מנועים סינכרוניים מגנט קבוע: עיצוב ויישום של מבנה הרוטור עבור פעולה- במהירות גבוהה בסביבות- טמפרטורה גבוהה

בתחומים-מתקדמים כגון תעופה וחלל, חיפושי נפט, ייצור-ציוד מתקדם ורכבי אנרגיה חדשים, במהירות גבוהה-מנועים סינכרוניים מגנט קבוע(PMSMs) בסביבות-טמפרטורות גבוהות הפכו למרכיבי ליבה של מערכות כונן עקב יתרונות הליבה שלהן של יעילות גבוהה, חיסכון באנרגיה, צפיפות הספק גבוהה ומהירות תגובה מהירה. כמוביל מרכזי להמרת אנרגיית המנוע, תכנון מבנה הרוטור קובע ישירות את היציבות התפעולית, תפוקת ההספק וחיי השירות של המנוע בתנאי עבודה כפולים של טמפרטורה גבוהה (הכוונה בדרך כלל לטמפרטורת הפעלה גדולה או שווה ל-150 מעלות) ומהירות גבוהה (מהירות סיבוב גדולה או שווה ל-10000 r/min). בשילוב פרקטיקות טכניות בתעשייה ותוצאות המחקר העדכניות ביותר, מאמר זה מפרט את נקודות התכנון המרכזיות, סוגי מיינסטרים, בחירת חומרים ואסטרטגיות אופטימיזציה של מבנה הרוטור של PMSM- במהירות גבוהה בסביבות-טמפרטורות גבוהות, מספק התייחסות מקצועית לעוסקים בתעשייה ומקל על שדרוג הטכנולוגיות הקשורות והטמעת המוצר.

הסופרפוזיציה של-טמפרטורה גבוהה ותנאי עבודה כפולים-גבוהים מציבה שלוש דרישות הליבה המחמירות למבנה הרוטור: ראשית, עמידות בטמפרטורה גבוהה ואנטי-דה-מגנטיזציה. טמפרטורה גבוהה תוביל להנחתה של התכונות המגנטיות של מגנטים קבועים, ואפילו דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה, המשפיעה ישירות על תפוקת הכוח של המנוע; שנית, אנטי-צנטריפוגלי ואנטי-נשירה. הכוח הצנטריפוגלי העצום שנוצר על ידי סיבוב- במהירות גבוה עשוי לגרום לסכנות בטיחותיות כגון עיוות של מבנה הרוטור ונשירת מגנט קבוע; שלישית, בקרת איבוד נמוך ועליית טמפרטורה. אובדן זרם המערבולת של הרוטור יגדל עם עליית מהירות הסיבוב, ויגדיל עוד יותר את הטמפרטורה, וייצור מעגל קסמים של "אובדן - בטמפרטורה גבוהה - דה-מגנטיזציה". לכן, תכנון מבנה הרוטור צריך לאזן את שלוש דרישות הליבה של עמידות בטמפרטורה גבוהה, כוח אנטי-צנטריפוגלי ואובדן נמוך.

כיום, מבני הרוטור של-מהירות גבוההמנועים סינכרוניים מגנט קבועPMSMs המתאימים לסביבות-טמפרטורות גבוהות מחולקים בעיקר לשלוש קטגוריות: פנימי-רכוב, משטח-רכוב ומרוכב. לכל סוג של מבנה יש התמקדות משלו בלוגיקה עיצובית ובחירת חומרים בהתאם לתרחישים הרלוונטיים, תוך התחשבות במעשיות ובאמינות, ומכסה את הצרכים של תנאי עבודה שונים ב-טמפרטורות ובמהירות- גבוהה.

מבנה הרוטור הפנימי-המותקן הוא הסוג הנפוץ ביותר בתרחישי-טמפרטורה ומהירות- גבוהה. היתרון הליבה שלו הוא שהמגנטים הקבועים משובצים בתוך ליבת הרוטור, נמנעים מחשיפה ישירה של המגנטים הקבועים לסביבות-טמפרטורות גבוהות, ובו בזמן, מסתמכים על מבנה הליבה כדי לשפר את החוזק המכני של הרוטור ולהתנגד לכוח צנטריפוגלי מהיר-. ניתן לחלק את המבנה הזה למבני מחסום מגנטי משובצים ופנימיים. המבנה המוטבע מקבע את המגנטים הקבועים דרך החריצים של ליבת הרוטור ומחזק אותם בדבקים עמידים-בטמפרטורה גבוהה כדי למנוע מהמגנטים הקבועים להזיז במהלך-סיבוב מהיר; מבנה המחסום המגנטי הפנימי חוסם את נתיב זרם המערבולת על ידי קביעת שכבות מרובות של מחסומים מגנטיים, מפחית את אובדן זרם המערבולת של הרוטור, מוריד את משרעת עליית הטמפרטורה, ובאותו הזמן משפר את אפקט המיגון המגנטי כדי להגן על המגנטים הקבועים מהפרעות שדה מגנטי חיצוני.

