Задвижващи двигатели Pumbaa 120KW PMSM за електрически превозни средства PML120

1. Проектиране на изолация за високо напрежение
Двигателят използва нови изолационни материали и процеси, за да отговори на изискванията за висока честота на превключване на SiC контролерите за все по-високоскоростни двигатели.

2. Високоскоростни и тежкотоварни изолирани лагери
Конструкцията на двигателя използва изолирани лагери, които могат да отговорят на проектните изисквания от 24000 об/мин; и може ефективно да предотврати генерирането на електрическа корозия на лагерите.

3. Водно охлаждан двигател
Двигателят използва високоскоростна водно охлаждана структура, която ефективно намалява номиналната мощност след намаляване на обема, което не само подобрява ефективността, но и удължава експлоатационния живот на системата.

4. Отлични показатели за шумозаглушаване и вибрации
Роторът на двигателя е с сегментирана наклонена полюсна структура, която ефективно оптимизира шумовите вибрации (NVH) на моторната система.

Като ядро ​​на високоефективните източници на енергия, производителността, надеждността и цената на синхронните двигатели с постоянни магнити (PMSM) до голяма степен се определят от дизайна на ротора. Роторът, критичен компонент, който носи постоянни магнити и позволява електромеханично преобразуване на енергия, е изправен пред множество предизвикателства в структурния дизайн, включително електромагнитни характеристики, механична якост, управление на температурата и производствени разходи. Тази статия се фокусира върху основните технологии за проектиране на ротори и предоставя задълбочен анализ, базиран на инженерни практики.

I. Разположение на постоянния магнит: Структурната основа

В основата на ротора се намира разположението на постоянните магнити, което пряко определя основните електромагнитни характеристики и механичната здравина на двигателя. Има три основни конфигурации:

1. Тип с издадена повърхност

Постоянните магнити са директно свързани с периферната повърхност на роторното ядро. Тази структура е сравнително проста и предлага благоприятни форми на вълните на магнитното поле във въздушната междина. Магнитите обаче са изцяло изложени на центробежни сили, което прави работата с висока скорост сериозен проблем. Необходими са високоякостни защитни мерки (напр. втулки), за да се обезопасят.

2. Вграден тип на повърхността

Постоянните магнити са вградени в прорези на повърхността на сърцевината на ротора, което води до по-плоска повърхност на магнитния полюс. В сравнение с изпъкналия тип, сърцевината осигурява странична опора за магнитите, повишавайки устойчивостта на центробежни сили. Тази конструкция позволява и определено съотношение на изпъкналост, което улеснява отслабването на полето за разширени диапазони на скоростта.

3. Тип за вътрешен монтаж (заровен тип)

Това е доминиращата конфигурация за задвижващи двигатели за превозни средства с нова енергия (NEV). Постоянните магнити са изцяло вградени в предварително обработени слотове в сърцевината на ротора. Сърцевината осигурява естествена, здрава механична защита, позволявайки на ротора да издържа на изключително високи центробежни сили, което го прави предпочитан избор за работа с висока скорост. Най-голямото му предимство се крие в гъвкавостта на дизайна: различни форми на магнитни бариери (напр. V-образна, I-образна, двойна V-образна) могат да бъдат проектирани за постигане на високи коефициенти на изпъкналост, значително подобрявайки компонентите на въртящия момент, свързани с реактивността. Това позволява висока плътност на мощността и широк диапазон на управление на скоростта с постоянна мощност (със силни възможности за отслабване на полето). Многослойните комбинации от постоянни магнити допълнително оптимизират формите на вълните на магнитното поле във въздушната междина, намалявайки пулсациите на въртящия момент. Тази структура обаче е по-сложна и изисква висока прецизност на производството и внимателно управление на магнитното изтичане (особено насищането на магнитните мостове).

(Диаграма на вътрешната структура)

II. Предизвикателства и контрамерки за високоскоростна сила

Въпреки че високопроизводителните синтеровани постоянни магнити от неодим-желязо-бор (NdFeB) проявяват отлични магнитни свойства, тяхната якост на опън е много по-ниска от якостта им на натиск. Огромните центробежни сили по време на високоскоростно въртене представляват основната заплаха за дизайна на ротора.

1. Структурен избор

Вътрешно монтираната конструкция, с превъзходната си механична толерантност (постоянните магнити понасят предимно компресионни напрежения, докато центробежните сили се поемат от стените на слота на сърцевината), се е превърнала в незаменим избор за високоскоростни PMSM ротори.

2. Технология на ръкавите

За специфични приложения (напр. някои ротори с повърхностен монтаж), високоякостните втулки са от решаващо значение за безопасността. Съществуват два основни вида:

Немагнитни втулки от легирана стомана: Те осигуряват силни ограничителни сили и използват утвърдени процеси (напр. термично напасване с пресоване). Те обаче въвеждат допълнителни загуби от вихрови токове (особено при високи скорости), което налага оптимизиране на дебелината и съображения за управление на температурата.

​Въглеродни влакнести композитни втулки: Идеални за високоскоростни двигатели от висок клас, те предлагат значителни предимства: ултрависока специфична якост (леки, но здрави), немагнитни и непроводящи свойства (минимизиране на допълнителните загуби от вихрови токове) и регулируем коефициент на термично разширение (CTE), който съответства на постоянните магнити и намалява термичното напрежение. Предизвикателствата включват висока цена, сложни производствени процеси (навиване и втвърдяване) и дългосрочна гаранция за надеждност.

3. Дизайн, базиран на симулация

Съвременният дизайн на роторите силно разчита на многофизични симулации:

Симулации на структурна механика: Прецизно изчисляване на разпределенията на напрежението и деформацията при високоскоростни центробежни и термични напрежения, оптимизиране на формите на постоянните магнити, отворите на слотовете, размерите на магнитния мост и параметрите на втулките за постигане на олекотяване, като същевременно се гарантират граници на безопасност.

