Six technologies clés pour les moteurs à grande vitesse

Six technologies clés pour les moteurs à grande vitesse

" Poussée par la poursuite d'une taille plus petite et d'une puissance plus élevée, la vitesse du moteur a grimpé tout le chemin, de deux ou trois mille tours dans les premiers jours, jusqu'à des dizaines de milliers à des centaines de milliers de tours, et le une vitesse plus élevée a amélioré la densité de puissance et l'utilisation des matières premières." Par conséquent, la vitesse élevée est une tendance forte, en prenant comme exemple la nouvelle propulsion énergétique, la vitesse maximale de la première génération de Toyota Prius n'est que de 6 000 tr/min et la vitesse du produit de quatrième génération atteint 17 000 tr/min. Dans ce numéro, nous adoptons une perspective plus élevée pour examiner l'application des moteurs de vitesse et les technologies clés qui les sous-tendent. "

La haute vitesse et l'ultra-haute vitesse ont de larges perspectives d'application mais en même temps posent des défis extrêmement élevés au moteur, nous combinons ces problèmes dans la même catégorie et constatons qu'il existe six catégories : dissipation thermique, sélection, structure du rotor, bruit de vibration , conception efficace, roulements.

 

01. Le problème de la dissipation thermique

 

La perte du moteur augmente avec le nombre géométrique de vitesses, et la chaleur générée par une perte élevée augmente la montée en température du moteur extrêmement rapidement, afin de maintenir un fonctionnement à grande vitesse, il est nécessaire de concevoir une méthode de refroidissement avec une bonne dissipation thermique. Nous pouvons voir que les méthodes courantes de refroidissement des moteurs à grande vitesse sont :

 

"Refroidissement à air forcé interne" comme indiqué dans la figure ci-dessous, de l'air froid fort peut directement souffler dans le moteur pour éliminer la chaleur sur l'enroulement et le noyau, de cette façon apparaît généralement dans les compresseurs d'air, les soufflantes, les moteurs d'avion et d'autres occasions où fort le vent peut être utilisé.

2 "refroidissement interne de l'huile" Dans l'environnement d'application où le moteur doit être fermé et protégé, ou le vent fort, le plus utilisé est la méthode de refroidissement interne de l'huile, telle que la combinaison du refroidissement de l'huile dans la rainure du stator utilisée dans le haut- moteur de vitesse conçu par AVL. Certains moteurs adoptent également une combinaison de refroidissement par injection d'huile d'enroulement plus refroidissement d'huile de stator plus refroidissement d'huile de rotor et ainsi de suite.

Afin d'atteindre une densité de puissance élevée, la génération de chaleur et le refroidissement sont des problèmes importants auxquels les moteurs à grande vitesse doivent faire face.

 

02. Problème de sélection de moteur

 

Moteur à aimant permanent ou moteur à induction ? Qu'il s'agisse d'autres types de moteurs tels que les moteurs à réluctance commutée, le choix du type de moteur à grande vitesse a toujours été une question sans réponse standard. Généralement, du point de vue de la densité de puissance et du rendement, il est avantageux de choisir des moteurs à aimants permanents, tandis que les moteurs à induction et les moteurs à réluctance commutée sont choisis en fonction de leur fiabilité. Cependant, en raison du bruit de vibration important, l'application de la réluctance commutée est moindre.

 

 

La figure ci-dessous est la loi de distribution de type des moteurs à grande vitesse sous différentes vitesses et puissances, et la "valeur de puissance * vitesse" du moteur est dessinée sous forme de courbe de contour, et nous pouvons trouver un contexte général : "En ultra-haut applications, les moteurs à induction sont les plus nombreux, et les moteurs à induction et les moteurs à aimants permanents coexistent dans les applications à grande vitesse". Tant que ce principe est respecté, on peut choisir le type de moteur en fonction des besoins au sein de la gamme.

03. Problèmes avec la structure du rotor

 

La contrainte centrifuge que la structure du rotor du moteur à grande vitesse doit surmonter est généralement utilisée dans la gamme "haute vitesse", la gaine métallique, la structure du rotor lui-même (comme le squelette de poisson de lpm, la structure du rotor d'IM) , etc., et le bobinage en fibre de carbone est utilisé dans la gamme "ultra-haute vitesse", ou simplement faire du rotor une structure intégrée solide, comme le moteur du volant d'inertie de stockage d'énergie.

La plupart des moteurs à grande vitesse à aimant permanent utilisent la structure de la gaine du rotor, et cette conception est également très particulière, c'est-à-dire pour protéger l'aimant permanent et empêcher la gaine de tomber en panne. Par conséquent, essayez d'éviter la concentration de contraintes, comme le montre la figure ci-dessous, si l'aimant ne remplit pas toute la circonférence, il y aura une concentration de contraintes sur la gaine et l'aimant, c'est pourquoi le moteur à aimant permanent à grande vitesse utilise un anneau complet aimant, sinon un anneau complet est également utilisé pour remplir la circonférence.

04. Le problème du bruit des vibrations

 

Le problème du bruit de vibration est un obstacle majeur pour les moteurs à grande vitesse. Par rapport aux moteurs ordinaires, il existe des problèmes de vibration causés par la dynamique du rotor, tels que le problème de vitesse critique du rotor et le problème de vibration de déviation de l'arbre. Il y a aussi le problème du hurlement causé par la force électromagnétique à haute fréquence, et la fréquence de la force électromagnétique du moteur à grande vitesse est plus élevée, la plage de distribution est plus large et il est facile de stimuler la résonance du système de stator.

