มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร: การออกแบบและการประยุกต์ใช้โครงสร้างโรเตอร์เพื่อการทำงานความเร็วสูง-ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง-

ใน-สาขาระดับไฮเอนด์ เช่น การบินและอวกาศ การสำรวจปิโตรเลียม การผลิต-อุปกรณ์ระดับไฮเอนด์ และยานพาหนะพลังงานใหม่ ความเร็วสูง-มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร(PMSM) ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง-ได้กลายเป็นองค์ประกอบหลักของระบบขับเคลื่อนเนื่องจากมีข้อได้เปรียบหลักในด้านประสิทธิภาพสูง การประหยัดพลังงาน ความหนาแน่นของพลังงานสูง และความเร็วการตอบสนองที่รวดเร็ว ในฐานะตัวพาหลักสำหรับการแปลงพลังงานของมอเตอร์ การออกแบบโครงสร้างโรเตอร์จะกำหนดเสถียรภาพในการทำงาน กำลังขับ และอายุการใช้งานของมอเตอร์โดยตรงภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรงสองประการที่มีอุณหภูมิสูง (โดยทั่วไปหมายถึงอุณหภูมิในการทำงานมากกว่าหรือเท่ากับ 150 องศา ) และความเร็วสูง (ความเร็วในการหมุนมากกว่าหรือเท่ากับ 10,000r/นาที) บทความนี้ผสมผสานแนวปฏิบัติทางเทคนิคของอุตสาหกรรมเข้ากับผลการวิจัยล่าสุด โดยให้รายละเอียดเกี่ยวกับประเด็นการออกแบบหลัก ประเภทกระแสหลัก การเลือกวัสดุ และกลยุทธ์การปรับโครงสร้างโรเตอร์ของ PMSM ความเร็วสูง-ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง- โดยให้ข้อมูลอ้างอิงอย่างมืออาชีพสำหรับผู้ปฏิบัติงานในอุตสาหกรรม และอำนวยความสะดวกในการอัปเกรดเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องและการใช้งานผลิตภัณฑ์

การซ้อนทับของ-สภาวะการทำงานแบบคู่ที่มีอุณหภูมิสูงและ-ความเร็วสูงทำให้เกิดข้อกำหนดหลักที่เข้มงวดสามประการสำหรับโครงสร้างโรเตอร์: ประการแรก ทนต่ออุณหภูมิสูง และ-การลดอำนาจแม่เหล็ก อุณหภูมิสูงจะนำไปสู่การลดทอนคุณสมบัติแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรและแม้แต่การล้างอำนาจแม่เหล็กที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อกำลังขับของมอเตอร์ ประการที่สอง ต่อต้าน-แรงเหวี่ยงและป้องกันการไหล- แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางขนาดใหญ่ที่เกิดจากการหมุนด้วยความเร็วสูง-มีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดอันตรายด้านความปลอดภัย เช่น การเสียรูปของโครงสร้างโรเตอร์และการหลุดของแม่เหล็กถาวร ประการที่สาม การสูญเสียต่ำและการควบคุมอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น การสูญเสียกระแสไหลวนของโรเตอร์จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วการหมุนที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอีก ก่อให้เกิดวงจรอุบาทว์ของ "การลดทอนอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูง - -" ดังนั้น การออกแบบโครงสร้างโรเตอร์จึงต้องสร้างสมดุลให้กับข้อกำหนดหลักสามประการ ได้แก่ ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง แรงต้าน-แรงเหวี่ยง และการสูญเสียต่ำ

ปัจจุบันโครงสร้างโรเตอร์มีความเร็วสูง-มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรPMSM ที่เหมาะสำหรับ-สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามประเภท: ติดตั้งภายใน - ติดตั้งบนพื้นผิว - ติดตั้ง และคอมโพสิต โครงสร้างแต่ละประเภทมีการมุ่งเน้นไปที่ตรรกะการออกแบบและการเลือกใช้วัสดุตามสถานการณ์ที่เกี่ยวข้อง โดยคำนึงถึงการใช้งานจริงและความน่าเชื่อถือ และครอบคลุมความต้องการที่แตกต่างกันของสภาวะการทำงานที่มีอุณหภูมิสูงและความเร็วสูง-

