Motori sincroni a magneti permanenti: progettazione e applicazione della struttura del rotore per il funzionamento ad alta-velocità in ambienti ad-temperatura elevata

Nei settori-di fascia alta come quello aerospaziale, dell'esplorazione petrolifera, della produzione di-apparecchiature di fascia alta e dei veicoli a nuova energia, l'alta-velocitàmotori sincroni a magneti permanenti(PMSM) in ambienti ad alta-temperatura sono diventati componenti fondamentali dei sistemi di azionamento grazie ai vantaggi principali di alta efficienza, risparmio energetico, elevata densità di potenza e rapida velocità di risposta. Essendo un elemento chiave per la conversione dell'energia del motore, il design della struttura del rotore determina direttamente la stabilità operativa, la potenza erogata e la durata di servizio del motore nelle duplici condizioni di lavoro difficili di alta temperatura (di solito riferita a una temperatura operativa maggiore o uguale a 150 gradi) e alta velocità (velocità di rotazione maggiore o uguale a 10000 giri/min). Combinando le pratiche tecniche del settore e gli ultimi risultati della ricerca, questo articolo descrive in dettaglio i punti fondamentali della progettazione, i tipi principali, la selezione dei materiali e le strategie di ottimizzazione della struttura del rotore dei PMSM ad alta-velocità in ambienti ad alta-temperatura, fornendo riferimento professionale per i professionisti del settore e facilitando l'aggiornamento delle tecnologie correlate e l'implementazione del prodotto.

La sovrapposizione delle condizioni di lavoro duali ad alta-temperatura e ad alta-velocità impone tre requisiti fondamentali rigorosi per la struttura del rotore: in primo luogo, resistenza alle alte temperature e anti-smagnetizzazione. L'alta temperatura porterà all'attenuazione delle proprietà magnetiche dei magneti permanenti e persino alla smagnetizzazione irreversibile, influenzando direttamente la potenza del motore; secondo, anti-centrifugo e anti-spargimento. L'enorme forza centrifuga generata dalla rotazione ad alta-velocità potrebbe causare rischi per la sicurezza come la deformazione della struttura del rotore e il distacco del magnete permanente; terzo, controllo dell'aumento della temperatura e delle perdite ridotte. La perdita di corrente parassita del rotore aumenterà con l'aumento della velocità di rotazione, aumentando ulteriormente la temperatura, formando un circolo vizioso di "perdita di - ad alta temperatura - smagnetizzazione". Pertanto, il design della struttura del rotore deve bilanciare i tre requisiti fondamentali: resistenza alle alte temperature, forza anti-centrifuga e basse perdite.

Attualmente, le strutture del rotore ad alta-velocitàmotori sincroni a magneti permanentiI PMSM adatti per ambienti ad alta-temperatura sono principalmente suddivisi in tre categorie: montaggio-interno, montaggio-in superficie e composito. Ogni tipo di struttura si concentra sulla logica di progettazione e sulla selezione dei materiali in base agli scenari applicabili, tenendo conto della praticità e dell'affidabilità e coprendo le esigenze delle diverse condizioni di lavoro ad alta-temperatura e ad alta-velocità.

La struttura del rotore montato internamente- è il tipo più utilizzato in scenari di alta-temperatura e alta-velocità. Il suo vantaggio principale è che i magneti permanenti sono incorporati all'interno del nucleo del rotore, evitando l'esposizione diretta dei magneti permanenti ad ambienti ad alta-temperatura e, allo stesso tempo, facendo affidamento sulla struttura del nucleo per migliorare la resistenza meccanica del rotore e resistere alla forza centrifuga ad alta-velocità. Questa struttura può essere ulteriormente suddivisa in strutture di barriera magnetica incorporata e interna. La struttura incorporata fissa i magneti permanenti attraverso le fessure del nucleo del rotore e li rinforza con adesivi resistenti alle alte-temperature per evitare che i magneti permanenti si spostino durante la rotazione ad alta-velocità; la struttura interna della barriera magnetica blocca il percorso delle correnti parassite impostando più strati di barriere magnetiche, riduce la perdita di correnti parassite del rotore, abbassa l'ampiezza dell'aumento di temperatura e allo stesso tempo migliora l'effetto di schermatura magnetica per proteggere i magneti permanenti dalle interferenze del campo magnetico esterno.