​Електромагнитно-термично свързани симулации: Анализирайте загубите от вихрови токове на втулката и тяхното влияние върху повишаването на температурата, оптимизирайки електромагнитните характеристики и стратегиите за управление на температурата.

III. Термично управление и осигуряване на надеждност

Постоянните магнити NdFeB са силно чувствителни към температура; продължителното излагане на високи температури (>150°C) може да причини необратимо размагнитване. Като ключов компонент, където се събират основни загуби на двигателя (загуби на мед, загуби на желязо, загуби от вихрови токове), роторът е изправен пред значителни предизвикателства при управлението на температурата поради сложни пътища за разсейване на топлината.

1. Оптимизация на термичния път

Основната цел е да се минимизира ширината на магнитния мост (като се запази механичната якост), за да се намали термичното съпротивление между постоянните магнити и вала, улеснявайки топлопроводимостта. Високотехнологичните приложения дори включват канали за охлаждане на маслото във вала за директно охлаждане на роторното ядро. Използването на роторни материали с висока топлопроводимост (напр. силициева стомана с висока топлопроводимост) е друга ефективна стратегия.

2. Прецизно термично моделиране

Разработването на подробни термични модели (мрежови или CFD модели), които включват постоянни магнити, сърцевини, втулки, валове и въздушни междини, позволява точно прогнозиране на температурите на горещите точки на постоянните магнити при различни работни условия (напр. пикова мощност, продължително шофиране нагоре по наклон). Осигуряването на тези температури в рамките на безопасните работни прозорци е от решаващо значение за дългосрочната надеждност.

IV. Същността на дизайна на вътрешно монтирани ротори за задвижвания на превозни средства с нова енергия

Задвижващите двигатели NEV изискват изключителна производителност по отношение на плътност на мощността, ефективност, диапазон на регулиране на скоростта, NVH (шум, вибрации и дразнене) и цена. Дизайнът с вътрешно монтиран ротор, с неговите уникални предимства, се е превърнал в основен избор:

1. Топология с висок коефициент на видимост

Чрез гъвкаво проектиране на магнитни бариерни структури (напр. V-образни, двойно V-образни, U-образни), този подход максимизира дела на реактивния въртящ момент (постигайки ефект на „двойна изпъкналост“). Това значително разширява диапазона на управление на скоростта с постоянна мощност, за да отговори на изискванията за високоскоростно движение на NEV, като същевременно повишава плътността на мощността и ефективността. Това допълва предпочитанието на NEV за статори с разпределена намотка, което оптимизира шумовите и вибрационните вибрации (NVH) и осигурява гъвкавост при проектирането на ротора.

2. Олекотяване и ниска инерция

С оглед на запазването на структурната здравина, инерционният момент на ротора се намалява чрез оптимизация на топологията на сърцевината (напр. отвори за намаляване на теглото, оптимизирани форми на слотовете) и проучване на високоякостни материали с ниска плътност. Това подобрява динамичния отговор на двигателя (ускорение/забавяне) и енергийната ефективност.

3. Технология за многосегментно изкривяване/фазиране: инструмент за оптимизация на шума, вибрациите и вибрациите

Разделянето на ротора на аксиални сегменти и периферното изместване на всеки сегмент (изкривяване) намалява въртящия момент на зацепване (подобряване на плавността на стартиране), потиска пулсациите на въртящия момент (подобряване на плавността на работа) и намалява електромагнитните вибрации/шум при определени поръчки. Усъвършенствани техники като V-образно изкривяване и кръстосано изкривяване допълнително оптимизират производителността. Увеличената сегментация обаче повишава аксиалните електромагнитни сили и магнитното изтичане, което изисква внимателно балансиране на потискането на хармониците и въздействията на аксиалните сили.

(Схема на вътрешната структура на синхронен двигател с постоянен магнит)

V. Основни тенденции и текущи предизвикателства

Технологията за проектиране на ротори продължава да се развива:

Многоцелева кооптимизация: Алгоритмите с изкуствен интелект вече задвижват масовата многоцелева оптимизация (електромагнитна, механична, термична, шумово-вибрираща и вибрационна обработка, разходна), автоматизирайки търсенето на оптимални решения.

Усъвършенствани производствени процеси: Адитивното производство (3D печат) за сложни охлаждащи структури и високопрецизен монтаж разбива структурните ограничения.

Нови материали: Постоянните магнити с висока температура/висока коерцитивност (напр. самарий-желязо-азот), силициевата стомана с ниски загуби/висока якост и нискобюджетните/високопроизводителни композити са ключови за скоковете в производителността.

​Ултрависокоскоростни приложения: Конструкциите за въздушни компресори с горивни клетки (>50 000 об/мин) и високоскоростни системи за съхранение на енергия (>100 000 об/мин) поставят по-строги предизвикателства по отношение на динамиката на ротора, здравината и контрола на загубите.

Заключение

Проектирането на ротори за PMSM (Системни модули с постоянни магнити) е предизвикателство в системното инженерство, интегриращо електромагнитни, структурни, материални, термични и производствени дисциплини. От избора на основни схеми на постоянни магнити до справянето с високоскоростните центробежни сили чрез структурно подсилване и технологии за втулки, както и от повишаване на ефективността, диапазона на скоростта и шума и вибрациите (NVH) чрез топологии с висока отчетливост, олекотяване и наклонени конструкции - всяка основна технология оказва дълбоко влияние върху крайните характеристики на двигателя. Овладяването на тези технологии е от решаващо значение за разработването на високопроизводителни и надеждни PMSM, които отговарят на разнообразните нужди на приложенията.