שש טכנולוגיות מפתח עבור מנועים מהירים

שש טכנולוגיות מפתח למנועים מהירים

"מונע על ידי השאיפה לגודל קטן יותר והספק גבוה יותר, מהירות המנוע טיפסה כל הדרך, מאלפיים או שלושת אלפים סיבובים בימים הראשונים, כל הדרך לעשרות אלפים עד מאות אלפי סיבובים, וה מהירות גבוהה יותר שיפרה את צפיפות ההספק ואת ניצול חומרי הגלם." לכן, מהירות גבוהה היא מגמה חזקה, כאשר ניקח כדוגמה כונן אנרגטי חדש, המהירות המרבית של הדור הראשון של טויוטה פריוס היא רק 6000 סל"ד, והמהירות של המוצר מהדור הרביעי מגיעה ל-17,000 סל"ד. בגיליון זה, אנו לוקחים פרספקטיבה גבוהה יותר כדי להסתכל על היישום של מנועי מהירות ועל הטכנולוגיות המרכזיות שמאחוריהם. "

למהירות גבוהה ולמהירות במיוחד יש סיכויי יישום רחבים אך יחד עם זאת מביאים אתגרים גבוהים במיוחד למנוע, אנו משלבים את הבעיות הללו לאותה קטגוריה ומגלים שיש שש קטגוריות: פיזור חום, בחירה, מבנה הרוטור, רעשי רטט , עיצוב יעיל, מיסבים.

 

01. בעיית פיזור החום

 

אובדן המנוע גדל עם מספר המהירויות הגיאומטרי, והחום שנוצר מהפסד גבוה מגביר את עליית הטמפרטורה של המנוע במהירות רבה, על מנת לשמור על פעולה במהירות גבוהה, יש צורך לתכנן שיטת קירור עם פיזור חום טוב. אנו יכולים לראות ששיטות קירור המנוע המהיר הנפוצות הן:

 

"קירור אוויר מאולץ פנימי" כפי שמוצג באיור למטה, אוויר קר חזק יכול לנשוף ישירות לתוך המנוע כדי להסיר את החום על הפיתול והליבה, בדרך זו מופיעה בדרך כלל במדחסי אוויר, מפוחים, מנועי מטוסים ואירועים אחרים שבהם הם חזקים ניתן להשתמש ברוח.

2 "קירור שמן פנימי" בסביבת היישום שבה המנוע חייב להיות סגור ומוגן, או ברוח חזקה, הנפוצה ביותר היא שיטת קירור השמן הפנימית, כגון השילוב של קירור שמן בחריץ הסטטור המשמש ב-high- מנוע מהירות תוכנן על ידי AVL. חלק מהמנועים מאמצים גם שילוב של קירור הזרקת שמן מתפתל בתוספת קירור שמן סטטור בתוספת קירור שמן רוטור וכן הלאה.

על מנת להשיג צפיפות הספק גבוהה, ייצור חום וקירור הם נושאים חשובים שמנועים מהירים חייבים להתמודד איתם.

 

02. בעיה בבחירת מנוע

 

מנוע מגנט קבוע או מנוע אינדוקציה? בין אם מדובר בסוגים אחרים של מנועים כגון חוסר רצון מתג, הבחירה בסוג המנוע המהיר תמיד הייתה שאלה ללא תשובה סטנדרטית. באופן כללי, מנקודת המבט של צפיפות הספק ויעילות, כדאי לבחור במנועי מגנט קבועים, בעוד שמנועי אינדוקציה ומנועי סריגה ממוגנים נבחרים מתוך אמינות. עם זאת, בגלל רעש הרטט הגדול, היישום של חוסר רצון מיתוג קטן יותר.

 

 

האיור שלהלן הוא חוק חלוקת הסוג של מנועים מהירים במהירויות והספקים שונים, וערך "הספק * מהירות" של המנוע מצוייר כעקומת קווי מתאר, ונוכל למצוא קונטקסט כללי: "במהלך גבוה במיוחד: יישומים, מנועי אינדוקציה הם לרוב, ומנועי אינדוקציה ומנועי מגנט קבועים מתקיימים במקביל ביישומים מהירים". כל עוד מקפידים על עקרון זה, נוכל לבחור את סוג המנוע בהתאם לצרכים בטווח.

