Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi: projektowanie i zastosowanie konstrukcji wirnika do-pracy z dużymi prędkościami w-środowiskach o wysokiej temperaturze

W-zaawansowanych dziedzinach, takich jak przemysł lotniczy i kosmiczny, poszukiwania ropy naftowej,-produkcja wysokiej klasy sprzętu i pojazdy wykorzystujące nowe źródła energii,-duże prędkościsilniki synchroniczne z magnesami trwałymi(PMSM) w środowiskach-o wysokiej temperaturze stały się podstawowymi elementami systemów napędowych ze względu na ich podstawowe zalety, takie jak wysoka wydajność, oszczędność energii, duża gęstość mocy i duża szybkość reakcji. Jako kluczowy nośnik konwersji energii silnika, konstrukcja konstrukcji wirnika bezpośrednio określa stabilność operacyjną, moc wyjściową i żywotność silnika w podwójnych trudnych warunkach pracy, takich jak wysoka temperatura (zwykle odnosząca się do temperatury roboczej większej lub równej 150 stopni) i duża prędkość (prędkość obrotowa większa lub równa 10000 obr/min). Łącząc branżowe praktyki techniczne z najnowszymi wynikami badań, w tym artykule szczegółowo opisano główne punkty projektu, główne typy, dobór materiałów i strategie optymalizacji konstrukcji wirnika szybkich-PMSM w-środowiskach o wysokiej temperaturze, zapewniając profesjonalne odniesienia dla praktyków w branży i ułatwiając unowocześnianie powiązanych technologii i wdrażanie produktów.

Superpozycja podwójnych warunków pracy w wysokiej-temperaturze i-dużej prędkości stawia trzy podstawowe, rygorystyczne wymagania dotyczące konstrukcji wirnika: po pierwsze, odporność na wysoką temperaturę i zapobieganie-rozmagnesowaniu. Wysoka temperatura doprowadzi do osłabienia właściwości magnetycznych magnesów trwałych, a nawet do nieodwracalnej demagnetyzacji, bezpośrednio wpływając na moc wyjściową silnika; po drugie, zapobieganie-odśrodkowi i-zrzucaniu. Ogromna siła odśrodkowa generowana przez-obroty z dużą prędkością może powodować zagrożenia bezpieczeństwa, takie jak deformacja konstrukcji wirnika i zrzucanie magnesów trwałych; po trzecie, kontrola niskich strat i wzrostu temperatury. Strata prądu wirowego wirnika będzie rosła wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, powodując dalszy wzrost temperatury, tworząc błędne koło „rozmagnesowania - strat - w wysokiej temperaturze”. Dlatego projekt konstrukcji wirnika musi równoważyć trzy podstawowe wymagania: odporność na wysoką temperaturę,-siłę odśrodkową i niskie straty.

Obecnie konstrukcje wirników charakteryzują się-dużą prędkościąsilniki synchroniczne z magnesami trwałymiPMSM odpowiednie do środowisk-o wysokiej temperaturze dzielą się głównie na trzy kategorie: montowane-wewnętrznie,-montowane na powierzchni i kompozytowe. Każdy typ konstrukcji skupia się w inny sposób na logice projektowania i wyborze materiałów zgodnie z obowiązującymi scenariuszami, biorąc pod uwagę praktyczność i niezawodność oraz uwzględniając potrzeby różnych warunków pracy w wysokiej-temperaturze i-szybkościach.

Konstrukcja wirnika montowana wewnętrznie-jest najpowszechniej stosowanym typem w scenariuszach-wysokiej temperatury i dużych-prędkości. Jego główną zaletą jest to, że magnesy trwałe są osadzone wewnątrz rdzenia wirnika, co pozwala uniknąć bezpośredniego narażenia magnesów trwałych na działanie środowiska o wysokiej-temperaturze, a jednocześnie polega na tym, że struktura rdzenia poprawia wytrzymałość mechaniczną wirnika i jest odporna na siłę odśrodkową-o dużej prędkości. Strukturę tę można dalej podzielić na wbudowane i wewnętrzne struktury barier magnetycznych. Wbudowana struktura mocuje magnesy trwałe w szczelinach rdzenia wirnika i wzmacnia je klejami odpornymi na wysokie-temperatury, aby zapobiec przesuwaniu się magnesów trwałych podczas-obracania się z dużą prędkością; struktura wewnętrznej bariery magnetycznej blokuje ścieżkę prądów wirowych poprzez ustawienie wielu warstw barier magnetycznych, zmniejsza straty prądu wirowego wirnika, obniża amplitudę wzrostu temperatury, a jednocześnie poprawia efekt ekranowania magnetycznego, chroniąc magnesy trwałe przed zakłóceniami zewnętrznego pola magnetycznego.

