bei tenkinant skirtingų aukštos{4}}temperatūrų ir{5}}greičių darbo sąlygų poreikius.

Vidinė-montuojama rotoriaus konstrukcija yra plačiausiai naudojamas tipas esant aukštai-temperatūrai ir dideliam{2}}greičiui. Pagrindinis jo privalumas yra tas, kad nuolatiniai magnetai yra įterpti į rotoriaus šerdį, išvengiant tiesioginio nuolatinių magnetų poveikio aukštos-temperatūros aplinkai, o kartu pasikliaujant šerdies struktūra pagerina rotoriaus mechaninį stiprumą ir atsispiria didelio greičio{5}}išcentrinei jėgai. Šią struktūrą galima dar suskirstyti į įterptąsias ir vidines magnetines barjerines struktūras. Įterpta konstrukcija fiksuoja nuolatinius magnetus per rotoriaus šerdies plyšius ir sutvirtina juos aukštai -temperatūrai atspariais klijais, kad nuolatiniai magnetai nepasislinktų sukimosi dideliu -greičiu; vidinė magnetinio barjero struktūra blokuoja sūkurinės srovės kelią, nustatydama kelis magnetinių barjerų sluoksnius, sumažina rotoriaus sūkurinės srovės nuostolius, sumažina temperatūros kilimo amplitudę ir tuo pačiu pagerina magnetinio ekranavimo efektą, kad apsaugotų nuolatinius magnetus nuo išorinių magnetinio lauko trukdžių.

Vidinė-įmontuota rotoriaus konstrukcija tinka scenarijus, kurių sukimosi greitis yra 10 000-30 000 aps Kalbant apie medžiagų pasirinkimą, rotoriaus šerdyje dažniausiai naudojami mažo -nuostolio ne-orientuoto silicio plieno lakštai, kurių storis ne didesnis kaip 0,2 mm, pvz., Baosteel B20AT1200, kuris gali veiksmingai sumažinti šerdies nuostolius; nuolatiniai magnetai teikia pirmenybę aukštos -temperatūrinio samariumo-kobalto (SmCo) magnetiniam plienui arba aukštos{15}}temperatūriniam neodimio-geležies-boro (NdFeB) magnetiniam plienui. Tarp jų, SmCo magnetinio plieno Curie temperatūra yra 700–800 laipsnių, o tai gali veiksmingai išvengti aukštos temperatūros išmagnetinimo ir patenkinti vidutinės ir aukštos temperatūros scenarijų poreikius.

Paviršiaus -montuojamos rotoriaus konstrukcijos dizainas yra toks, kai nuolatiniai magnetai yra įklijuoti tiesiai ant rotoriaus paviršiaus, o tai turi paprastos struktūros, didelio magnetinio sujungimo efektyvumo ir didelio galios tankio privalumus ir yra tinkama didelės-greičio ir didelio-galios tankio aukštoje{3}}temperatūroje. Kad atitiktų aukštos temperatūros ir didelio greičio iššūkius, ši struktūra turi sutelkti dėmesį į nuolatinio magneto fiksavimo ir anti-demagnetinimo problemų sprendimą: nuolatiniai magnetai parenkami iš SmCo magnetinio plieno, pasižyminčio puikiu atsparumu aukštai -temperatūrai, arba naujų samariumo-geležies-azoto (SmFeN) magnetų. Tarp jų SmFeN magnetų Curie temperatūra yra net 470 laipsnių, jie vis tiek gali išlaikyti stiprų magnetizmą virš 200 laipsnių ir gali pasiekti stabilų veikimą aukštoje temperatūroje be sunkiųjų retųjų žemių elementų; tuo pačiu metu ant nuolatinių magnetų paviršiaus apvyniojama didelio stiprumo apsauginė įvorė, daugiausia naudojant anglies pluošto kompozitines įvores, kurių tempiamasis stipris yra 3-5 kartus didesnis nei tradicinių metalų ir yra ne-magnetinis ir ne{16}}laidus išcentriniam atsparumui, o tai gali išvengti didelio srovės nuostolių sumažinti temperatūros kilimą.

Be to, paviršiuje{0}}montuojama rotoriaus konstrukcija gali dar labiau sumažinti sūkurinių srovių nuostolius ir optimizuoti šilumos išsklaidymo efektą, nes ant įvorės atsidaro sekli grioveliai, o tarp nuolatinių magnetų ir įvorės pridedami variniai ekranuojantys žiedai. Jis tinka scenarijams, kai sukimosi greitis yra 20 000-40 000 aps

Sudėtinė rotoriaus konstrukcija yra optimizuotas dizainas, kuriame derinami vidinės -montuojamos ir{1}}paviršinės konstrukcijos pranašumai. Jo esmė yra ta, kad dalis nuolatinių magnetų yra įterpta į rotoriaus šerdį, o dalis įklijuota ant rotoriaus paviršiaus, atsižvelgiant į mechaninį stiprumą ir magnetines savybes. Šios konstrukcijos rotoriaus šerdis yra pagaminta iš aukštai -temperatūrai atsparaus silicio plieno lakštų arba laminuoto minkšto magnetinio kompozito (SMC). SMC medžiaga pasižymi izotropiniu magnetiniu pralaidumu, kuris gali veiksmingai slopinti aukšto-dažnio sūkurinių srovių nuostolius ir yra tinkamas didelio-greičio ir didelio{8}}dažnio scenarijams; įtaisyti nuolatiniai magnetai naudojami variklio perkrovos pajėgumui pagerinti, o paviršiuje montuojami nuolatiniai magnetai – galios tankiui pagerinti, o sūkurinės srovės nuostoliai sumažinami optimizuojant magnetinės grandinės konstrukciją.

Siekiant dar labiau pagerinti atsparumą aukštai -temperatūrai, kompozitinėje rotoriaus konstrukcijoje paprastai yra įmontuoti-aušinimo kanalai, o alyvos aušinimo technologija naudojama aušinimo skysčiui į rotorių įvesti, kad tuo pačiu metu būtų aušinamas magnetinis plienas ir guoliai, efektyviai kontroliuojama rotoriaus temperatūra, kuri yra tinkama 200–300 laipsnių darbinei temperatūrai.