Sześć kluczowych technologii dla silników o dużej prędkości

Sześć kluczowych technologii dla silników szybkoobrotowych

„Dzięki pogoni za mniejszymi rozmiarami i większą mocą prędkość silnika wzrosła od dwóch do trzech tysięcy obrotów na początku, aż do dziesiątek tysięcy do setek tysięcy obrotów, a wyższa prędkość poprawiła gęstość mocy i wykorzystanie surowców.” Dlatego wysoka prędkość jest silnym trendem, biorąc za przykład nowy napęd energetyczny, maksymalna prędkość pierwszej generacji Toyoty Prius wynosi zaledwie 6000 obr/min, a prędkość produktu czwartej generacji sięga 17000 obr/min. W tym numerze przyjrzymy się z szerszej perspektywy zastosowaniom silników szybkobieżnych i kluczowym technologiom stojącym za nimi. "

Wysoka prędkość i bardzo wysoka prędkość mają szerokie perspektywy zastosowań, ale jednocześnie stawiają przed silnikiem niezwykle wysokie wyzwania. Łączymy te problemy w tej samej kategorii i stwierdzamy, że istnieje sześć kategorii: rozpraszanie ciepła, dobór, struktura wirnika, hałas wibracyjny , wydajna konstrukcja, łożyska.

 

01. Problem odprowadzania ciepła

 

Straty silnika rosną wraz z geometryczną liczbą prędkości, a ciepło wytwarzane przez duże straty bardzo szybko zwiększa wzrost temperatury silnika, aby utrzymać działanie z dużą prędkością, konieczne jest zaprojektowanie metody chłodzenia z dobrym odprowadzaniem ciepła. Widzimy, że popularne metody chłodzenia silników o dużej prędkości to:

 

„Wewnętrzne wymuszone chłodzenie powietrzem”, jak pokazano na poniższym rysunku, silne zimne powietrze może bezpośrednio wdmuchnąć do silnika, aby odebrać ciepło z uzwojenia i rdzenia, w ten sposób zwykle pojawia się w sprężarkach powietrza, dmuchawach, silnikach lotniczych i innych przypadkach, w których silne można wykorzystać wiatr.

2 „wewnętrzne chłodzenie oleju” W środowisku aplikacji, w którym silnik musi być zamknięty i chroniony lub przy silnym wietrze, najczęściej stosowana jest metoda wewnętrznego chłodzenia oleju, taka jak połączenie chłodzenia oleju w rowku stojana, stosowane w wysoko- silnik prędkości zaprojektowany przez AVL. Niektóre silniki przyjmują również kombinację chłodzenia wtrysku oleju uzwojenia plus chłodzenia oleju stojana plus chłodzenia oleju wirnika i tak dalej.

Aby osiągnąć wysoką gęstość mocy, wytwarzanie ciepła i chłodzenie to ważne kwestie, którym muszą stawić czoła silniki o dużej prędkości.

 

02. Problem z wyborem silnika

 

Silnik z magnesami trwałymi czy silnik indukcyjny? Niezależnie od tego, czy chodzi o inne typy silników, takie jak przełączane silniki reluktancyjne, wybór typu silnika szybkoobrotowego zawsze był pytaniem bez standardowej odpowiedzi. Generalnie z punktu widzenia gęstości mocy i sprawności korzystne jest dobieranie silników z magnesami trwałymi, podczas gdy silniki indukcyjne i komutowane silniki reluktancyjne wybiera się z niezawodności. Jednak ze względu na duży hałas wibracyjny zastosowanie przełączanej reluktancji jest mniejsze.

 

 

Poniższy rysunek przedstawia prawo rozkładu typów silników o dużej prędkości przy różnych prędkościach i mocach, a „moc * wartość prędkości” silnika jest rysowana jako krzywa konturowa i możemy znaleźć ogólny kontekst: „W ultra-wysokiej zastosowań, większość stanowią silniki indukcyjne, a silniki indukcyjne i silniki z magnesami trwałymi współistnieją w zastosowaniach wymagających dużych prędkości”. Tak długo, jak przestrzega się tej zasady, możemy wybrać typ silnika zgodnie z potrzebami w zakresie.

