موتورهای سنکرون آهنربای دائمی: طراحی و کاربرد ساختار روتور برای کارکرد با سرعت بالا در محیط‌های با دمای بالا-

در زمینه‌های پیشرفته-مانند هوافضا، اکتشاف نفت، تولید-تجهیزات پیشرفته، و وسایل نقلیه با انرژی جدید،-سرعت بالاموتورهای سنکرون آهنربای دائم(PMSM) در محیط‌های با دمای{0}بالا به دلیل مزایای اصلی آن‌ها مانند راندمان بالا، صرفه‌جویی در مصرف انرژی، چگالی توان بالا و سرعت پاسخگویی سریع، به اجزای اصلی سیستم‌های درایو تبدیل شده‌اند. به عنوان یک حامل کلیدی برای تبدیل انرژی موتور، طراحی ساختار روتور به طور مستقیم پایداری عملیاتی، توان خروجی و طول عمر موتور را تحت شرایط سخت کاری دوگانه دمای بالا (معمولاً به دمای کار بزرگتر یا مساوی 150 درجه اشاره می کند) و سرعت بالا (سرعت چرخش بیشتر یا برابر با 10000r/min) تعیین می کند. این مقاله با ترکیب شیوه‌های فنی صنعت و آخرین نتایج تحقیقات، نکات اصلی طراحی، انواع جریان اصلی، انتخاب مواد و استراتژی‌های بهینه‌سازی ساختار روتور PMSMهای-بالا-در محیط‌های دمای بالا، ارائه مرجع حرفه‌ای برای دست اندرکاران صنعت و تسهیل ارتقاء فناوری‌های مرتبط و اجرای محصول را به تفصیل شرح می‌دهد.

برهم نهی شرایط کار دوگانه-دما و سرعت بالا- سه الزام اصلی سختگیرانه را برای ساختار روتور مطرح می‌کند: اول، مقاومت در برابر دمای بالا و ضد مغناطیس زدایی-. دمای بالا منجر به تضعیف خواص مغناطیسی آهنرباهای دائمی و حتی مغناطیس زدایی غیرقابل برگشت می شود که مستقیماً بر توان خروجی موتور تأثیر می گذارد. دوم، ضد-گریز از مرکز و ضد ریزش-. نیروی گریز از مرکز عظیم ایجاد شده توسط چرخش با سرعت بالا-ممکن است خطرات ایمنی مانند تغییر شکل ساختار روتور و ریزش آهنربای دائمی را ایجاد کند. سوم، کنترل از دست دادن کم و افزایش دما. تلفات جریان گردابی روتور با افزایش سرعت چرخش افزایش می‌یابد، دما را بیشتر می‌کند و یک چرخه معیوب از "دماهای بالا - تلفات - مغناطیس زدایی را تشکیل می‌دهد". بنابراین، طراحی ساختار روتور باید بین سه نیاز اصلی مقاومت در برابر دمای بالا، نیروی ضد{12}}گریز از مرکز و تلفات کم تعادل برقرار کند.

در حال حاضر، ساختارهای روتور با سرعت-بالاموتورهای سنکرون آهنربای دائمPMSMهای مناسب برای محیط‌های با دمای{0}بالا عمدتاً به سه دسته تقسیم می‌شوند: نصب‌شده داخلی، نصب‌شده در سطح-و کامپوزیت. هر نوع سازه بر منطق طراحی و انتخاب متریال با توجه به سناریوهای قابل اجرا تمرکز خاص خود را دارد، با در نظر گرفتن عملی بودن و قابلیت اطمینان، و پوشش نیازهای مختلف-دما و سرعت بالا{5}}شرایط کاری.

ساختار روتور نصب شده داخلی-پرکاربردترین نوع در سناریوهای-درجه حرارت بالا و{2}}سرعت بالا است. مزیت اصلی آن این است که آهنرباهای دائمی در داخل هسته روتور تعبیه شده اند، از قرار گرفتن مستقیم آهنرباهای دائمی در محیط های با دمای بالا جلوگیری می کنند، و در عین حال، با تکیه بر ساختار هسته برای بهبود مقاومت مکانیکی روتور و مقاومت در برابر نیروی گریز از مرکز با سرعت بالا. این ساختار را می توان بیشتر به ساختارهای مانع مغناطیسی تعبیه شده و داخلی تقسیم کرد. ساختار تعبیه شده آهنرباهای دائمی را از طریق شکاف های هسته روتور ثابت می کند و آنها را با چسب های مقاوم در برابر دمای بالا تقویت می کند تا مانع از جابجایی آهنرباهای دائمی در طول چرخش با سرعت بالا شود. ساختار سد مغناطیسی داخلی مسیر جریان گردابی را با قرار دادن چندین لایه موانع مغناطیسی مسدود می کند، تلفات جریان گردابی روتور را کاهش می دهد، دامنه افزایش دما را کاهش می دهد، و در عین حال اثر محافظ مغناطیسی را برای محافظت از آهنرباهای دائمی در برابر تداخل میدان مغناطیسی خارجی بهبود می بخشد.