מבנה הרוטור הפנימי-מותאם לתרחישים עם מהירות סיבוב של 10000-30000 r/min וטמפרטורת פעולה של 150-250 מעלות, כגון מנועים התומכים במנועי אוויר- ומנועי משאבה-גבוהים. במונחים של בחירת חומרים, ליבת הרוטור מאמצת בעיקר יריעות פלדת סיליקון-ללא{12}}אובדן נמוך של 0.2 מ"מ או פחות, כגון Baosteel B20AT1200, שיכולה להפחית ביעילות את אובדן הליבה; מגנטים קבועים מעדיפים פלדה מגנטית-בדרגת טמפרטורה גבוהה-קובלט (SmCo) או פלדה מגנטית של ניאודימיום-ברזל-בורון (NdFeB) בדרגה גבוהה-בטמפרטורה גבוהה. ביניהם, לפלדה המגנטית SmCo יש טמפרטורת Curie של 700-800 מעלות, שיכולה למנוע ביעילות דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה ולעמוד בצרכים של תרחישים של טמפרטורה בינונית וגבוהה.

מבנה הרוטור-המותקן על פני השטח מאמץ עיצוב שבו מגנטים קבועים מודבקים ישירות על משטח הרוטור, שיש לו את היתרונות של מבנה פשוט, יעילות צימוד מגנטי גבוהה וצפיפות הספק גבוהה, והוא מתאים לתרחישי טמפרטורה-גבוהה וצפיפות הספק-גבוהה-. כדי לעמוד באתגרים של טמפרטורה גבוהה ומהירות גבוהה, מבנה זה צריך להתמקד בפתרון הבעיות של קיבוע מגנט קבוע ואנטי-דה-מגנטיזציה: מגנטים קבועים נבחרים מפלדה מגנטית SmCo עם עמידות מעולה לטמפרטורה- או ממגנטים חדשים של סמאריום-ברזל-חנקן (SmFeN). ביניהם, למגנטים של SmFeN יש טמפרטורת Curie עד 470 מעלות, עדיין יכולים לשמור על מגנטיות חזקה מעל 200 מעלות, ויכולים להשיג פעולה יציבה בטמפרטורות גבוהות ללא אדמה נדירה כבדה; במקביל, שרוול מגן בעל חוזק-גבוה עטוף על פני המגנטים הקבועים, בעיקר באמצעות שרוולים מרוכבים של סיבי פחמן, שחוזק המתיחה שלהם הוא פי 3-5 מהמתכות המסורתיות, והוא אינו-מגנטי ולא{16}}ולא-מוליך מוליך וזרם צנטריפוגלי במהירות, אשר יכול להפחית ביעילות הפסד זרם צנטריפוגלי גבוה ובמהירות עליית טמפרטורה.

בנוסף, מבנה הרוטור המותקן על פני השטח יכול להפחית עוד יותר את אובדן זרם המערבולת ולמטב את אפקט פיזור החום על ידי פתיחת חריצים רדודים היקפיים על השרוול והוספת טבעות מיגון מנחושת בין המגנטים הקבועים לשרוול. הוא מתאים לתרחישים עם מהירות סיבוב של 20,000-40,000 ר/דקה וטמפרטורת פעולה של 180-300 מעלות, כגון מנועים חדשים להנעת רכבים עם אנרגיה ומנועים תומכים במדחס מהיר.

מבנה הרוטור המרוכב הוא עיצוב אופטימלי המשלב את היתרונות של מבנים-פנימיים ומורכבים-פנימיים. הליבה שלו היא שחלק מהמגנטים הקבועים מוטבעים בליבת הרוטור וחלקם מודבקים על משטח הרוטור, תוך התחשבות בחוזק מכני ובביצועים מגנטיים. ליבת הרוטור של מבנה זה עשויה מיריעות פלדת סיליקון עמידות לטמפרטורה- גבוהה או מרוכבת מרוכבת מגנטי רכה (SMC). לחומר SMC יש חדירות מגנטית איזוטרופית, שיכולה לדכא ביעילות אובדן זרם מערבול בתדר- גבוה ומתאים לתרחישי-מהירות ותדרים גבוהים-; המגנטים הקבועים המשובצים משמשים לשיפור קיבולת עומס היתר של המנוע, והמגנטים הקבועים-על פני השטח משמשים לשיפור צפיפות ההספק, ואובדן זרם המערבולת מופחת על ידי אופטימיזציה של עיצוב המעגל המגנטי.

כדי לשפר עוד יותר את ההתנגדות-לטמפרטורות גבוהות, מבנה הרוטור המרוכב מצויד בדרך כלל בתעלות קירור-מובנות, וטכנולוגיית קירור שמן משמשת להחדרת נוזל קירור לתוך הרוטור כדי לקרר בו זמנית את הפלדה המגנטית והמיסבים, תוך שליטה יעילה בטמפרטורת הרוטור, המתאימה לטמפרטורת פעולה של 200-300 מעלות.