03. Problemy z budową wirnika

 

Naprężenie odśrodkowe, które musi pokonać struktura wirnika silnika o dużej prędkości, jest zwykle stosowane w zakresie „wysokiej prędkości”, metalowej osłonie, samej konstrukcji wirnika (takiej jak szkielet ryby lpm, struktura wirnika IM) itp., a uzwojenie z włókna węglowego jest używane w zakresie „ultra-wysokiej prędkości” lub po prostu przekształca wirnik w solidną zintegrowaną strukturę, taką jak silnik koła zamachowego magazynującego energię.

Większość szybkich silników z magnesami trwałymi wykorzystuje strukturę osłony wirnika, a ta konstrukcja jest również bardzo szczególna, to znaczy chroni magnes trwały i zapobiega uszkodzeniu osłony. Dlatego staraj się unikać koncentracji naprężeń, jak pokazano na poniższym rysunku, jeśli magnes nie wypełni całego obwodu, nastąpi koncentracja naprężeń na osłonie i magnesie, dlatego szybki silnik z magnesami trwałymi wykorzystuje kompletny pierścień magnes, jeśli nie cały pierścień jest również używany do wypełnienia obwodu.

04. Problem hałasu wibracyjnego

 

Problem hałasu wibracyjnego jest główną przeszkodą dla silników szybkoobrotowych. W porównaniu ze zwykłymi silnikami występują problemy z wibracjami spowodowane dynamiką wirnika, takie jak problem prędkości krytycznej wirnika i problem wibracji ugięcia wału. Istnieje również problem wycia spowodowanego siłą elektromagnetyczną o wysokiej częstotliwości, a częstotliwość siły elektromagnetycznej silnika o dużej prędkości jest wyższa, zakres dystrybucji jest szerszy i łatwo jest stymulować rezonans układu stojana.

Aby uniknąć krytycznych drgań prędkości, konstrukcja wirnika silników szybkoobrotowych jest bardzo ważna i wymaga rygorystycznej analizy modalnej i testów. Stosunek długości do średnicy musi być stosowany jako zmienna optymalizacyjna w projekcie: konstrukcja wirnika jest zbyt gruba i krótka, co może zwiększyć górną granicę prędkości krytycznej i nie jest podatna na rezonans, ale trudność wirnika, aby przezwyciężyć wzrost naprężeń odśrodkowych. Z kolei konstrukcja wirnika jest smuklejsza, poprawia się problem siły odśrodkowej, ale prędkość krytyczna jest przesunięta, prawdopodobieństwo rezonansu wzrasta, a moc elektromagnetyczna również maleje. Dlatego projekt wirnika musi być wielokrotnie wyważany, co jest najwyższym priorytetem w projektowaniu silników o dużej prędkości.

 

 

05. Skuteczne pytania

 

Straty silnika rosną wraz z geometryczną liczbą prędkości, wysokie straty powodują szybki spadek wydajności silnika, aby osiągnąć wysoką wydajność, należy zarządzać wszystkimi rodzajami strat. Biorąc na przykład zużycie żelaza, w celu zmniejszenia strat w wyniku prądów wirowych zwykle stosuje się ultracienkie blachy ze stali krzemowej o grubości 0,10 mm i 0,08 mm. Ultracienkie płytki mogą zmniejszyć straty spowodowane prądami wirowymi, ale nie mogą poprawić strat histerezy, więc utrata histerezy żelaza w ultracienkich arkuszach stanowi większość, podczas gdy straty prądów wirowych w zwykłych arkuszach stanowią większość. Aby poprawić utratę histerezy, możesz zacząć od następujących trzech sposobów:

 

1. Zoptymalizuj projekt obwodu magnetycznego, aby poprawić sinusoidę pola magnetycznego i zmniejszyć harmoniczne zużycie żelaza;

2. Zmniejsz obciążenie magnetyczne, zwiększ obciążenie cieplne i zmniejsz podstawowe zużycie żelaza;

3. Rozpoczynając od doboru materiału, wybierz blachy ze stali krzemowej o małej stracie histerezy.

Oprócz zużycia żelaza, szybkie silniki zwracają również szczególną uwagę na straty prądu przemiennego, które są spowodowane penetracją suchych, zmiennych pól magnetycznych o wysokiej częstotliwości, często pojawiających się na zewnątrz magnesu, metalowej osłony i powierzchni uzwojenia stojana. Biorąc za przykład straty prądu przemiennego magnesu, powszechnie stosowaną metodą jest podzielenie magnesu na wiele segmentów, które mogą być segmentami promieniowymi lub segmentami osiowymi. Segmentacja może zmniejszyć obszar cyrkulacji prądów wirowych i zmniejszyć straty prądu przemiennego, poniższy rysunek jest symulacją pola prądów wirowych po segmentacji, można zauważyć, że im więcej cząstek podzielonych na segmenty, tym mniejsze straty prądu przemiennego. Istnieje więcej rozwiązań niż segmentacja, które ograniczają się do przestrzeni i nie rozszerzają.

Składowa pola magnetycznego o najwyższej częstotliwości w szybkim silniku jest wprowadzana przez nośnik PWM falownika, ponieważ zasada działania modulacji impulsowej nieuchronnie wytwarza harmoniczne prądu o wysokiej częstotliwości, które z kolei dalej wytwarzają pole magnetyczne o wysokiej częstotliwości , a pole magnetyczne o wysokiej częstotliwości przenika do powierzchni magnesu oraz stojana i wirnika, powodując utratę wysokiej częstotliwości. Niektóre szybkie silniki wykorzystują wielopoziomową strukturę napędu w celu poprawy harmonicznych pasma bocznego PWM.

06. Problemy z łożyskami

Dobór łożysk do silników o dużej prędkości jest kluczową kwestią i generalnie istnieją cztery kategorie lewitacji magnetycznej, łożyska powietrzne, łożyska mechaniczne ślizgowe i łożyska kulkowe. Łożyska magnetyczne są używane w aplikacjach o większej mocy, a łożyska powietrzne są używane w aplikacjach o mniejszej mocy i rozmiarze. Łożyska mechaniczne często wymagają smarowania olejem i są ograniczone w wielu zastosowaniach bezolejowych.

Nadal istnieje wiele kluczowych problemów i technologii silników o dużej prędkości, a problemy te muszą być rozwiązywane w tym samym czasie, co jest stosunkowo wysokie i trudne w porównaniu ze zwykłymi silnikami. Konieczność przyjęcia projektu wielofizycznego sprzężenia siła-magnetyk-termia-NVH jest nowym wyzwaniem i nową szansą.

W tym artykule przedstawiono osiem kategorii zastosowań i sześć kluczowych technologii silników szybkoobrotowych. Ogólnie rzecz biorąc, silniki szybkoobrotowe są obiecującym i wymagającym technicznie zastosowaniem. Niektóre technologie wydają się nam odległe, ale z perspektywy rozwoju widać, że żyła „płytka wysoka prędkość – średnia-wysoka prędkość – ultra-ultra-wysoka prędkość” ewoluuje. W porównaniu z dziesięcioma laty, 10,{9}} lub 20,{11}} silników obrotowych jest teraz powszechne. Dlatego duża prędkość jest „długokresowością” i powoli zmieni model branży. Dlatego czy to szukanie możliwości w nowych dziedzinach, czy poprawa konkurencyjności istniejących produktów, szybka technologia jest obszarem wartym inwestycji długoterminowych.