ساختار روتور نصب‌شده داخلی برای سناریوهایی با سرعت چرخشی 10000-30000r/min و دمای عملیاتی 150-250 درجه، مانند موتورهایی که از موتورهای هوا-و موتورهای پمپ با دمای بالا پشتیبانی می‌کنند، مناسب است. از نظر انتخاب مواد، هسته روتور عمدتاً از ورق‌های فولادی سیلیکونی 0.2 میلی‌متری بدون تلفات کم-غیر{12}}مثل Baosteel B20AT1200 استفاده می‌کند که می‌تواند به طور موثری تلفات هسته را کاهش دهد. آهنرباهای دائمی فولاد مغناطیسی-ساماریوم درجه حرارت بالا-کبالت (SmCo) یا فولاد مغناطیسی-نئودیمیم درجه حرارت بالا-آهن-بور (NdFeB) با درجه حرارت بالا را ترجیح می دهند. در میان آنها، فولاد مغناطیسی SmCo دارای دمای کوری 700-800 درجه است که می تواند به طور موثر از مغناطیس زدایی در دمای بالا جلوگیری کند و نیازهای سناریوهای دمای متوسط ​​و بالا را برآورده کند.

ساختار روتور نصب‌شده روی سطح، طرحی را اتخاذ می‌کند که در آن آهن‌رباهای دائمی مستقیماً روی سطح روتور چسبانده می‌شوند، که دارای مزایای ساختار ساده، راندمان جفت مغناطیسی بالا، و چگالی توان بالا است و برای سناریوهای-سرعت بالا و{2}}بالا{3}تراکم توان{3} مناسب است. برای رویارویی با چالش‌های دمای بالا و سرعت بالا، این ساختار باید بر حل مشکلات تثبیت آهنربای دائمی و ضد مغناطیس زدایی تمرکز کند: آهنرباهای دائمی از فولاد مغناطیسی SmCo با مقاومت عالی در دمای بالا یا آهنرباهای ساماریوم{8}آهن جدید نیتروژن (SmFeN) انتخاب می‌شوند. در میان آنها، آهنرباهای SmFeN دمای کوری تا 470 درجه دارند، همچنان می توانند مغناطیس قوی بالای 200 درجه حفظ کنند و می توانند در دماهای بالا بدون خاک های کمیاب سنگین به عملکرد پایدار دست یابند. در عین حال، یک آستین محافظ با استحکام بالا بر روی سطح آهنرباهای دائمی پیچیده می‌شود که عمدتاً از آستین‌های کامپوزیت فیبر کربنی استفاده می‌کند که استحکام کششی آن 3{14}}5 برابر فلزات سنتی است، و غیر مغناطیسی و غیرمغناطیسی است و غیر{16}می‌تواند از نیروی رسانایی بالا و غیر متمرکز جلوگیری کند. از دست دادن جریان گردابی و کاهش افزایش دما.

علاوه بر این، ساختار روتور نصب شده روی سطح می‌تواند تلفات جریان گردابی را بیشتر کاهش دهد و اثر اتلاف گرما را با باز کردن شیارهای کم عمق محیطی روی آستین و افزودن حلقه‌های محافظ مسی بین آهنرباهای دائمی و آستین بهینه کند. برای سناریوهایی با سرعت چرخشی 20000-40000r/min و دمای عملیاتی 180-300 درجه، مانند موتورهای درایو وسایل نقلیه با انرژی جدید و موتورهای پشتیبانی از کمپرسورهای پرسرعت مناسب است.

ساختار روتور مرکب یک طرح بهینه شده است که مزایای سازه‌های-نصب شده داخلی و روی سطح- را ترکیب می‌کند. هسته آن این است که بخشی از آهنرباهای دائمی با در نظر گرفتن قدرت مکانیکی و عملکرد مغناطیسی در هسته روتور تعبیه شده و بخشی روی سطح روتور چسبانده می شود. هسته روتور این سازه از ورق های فولادی سیلیکونی مقاوم در برابر حرارت بالا یا کامپوزیت مغناطیسی نرم (SMC) ساخته شده است. مواد SMC دارای نفوذپذیری مغناطیسی همسانگرد است که می‌تواند به طور موثری از دست دادن جریان گردابی فرکانس بالا را سرکوب کند و برای سناریوهای-سرعت و فرکانس بالا- مناسب است. آهنرباهای دائمی تعبیه شده برای بهبود ظرفیت اضافه بار موتور استفاده می شوند و آهنرباهای دائمی نصب شده روی سطح برای بهبود چگالی توان استفاده می شوند و با بهینه سازی طراحی مدار مغناطیسی تلفات جریان گردابی کاهش می یابد.

برای بهبود بیشتر مقاومت در برابر حرارت بالا، ساختار روتور مرکب معمولاً مجهز به کانال‌های خنک‌کننده داخلی می‌شود و از فناوری خنک‌کننده روغن برای وارد کردن مایع خنک‌کننده به روتور استفاده می‌شود تا به طور همزمان فولاد مغناطیسی و یاتاقان‌ها خنک شوند و دمای روتور که برای دمای کارکرد 200-30 درجه مناسب است، به طور موثر کنترل شود.