Afin d'éviter les vibrations de vitesse critique, la conception du rotor des moteurs à grande vitesse est très critique et nécessite une analyse et des tests modaux rigoureux. Le rapport longueur/diamètre doit être utilisé comme variable d'optimisation dans la conception : la conception du rotor est trop épaisse et trop courte, ce qui peut augmenter la limite supérieure de la vitesse critique et n'est pas sujet à la résonance, mais la difficulté de la rotor pour surmonter les augmentations de contraintes centrifuges. À son tour, la conception du rotor est mince, le problème de force centrifuge est amélioré, mais la vitesse critique est décalée, la probabilité de résonance augmente et la puissance électromagnétique diminue également. Par conséquent, la conception du rotor doit être équilibrée à plusieurs reprises, ce qui est la priorité absolue de la conception de moteurs à grande vitesse.

 

 

05. Questions efficaces

 

La perte du moteur augmente avec le nombre géométrique de vitesses, des pertes élevées font chuter rapidement le rendement du moteur, afin d'atteindre un rendement élevé, toutes sortes de pertes doivent être gérées. Prenant l'exemple de la consommation de fer, afin de réduire les pertes par courants de Foucault, des tôles d'acier au silicium ultra-minces de 0,10mm et 0,08mm sont généralement utilisées. Les tranches ultra-minces peuvent réduire les pertes par courants de Foucault mais ne peuvent pas améliorer les pertes par hystérésis, de sorte que la perte par hystérésis du fer des feuilles ultra-minces représente la majorité, tandis que la perte par courants de Foucault dans les feuilles ordinaires représente la majorité. Pour améliorer la perte d'hystérésis, vous pouvez commencer par les trois méthodes suivantes :

 

1. Optimisez la conception du circuit magnétique pour améliorer la sinusoïdité du champ magnétique et réduire la consommation de fer harmonique ;

2. Réduisez la charge magnétique, augmentez la charge thermique et réduisez la consommation fondamentale de fer;

3. À partir de la sélection des matériaux, sélectionnez des tôles d'acier au silicium avec une faible perte d'hystérésis.

En plus de la consommation de fer, les moteurs à grande vitesse accordent également une attention particulière aux pertes de courant alternatif, qui sont causées par la pénétration de champs magnétiques alternatifs secs à haute fréquence, apparaissant souvent à l'extérieur de l'aimant, de la gaine métallique et des surfaces d'enroulement du stator. En prenant la perte AC de l'aimant comme exemple, la méthode couramment utilisée consiste à diviser l'aimant en plusieurs segments, qui peuvent être des segments radiaux ou des segments axiaux. La segmentation peut réduire la zone de circulation des courants de Foucault et réduire la perte de courant alternatif, la figure ci-dessous est la simulation du champ de courants de Foucault après la segmentation, on peut voir que plus les particules sont segmentées, plus la perte de courant alternatif est faible. Il existe plus de solutions que la segmentation, qui se limite à l'espace et ne s'étend pas.

La composante de champ magnétique avec la fréquence la plus élevée dans le moteur à grande vitesse est introduite par le support PWM de l'onduleur, car le principe de fonctionnement de la modulation d'impulsions produit inévitablement des harmoniques de courant à haute fréquence, qui à leur tour produisent un champ magnétique à haute fréquence. , et le champ magnétique haute fréquence pénètre dans la surface de l'aimant, du stator et du rotor pour produire une perte haute fréquence. Certains moteurs à grande vitesse utilisent une structure d'entraînement à plusieurs niveaux pour améliorer les harmoniques de la bande latérale PWM.

06. Problèmes de roulement

La sélection des roulements des moteurs à grande vitesse est un problème clé, et il existe généralement quatre catégories de lévitation magnétique, de roulements à air, de roulements mécaniques à glissement et de roulements mécaniques à billes. Les roulements magnétiques sont utilisés dans les applications à puissance plus élevée, et les roulements à air sont utilisés dans les applications à puissance et taille réduites. Les roulements mécaniques nécessitent souvent une lubrification à l'huile et sont limités dans de nombreuses applications sans huile.

Il existe encore de nombreux problèmes et technologies clés des moteurs à grande vitesse, et ces problèmes doivent être gérés en même temps, ce qui est relativement élevé et difficile par rapport aux moteurs ordinaires. La nécessité d'adopter une conception de couplage multiphysique force-magnétique-thermique-NVH est un nouveau défi et une nouvelle opportunité.

Cet article présente huit catégories d'applications et six technologies clés de moteurs à grande vitesse. En général, les moteurs à grande vitesse sont une application prometteuse et techniquement difficile. Certaines technologies semblent loin de nous, mais du point de vue du développement, on peut voir que la veine du "haut débit peu profond - débit moyen-haut - débit ultra-ultra haut" évolue. Par rapport à il y a dix ans, 10,000 ou 20,000 moteurs rotatifs sont désormais monnaie courante. Par conséquent, le haut débit est un « long terme » et modifiera lentement le modèle de l'industrie. Ainsi, qu'il s'agisse de rechercher des opportunités dans de nouveaux domaines ou d'améliorer la compétitivité des produits existants, la technologie à haut débit est un domaine qui mérite un investissement à long terme.