โครงสร้างโรเตอร์ที่ติดตั้งภายใน-เป็นประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูงและ-ความเร็วสูง ข้อได้เปรียบหลักคือแม่เหล็กถาวรฝังอยู่ภายในแกนโรเตอร์ เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้แม่เหล็กถาวรสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง-โดยตรง และในขณะเดียวกันก็อาศัยโครงสร้างแกนกลางเพื่อปรับปรุงความแข็งแรงทางกลของโรเตอร์และต้านทานแรงเหวี่ยงความเร็วสูง- โครงสร้างนี้สามารถแบ่งเพิ่มเติมได้เป็นโครงสร้างกั้นแม่เหล็กแบบฝังและภายใน โครงสร้างแบบฝังจะยึดแม่เหล็กถาวรผ่านช่องของแกนโรเตอร์และเสริมกำลังด้วยกาวที่ทนต่ออุณหภูมิสูง- เพื่อป้องกันไม่ให้แม่เหล็กถาวรเคลื่อนที่ระหว่างการหมุนด้วยความเร็วสูง- โครงสร้างกั้นแม่เหล็กภายในจะปิดกั้นเส้นทางกระแสไหลวนโดยการวางแผงกั้นแม่เหล็กหลายชั้น ลดการสูญเสียกระแสไหลวนของโรเตอร์ ลดความกว้างของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงเอฟเฟกต์การป้องกันแม่เหล็กเพื่อปกป้องแม่เหล็กถาวรจากการรบกวนของสนามแม่เหล็กภายนอก

โครงสร้างโรเตอร์ที่ติดตั้งภายใน-เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความเร็วในการหมุน 10,000-30000r/นาที และอุณหภูมิในการทำงาน 150-250 องศา เช่น มอเตอร์ที่รองรับเครื่องยนต์ทางอากาศ-และมอเตอร์ปั๊มที่มีอุณหภูมิสูง- ในแง่ของการเลือกวัสดุ แกนโรเตอร์ส่วนใหญ่จะใช้แผ่นเหล็กซิลิคอนที่ไม่สูญเสีย-ที่มีการสูญเสียต่ำที่ขนาด 0.2 มม. หรือน้อยกว่า เช่น Baosteel B20AT1200 ซึ่งสามารถลดการสูญเสียแกนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม่เหล็กถาวรชอบเหล็กแม่เหล็กโคบอลต์ (SmCo) ซาแมเรียมเกรดอุณหภูมิสูง-สูง หรือเหล็กแม่เหล็กเกรดนีโอไดเมียม-อุณหภูมิสูง-โบรอน (NdFeB) ในหมู่พวกเขา เหล็กแม่เหล็ก SmCo มีอุณหภูมิคูรีอยู่ที่ 700-800 องศา ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการล้างอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และตอบสนองความต้องการของสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูงและปานกลาง

โครงสร้างโรเตอร์ที่ติดตั้งบนพื้นผิว-ใช้การออกแบบที่แม่เหล็กถาวรถูกวางบนพื้นผิวโรเตอร์โดยตรง ซึ่งมีข้อดีคือโครงสร้างที่เรียบง่าย ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อแม่เหล็กสูง และความหนาแน่นของพลังงานสูง และเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่-ความเร็วสูงและความหนาแน่นของพลังงานสูง-สูง- เพื่อตอบสนองความท้าทายด้านอุณหภูมิสูงและความเร็วสูง โครงสร้างนี้จำเป็นต้องมุ่งเน้นไปที่การแก้ปัญหาการตรึงแม่เหล็กถาวรและการป้องกันการลดอำนาจแม่เหล็ก-: แม่เหล็กถาวรได้รับการคัดเลือกจากเหล็กกล้าแม่เหล็ก SmCo ที่มีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง-เป็นเลิศ หรือแม่เหล็กซาแมเรียม-เหล็ก-ไนโตรเจน (SmFeN) ใหม่ ในบรรดาแม่เหล็กเหล่านั้น แม่เหล็ก SmFeN มีอุณหภูมิคูรีสูงถึง 470 องศา ยังคงสามารถรักษาอำนาจแม่เหล็กที่แข็งแกร่งได้สูงกว่า 200 องศา และสามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่อุณหภูมิสูงโดยไม่ต้องใช้แร่หายากหนัก ในเวลาเดียวกัน ปลอกป้องกันที่มีความแข็งแรงสูง-ถูกพันอยู่บนพื้นผิวของแม่เหล็กถาวร โดยส่วนใหญ่ใช้ปลอกคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งมีความต้านทานแรงดึงเป็น 3-5 เท่าของโลหะแบบดั้งเดิม และไม่เป็น-แม่เหล็กและไม่-นำไฟฟ้า ซึ่งสามารถต้านทานแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางความเร็วสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลีกเลี่ยงการสูญเสียกระแสไหลวน และลดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ โครงสร้างโรเตอร์ที่ติดตั้งบนพื้นผิว-สามารถลดการสูญเสียกระแสไหลวนเพิ่มเติมและเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อนด้วยการเปิดร่องตื้นตามเส้นรอบวงบนปลอก และเพิ่มวงแหวนป้องกันทองแดงระหว่างแม่เหล็กถาวรและปลอก เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความเร็วในการหมุน 20,000-40000r/นาที และอุณหภูมิในการทำงาน 180-300 องศา เช่น มอเตอร์ขับเคลื่อนยานพาหนะพลังงานใหม่และมอเตอร์รองรับคอมเพรสเซอร์ความเร็วสูง

โครงสร้างโรเตอร์แบบคอมโพสิตเป็นการออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม โดยผสมผสานข้อดีของโครงสร้างแบบติดตั้งภายในและแบบติดตั้งบนพื้นผิว- แกนกลางของมันคือส่วนหนึ่งของแม่เหล็กถาวรฝังอยู่ในแกนโรเตอร์ และชิ้นส่วนถูกติดบนพื้นผิวโรเตอร์ โดยคำนึงถึงความแข็งแรงทางกลและประสิทธิภาพของแม่เหล็ก แกนโรเตอร์ของโครงสร้างนี้ทำจากแผ่นเหล็กซิลิกอนทนอุณหภูมิสูง-หรือเคลือบด้วยคอมโพสิตแม่เหล็กอ่อน (SMC) วัสดุ SMC มีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กแบบไอโซโทรปิก ซึ่งสามารถระงับการสูญเสียกระแสไหลวนความถี่สูง-ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความเร็วสูง-และความถี่สูง- แม่เหล็กถาวรแบบฝังถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงความสามารถในการโอเวอร์โหลดของมอเตอร์ และใช้แม่เหล็กถาวร-ที่ติดตั้งบนพื้นผิวเพื่อปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน และการสูญเสียกระแสไหลวนจะลดลงโดยการปรับการออกแบบวงจรแม่เหล็กให้เหมาะสม

เพื่อปรับปรุงการต้านทานต่ออุณหภูมิสูง-ให้ดียิ่งขึ้น โครงสร้างโรเตอร์แบบคอมโพสิตมักจะติดตั้ง-ช่องระบายความร้อนในตัว และเทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยน้ำมันจะถูกนำมาใช้เพื่อนำของเหลวหล่อเย็นเข้าไปในโรเตอร์เพื่อทำให้เหล็กแม่เหล็กและแบริ่งเย็นลงไปพร้อมๆ กัน ซึ่งจะช่วยควบคุมอุณหภูมิของโรเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเหมาะสำหรับอุณหภูมิในการทำงาน 200-300 องศา