03. בעיות במבנה הרוטור

 

הלחץ הצנטריפוגלי שעליו צריך להתגבר על מבנה הרוטור של המנוע המהיר משמש בדרך כלל בתחום ה"מהירות הגבוהה", מעטפת המתכת, מבנה הרוטור עצמו (כגון שלד הדג של ד"מ, מבנה הרוטור של IM) וכו', ופיתול סיבי הפחמן משמש בתחום ה"מהירות האולטרה-גבוהה", או פשוט להפוך את הרוטור למבנה משולב מוצק, כמו המנוע של גלגל התנופה של אגירת האנרגיה.

רוב המנועים המהירים של מגנט קבוע משתמשים במבנה של מעטפת הרוטור, וגם עיצוב זה הוא מאוד מיוחד, כלומר, כדי להגן על המגנט הקבוע ולמנוע כשל במעטפת. לכן, נסו להימנע מריכוז מתח, כפי שמוצג באיור למטה, אם המגנט לא ימלא את כל ההיקף, יהיה ריכוז מתח על הנדן והמגנט, וזו הסיבה שמנוע המגנט הקבוע המהיר משתמש בטבעת שלמה מגנט, אם לא טבעת שלמה משמשת גם למילוי ההיקף.

04. הבעיה של רעשי רטט

 

בעיית רעשי הרטט היא מכשול מרכזי עבור מנועים מהירים. בהשוואה למנועים רגילים, ישנן בעיות רטט הנגרמות מדינמיקה של הרוטור, כמו בעיית המהירות הקריטית של הרוטור ובעיית רטט ההסטה של ​​הציר. ישנה גם בעיה של יללות הנגרמת מכוח אלקטרומגנטי בתדר גבוה, ותדירות הכוח האלקטרומגנטי של מנוע מהיר גבוה יותר, טווח ההפצה רחב יותר וקל לעורר את התהודה של מערכת הסטטור.

על מנת למנוע רטט במהירות קריטית, עיצוב הרוטור של מנועים מהירים הוא קריטי מאוד ודורש ניתוח ובדיקות מודאליות קפדניות. יחס האורך לקוטר צריך לשמש כמשתנה אופטימיזציה בתכנון: עיצוב הרוטור עבה וקצר מדי, מה שיכול להגביר את הגבול העליון של המהירות הקריטית ואינו נוטה לתהודה, אך הקושי של רוטור להתגבר על עליות מתח צנטריפוגלי. בתורו, עיצוב הרוטור דק, בעיית החוזק הצנטריפוגלי משתפרת, אך המהירות הקריטית מוזזת, ההסתברות לתהודה עולה, וגם הכוח האלקטרומגנטי יקטן. לכן, העיצוב של הרוטור צריך להיות מאוזן שוב ושוב, וזה בראש סדר העדיפויות של עיצוב מנוע במהירות גבוהה.

 

 

05. שאלות יעילות

 

אובדן המנוע גדל עם המספר הגיאומטרי של המהירויות, הפסדים גבוהים גורמים ליעילות המנוע להידרדר במהירות, על מנת להשיג יעילות גבוהה, יש לנהל כל מיני הפסדים. אם ניקח לדוגמא את צריכת הברזל, על מנת להפחית את אובדן זרם המערבולת, משתמשים בדרך כלל ביריעות פלדת סיליקון דקות במיוחד של 0.10 מ"מ ו-0.08 מ"מ. פרוסות דקות במיוחד יכולות להפחית את הפסדי זרם המערבולת אך אינם יכולים לשפר את הפסדי ההיסטרזיס, ולכן אובדן היסטרזיס הברזל של יריעות דקות במיוחד מהווה את הרוב, בעוד שהפסד זרם המערבולת ביריעות רגילות מהווה את הרוב. כדי לשפר אובדן היסטרזיס, אתה יכול להתחיל משלושת הדרכים הבאות:

 

1. ייעל את עיצוב המעגל המגנטי כדי לשפר את הסינוסואידיות של השדה המגנטי ולהפחית את צריכת הברזל ההרמונית;

2. להפחית עומס מגנטי, להגדיל את עומס החום ולהפחית את צריכת הברזל הבסיסית;

3. החל מבחירת החומר, בחר יריעות פלדת סיליקון עם אובדן היסטרזיס קטן.

