고속 모터를 위한 6가지 핵심 기술

고속 모터를 위한 6가지 핵심 기술

"더 작은 크기와 더 높은 출력을 추구하면서 모터의 속도는 초기에 2~3천 회전에서 수만에서 수십만 회전으로 계속 상승했으며 더 빠른 속도는 출력 밀도와 원료 활용도를 향상시켰습니다." 따라서 새로운 에너지 드라이브를 예로 들면 고속이 강력한 추세이며 Toyota Prius 1세대의 최대 속도는 6000r/min에 불과하고 4세대 제품의 속도는 17000r/min에 이릅니다. 이번 호에서는 스피드 모터의 적용과 그 이면에 있는 핵심 기술을 보다 높은 관점에서 살펴봅니다. "

고속 및 초고속은 광범위한 적용 가능성을 가지고 있지만 동시에 모터에 극도로 높은 과제를 안겨줍니다. 우리는 이러한 문제를 동일한 범주로 결합하고 열 발산, 선택, 회전자 구조, 진동 소음의 6가지 범주가 있음을 발견했습니다. , 효율적인 설계, 베어링.

 

01. 방열 문제

 

전동기 손실은 속도의 기하학적 수에 따라 증가하고, 높은 손실로 인해 발생하는 열은 전동기의 온도 상승을 매우 빠르게 증가시키며, 고속 운전을 유지하기 위해서는 방열이 좋은 냉각 방식을 설계해야 합니다. 일반적인 고속 모터 냉각 방법은 다음과 같습니다.

 

아래 그림과 같이 "내부 강제 공기 냉각"은 강한 찬 공기가 모터에 직접 불어와 권선 및 코어의 열을 제거할 수 있습니다. 이러한 방식은 일반적으로 공기 압축기, 송풍기, 항공기 모터 및 강한 기타 경우에 나타납니다. 바람을 사용할 수 있습니다.

2 "내부 오일 냉각" 모터를 닫고 보호해야 하는 적용 환경이나 강풍에서 가장 많이 사용되는 내부 오일 냉각 방식은 고가에 사용되는 고정자 홈에 오일 냉각을 조합하는 것과 같은 것입니다. AVL이 설계한 스피드 모터. 일부 모터는 또한 권선 오일 주입 냉각과 고정자 오일 냉각, 로터 오일 냉각 등의 조합을 채택합니다.

고전력 밀도를 달성하기 위해서는 발열과 냉각이 고속 모터가 직면해야 하는 중요한 문제입니다.

 

02. 모터 선택 문제

 

영구 자석 모터 또는 유도 모터? 스위치드 릴럭턴스와 같은 다른 유형의 모터이든, 고속 모터 유형의 선택은 항상 표준 답이 없는 질문이었습니다. 일반적으로 전력 밀도와 효율 면에서 영구자석 모터를 선택하는 것이 유리하고 신뢰성 면에서 유도 전동기와 스위치드 릴럭턴스 모터를 선택한다. 그러나 진동 노이즈가 크기 때문에 스위치드 릴럭턴스의 적용은 적습니다.

 

 

아래 그림은 속도와 전력이 다른 고속 모터의 유형 분포 법칙이며 모터의 "전력 * 속도 값"은 등고선 곡선으로 그려지며 몇 가지 일반적인 컨텍스트를 찾을 수 있습니다. 응용 분야 중 유도 전동기가 가장 많고 고속 응용 분야에는 유도 전동기와 영구 자석 전동기가 공존합니다. 이 원칙을 준수하는 한 범위 내에서 필요에 따라 모터 유형을 선택할 수 있습니다.

03. 로터 구조의 문제점

 

고속 모터의 회전자 구조가 극복해야 하는 원심 응력은 일반적으로 "고속" 범위에서 사용되며, 금속 외장, 회전자 자체 구조(예: lpm의 물고기 골격, IM의 회전자 구조) 등, 탄소 섬유 권선은 "초고속" 범위에서 사용되거나 단순히 로터를 에너지 저장 플라이휠의 모터와 같은 견고한 통합 구조로 만듭니다.

대부분의 영구자석 고속전동기는 회전자 시스의 구조를 사용하는데, 이 설계 역시 영구자석을 보호하고 시스의 파손을 방지하기 위한 매우 특수한 설계입니다. 따라서 아래 그림과 같이 응력 집중을 피하십시오. 자석이 전체 둘레를 채우지 않으면 피복과 자석에 응력이 집중되므로 고속 영구 자석 모터는 완전한 링을 사용합니다. 자석, 완전한 링이 아닌 경우 원주를 채우는 데에도 사용됩니다.

04. 진동 소음 문제

 

진동 소음 문제는 고속 모터의 주요 장애물입니다. 일반 모터와 비교할 때 로터의 임계 속도 문제 및 샤프트의 편향 진동 문제와 같은 로터 동역학으로 인한 진동 문제가 있습니다. 고주파 전자기력으로 인한 하울링 문제도 있으며 고속 모터의 전자기력 주파수가 높고 분포 범위가 넓으며 고정자 시스템의 공진을 자극하기 쉽습니다.