Wewnętrznie-montowana konstrukcja wirnika nadaje się do scenariuszy o prędkości obrotowej 10000-30000 obr/min i temperaturze roboczej 150-250 stopni, takich jak silniki obsługujące silniki lotnicze-i silniki pomp-wysokotemperaturowych. Jeśli chodzi o dobór materiału, w rdzeniu wirnika zastosowano głównie blachy ze stali krzemowej nieorientowanej-o stratach-o grubości 0,2 mm lub mniejszej, takie jak Baosteel B20AT1200, które mogą skutecznie zmniejszyć straty w rdzeniu; magnesy trwałe preferują wysokotemperaturową stal magnetyczną-samarową-kobaltową (SmCo) lub stal magnetyczną wysoko-neodymową-żelazową-borową (NdFeB). Wśród nich stal magnetyczna SmCo ma temperaturę Curie 700-800 stopni, co pozwala skutecznie uniknąć rozmagnesowania w wysokiej temperaturze i zaspokoić potrzeby scenariuszy średnio- i wysokotemperaturowych.

Konstrukcja wirnika montowana-na powierzchni wykorzystuje konstrukcję, w której magnesy trwałe są bezpośrednio wklejone na powierzchnię wirnika, co ma zalety w postaci prostej konstrukcji, wysokiej wydajności sprzężenia magnetycznego i dużej gęstości mocy, a także nadaje się do stosowania w scenariuszach z dużą-prędkością i wysoką-gęstością mocy-w wysokich temperaturach. Aby sprostać wyzwaniom związanym z wysoką temperaturą i dużą prędkością, konstrukcja ta musi skupiać się na rozwiązaniu problemów związanych z mocowaniem magnesów trwałych i zapobieganiem-rozmagnesowaniu: magnesy trwałe są wybierane spośród stali magnetycznej SmCo o doskonałej-odporności na wysokie temperatury lub nowych magnesów samar-żelazo-azot (SmFeN). Wśród nich magnesy SmFeN mają temperaturę Curie sięgającą 470 stopni, mogą nadal utrzymywać silny magnetyzm powyżej 200 stopni i mogą osiągnąć stabilną pracę w wysokich temperaturach bez ciężkich pierwiastków ziem rzadkich; jednocześnie na powierzchnię magnesów trwałych nawijana jest-tuleja ochronna o wysokiej wytrzymałości, głównie z użyciem tulei kompozytowych z włókna węglowego, których wytrzymałość na rozciąganie jest 3-5 razy większa niż w przypadku tradycyjnych metali, a także nie jest-magnetyczna ani-przewodząca, co skutecznie wytrzymuje siłę odśrodkową przy dużych prędkościach, pozwala uniknąć strat prądu wirowego i zmniejsza wzrost temperatury.

Ponadto konstrukcja wirnika montowana-na powierzchni może jeszcze bardziej zmniejszyć straty prądów wirowych i zoptymalizować efekt rozpraszania ciepła, otwierając obwodowe płytkie rowki na tulei i dodając miedziane pierścienie ekranujące pomiędzy magnesami trwałymi a tuleją. Nadaje się do scenariuszy o prędkości obrotowej 20000-40000 obr/min i temperaturze roboczej 180–300 stopni, takich jak nowe silniki napędowe pojazdów energetycznych i szybkie silniki wspomagające sprężarki.

Kompozytowa konstrukcja wirnika to zoptymalizowana konstrukcja łącząca zalety konstrukcji montowanych-wewnętrznie i-na powierzchni. Jego rdzeń polega na tym, że część magnesów trwałych jest osadzona w rdzeniu wirnika, a część jest wklejona na powierzchnię wirnika, biorąc pod uwagę wytrzymałość mechaniczną i właściwości magnetyczne. Rdzeń wirnika tej konstrukcji jest wykonany z-odpornych na wysokie temperatury arkuszy stali krzemowej lub laminowanego miękkiego kompozytu magnetycznego (SMC). Materiał SMC ma izotropową przenikalność magnetyczną, która może skutecznie tłumić-utratę prądu wirowego o wysokiej częstotliwości i nadaje się do scenariuszy związanych z dużą-prędkością i-wysoką częstotliwością; wbudowane magnesy trwałe poprawiają odporność silnika na przeciążenia,-magnesy trwałe montowane powierzchniowo poprawiają gęstość mocy, a straty prądu wirowego są redukowane poprzez optymalizację konstrukcji obwodu magnetycznego.

Aby jeszcze bardziej poprawić-odporność na wysokie temperatury, kompozytowa konstrukcja wirnika jest zwykle wyposażona we wbudowane-kanały chłodzące, a technologia chłodzenia oleju służy do wprowadzania cieczy chłodzącej do wirnika w celu jednoczesnego chłodzenia stali magnetycznej i łożysk, skutecznie kontrolując temperaturę wirnika, która jest odpowiednia dla temperatury roboczej 200–300 stopni.