בנוסף לצריכת ברזל, מנועים מהירים מקדישים תשומת לב נוספת להפסדי AC, אשר נגרמים מחדירת שדות מגנטיים מתחלפים יבשים בתדר גבוה, המופיעים לעתים קרובות מחוץ למשטחי המגנט, מעטפת המתכת ומשטחי הסטטור. אם לוקחים את אובדן ה-AC של מגנט כדוגמה, השיטה הנפוצה היא לחלק את המגנט למספר מקטעים, שיכולים להיות מקטעים רדיאליים או מקטעים צירים. פילוח יכול להקטין את אזור מחזור זרם המערבולת ולהפחית את אובדן ה-AC, האיור למטה הוא הדמיית שדה זרם המערבולת לאחר פילוח, ניתן לראות שככל שחלקיקים מפולחים יותר, כך אובדן ה-AC קטן יותר. יש יותר פתרונות מפילוח, המוגבלים לשטח ואינם מתרחבים.

רכיב השדה המגנטי בעל התדר הגבוה ביותר במנוע המהיר מוצג על ידי נושא ה-PWM של המהפך, מכיוון שעקרון העבודה של אפנון דופק מייצר בהכרח הרמוניות זרם בתדר גבוה, אשר בתורו מייצרות שדה מגנטי בתדר גבוה. , והשדה המגנטי בתדר גבוה חודר אל פני השטח של המגנט והסטטור והרוטור כדי לייצר אובדן בתדר גבוה. חלק מהמנועים המהירים משתמשים במבנה הנעה רב-מפלסית כדי לשפר את ההרמוניות של פס ה-PWM.

06. בעיות נשיאה

בחירת המיסבים של מנועים מהירים היא נושא מפתח, ובאופן כללי ישנן ארבע קטגוריות של ריחוף מגנטי, מיסבי אוויר, מיסבים מכאניים הזזה ומסבים מכאניים כדוריים. מיסבים מגנטיים משמשים ביישומים בעלי הספק גבוה יותר, ומיסבי אוויר משמשים ביישומים עם הספק וגודל קטנים יותר. מיסבים מכניים דורשים לעתים קרובות שימון שמן והם מוגבלים ביישומים רבים ללא שמן.

יש עדיין הרבה בעיות מפתח וטכנולוגיות של מנועים מהירים, ובעיות אלו צריכות להיות מנוהלות במקביל, שהוא גבוה וקשה יחסית למנועים רגילים. הצורך לאמץ תכנון צימוד רב-פיזיקלי כוח-מגנטי-תרמי-NVH הוא אתגר חדש והזדמנות חדשה.

מאמר זה מציג שמונה קטגוריות של יישומים ושש טכנולוגיות מפתח של מנועים מהירים. באופן כללי, מנועים מהירים הם יישום מבטיח ומאתגר מבחינה טכנית. חלק מהטכנולוגיות נראות רחוקות מאיתנו, אבל מנקודת המבט של פיתוח, אנחנו יכולים לראות שהווריד של "מהירות גבוהה רדודה - מהירות בינונית-גבוהה - מהירות אולטרה-גבוהה" התפתח. בהשוואה לפני עשר שנים, 10,000 או 20,000 מנועים סיבוביים הם כיום דבר שבשגרה. לכן, מהירות גבוהה היא "לטווח ארוך" ולאט לאט תשנה את דפוס התעשייה. לכן, בין אם מדובר בחיפוש אחר הזדמנויות בתחומים חדשים ובין אם מדובר בשיפור התחרותיות של מוצרים קיימים, טכנולוגיה מהירה היא תחום ששווה השקעה לטווח ארוך.