임계 속도 진동을 방지하기 위해 고속 모터의 회전자 설계는 매우 중요하며 엄격한 모달 분석 및 테스트가 필요합니다. 길이 대 직경 비율은 설계에서 최적화 변수로 사용되어야 합니다. 로터 설계가 너무 두껍고 짧아서 임계 속도의 상한을 증가시킬 수 있고 공진이 발생하기 쉽지 않지만 어려움이 있습니다. 원심 응력 증가를 극복하기 위한 로터. 결국 로터 설계가 가늘어지고 원심력 문제가 개선되지만 임계 속도가 이동하고 공진 확률이 높아지며 전자기력도 감소합니다. 따라서 로터의 설계는 반복적으로 균형을 이루어야 하며 이는 고속 모터 설계의 최우선 과제입니다.

 

 

05. 효율적인 질문

 

모터 손실은 속도의 기하학적 수에 따라 증가하고 높은 손실은 모터 효율을 빠르게 감소시킵니다. 높은 효율을 달성하기 위해서는 모든 종류의 손실을 관리해야 합니다. 철 소모량을 예로 들면 와전류 손실을 줄이기 위해 0.10mm, 0.08mm의 초박형 실리콘 강판이 일반적으로 사용됩니다. 초박형 웨이퍼는 와전류 손실을 줄일 수 있지만 히스테리시스 손실을 개선할 수 없기 때문에 초박형 시트의 철 히스테리시스 손실이 대부분을 차지하고 일반 시트의 와전류 손실이 대부분을 차지합니다. 히스테리시스 손실을 개선하기 위해 다음 세 가지 방법에서 시작할 수 있습니다.

 

1. 자기장의 정현파를 개선하고 고조파 철 소비를 줄이기 위해 자기 회로 설계를 최적화합니다.

2. 자기 부하를 줄이고 열 부하를 높이며 기본적인 철 소비를 줄입니다.

3. 재질 선정부터 히스테리시스 손실이 작은 규소강판을 선정한다.

철 소비 외에도 고속 모터는 AC 손실에 각별한 주의를 기울입니다. 이는 종종 자석, 금속 외피 및 고정자 권선 표면 외부에 나타나는 건조한 고주파 교류 자기장의 침투로 인해 발생합니다. 자석의 AC 손실을 예로 들면 일반적으로 사용되는 방법은 자석을 방사형 세그먼트 또는 축 방향 세그먼트가 될 수 있는 여러 세그먼트로 나누는 것입니다. 분할은 와전류 순환 영역을 줄이고 AC 손실을 줄일 수 있습니다. 아래 그림은 분할 후 와전류 필드의 시뮬레이션입니다. 분할 입자가 많을수록 AC 손실이 작아지는 것을 볼 수 있습니다. 공간에 제한되고 확장되지 않는 분할보다 더 많은 솔루션이 있습니다.

고속 모터에서 주파수가 가장 높은 자기장 성분은 인버터의 PWM 캐리어에 의해 도입됩니다. 펄스 변조의 작동 원리는 필연적으로 고주파 전류 고조파를 생성하여 고주파 자기장을 추가로 생성하기 때문입니다. , 고주파 자기장은 자석의 표면과 고정자 및 회 전자에 침투하여 고주파 손실을 발생시킵니다. 일부 고속 모터는 다단계 구동 구조를 사용하여 PWM 측파대 고조파를 개선합니다.

06. 베어링 문제

고속 모터의 베어링 선택은 핵심 문제이며 일반적으로 자기 부상, 에어 베어링, 슬라이딩 기계 베어링 및 볼 기계 베어링의 네 가지 범주가 있습니다. 자기 베어링은 더 높은 전력을 사용하는 응용 분야에 사용되며 에어 베어링은 더 작은 전력과 크기를 사용하는 응용 분야에 사용됩니다. 기계식 베어링은 종종 오일 윤활이 필요하며 오일이 없는 많은 응용 분야에서 제한됩니다.

고속 전동기에는 아직 많은 핵심 문제와 기술이 존재하고 이러한 문제를 동시에 관리해야 하는 부분이 일반 전동기에 비해 상대적으로 높고 어려운 부분이다. 힘-자기-열-NVH 다중 물리 결합 설계를 채택해야 하는 필요성은 새로운 도전이자 새로운 기회입니다.

이 기사에서는 고속 모터의 8가지 응용 분야와 6가지 핵심 기술을 소개합니다. 일반적으로 고속 모터는 유망하고 기술적으로 까다로운 응용 분야입니다. 어떤 기술은 우리와 동떨어진 것 같지만, 발전의 관점에서 보면 '얕은 고속-중고속-초초고속'의 맥이 진화하고 있음을 알 수 있다. 10년 전에 비해 10,000 또는 20,000 로터리 모터는 이제 일반화되었습니다. 따라서 고속은 "장기주의"이며 천천히 산업의 패턴을 바꿀 것입니다. 따라서 새로운 분야에서 기회를 찾는 것이든 기존 제품의 경쟁력을 높이는 것이든 고속 기술은 장기적으로 투자할 가치가 있는 분야입니다.