La struttura del rotore montata internamente- è adatta per scenari con una velocità di rotazione di 10.000-30.000 giri/min e una temperatura operativa di 150-250 gradi, come motori che supportano motori aeronautici-e motori di pompe ad alta-temperatura. In termini di selezione dei materiali, il nucleo del rotore adotta principalmente fogli di acciaio al silicio orientato non-a basse-perdite di 0,2 mm o meno, come Baosteel B20AT1200, che può ridurre efficacemente la perdita del nucleo; i magneti permanenti preferiscono l'acciaio magnetico al samario-cobalto (SmCo) ad alta temperatura o l'acciaio magnetico al neodimio-ferro-boro (NdFeB) ad alta temperatura. Tra questi, l'acciaio magnetico SmCo ha una temperatura Curie di 700-800 gradi, che può efficacemente evitare la smagnetizzazione ad alta temperatura e soddisfare le esigenze di scenari a media e alta temperatura.

La struttura del rotore montata sulla superficie- adotta un design in cui i magneti permanenti vengono incollati direttamente sulla superficie del rotore, che presenta i vantaggi di una struttura semplice, un'elevata efficienza di accoppiamento magnetico e un'elevata densità di potenza ed è adatto per scenari ad alta-velocità e alta-densità di potenza e alta-temperatura. Per affrontare le sfide dell'alta temperatura e dell'alta velocità, questa struttura deve concentrarsi sulla risoluzione dei problemi di fissazione del magnete permanente e anti-smagnetizzazione: i magneti permanenti sono selezionati tra acciaio magnetico SmCo con eccellente resistenza alle alte-temperatura o nuovi magneti al samario-ferro-azoto (SmFeN). Tra questi, i magneti SmFeN hanno una temperatura Curie fino a 470 gradi, possono ancora mantenere un forte magnetismo superiore a 200 gradi e possono raggiungere un funzionamento stabile ad alte temperature senza terre rare pesanti; allo stesso tempo, un manicotto protettivo ad alta resistenza è avvolto sulla superficie dei magneti permanenti, principalmente utilizzando manicotti compositi in fibra di carbonio, la cui resistenza alla trazione è 3-5 volte quella dei metalli tradizionali ed è non-magnetico e non-conduttivo, in grado di resistere efficacemente alla forza centrifuga ad alta velocità, evitare la perdita di correnti parassite e ridurre l'aumento di temperatura.

Inoltre, la struttura del rotore montata sulla superficie- può ridurre ulteriormente la perdita di correnti parassite e ottimizzare l'effetto di dissipazione del calore aprendo scanalature circonferenziali poco profonde sul manicotto e aggiungendo anelli di schermatura in rame tra i magneti permanenti e il manicotto. È adatto per scenari con una velocità di rotazione di 20.000-40.000 giri/min e una temperatura operativa di 180-300 gradi, come i motori di azionamento dei veicoli a nuova energia e i motori di supporto dei compressori ad alta velocità.

La struttura composita del rotore è un design ottimizzato che combina i vantaggi delle strutture montate internamente-e in superficie-montate. Il suo nucleo è che parte dei magneti permanenti sono incorporati nel nucleo del rotore e parte sono incollati sulla superficie del rotore, tenendo conto della resistenza meccanica e delle prestazioni magnetiche. Il nucleo del rotore di questa struttura è costituito da lamiere di acciaio al silicio resistenti alle alte temperature- o da un materiale composito magnetico morbido (SMC). Il materiale SMC ha permeabilità magnetica isotropa, che può sopprimere efficacemente la perdita di correnti parassite ad alta-frequenza ed è adatto per scenari ad alta-velocità e alta-frequenza; i magneti permanenti incorporati vengono utilizzati per migliorare la capacità di sovraccarico del motore, mentre i magneti permanenti montati sulla superficie- vengono utilizzati per migliorare la densità di potenza e la perdita di correnti parassite viene ridotta ottimizzando il design del circuito magnetico.

Per migliorare ulteriormente la resistenza alle alte-temperature, la struttura composita del rotore è solitamente dotata di canali di raffreddamento-integrati e la tecnologia di raffreddamento dell'olio viene utilizzata per introdurre liquido di raffreddamento nel rotore per raffreddare contemporaneamente l'acciaio magnetico e i cuscinetti, controllando efficacemente la temperatura del rotore, adatta per una temperatura operativa di 200-300 gradi.