Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorlar: Yüksek Sıcaklıklı Ortamlarda Yüksek-Hızlı Çalışmaya Yönelik Rotor Yapısının Tasarımı ve Uygulaması

Havacılık,{0}petrol arama, ileri teknoloji-ekipman üretimi ve yeni enerji araçları gibi ileri teknoloji alanlarda, yüksek-hızkalıcı mıknatıslı senkron motorlarYüksek sıcaklıktaki ortamlardaki (PMSM'ler),{0}}yüksek verimlilik, enerji tasarrufu, yüksek güç yoğunluğu ve hızlı tepki hızı gibi temel avantajlarından dolayı sürücü sistemlerinin temel bileşenleri haline gelmiştir. Motor enerji dönüşümü için temel bir taşıyıcı olarak rotor yapısı tasarımı, yüksek sıcaklık (genellikle 150 dereceye eşit veya daha büyük bir çalışma sıcaklığına atıfta bulunur) ve yüksek hız (dönme hızı 10000 dev/dak'ya eşit veya daha büyük) gibi çift zorlu çalışma koşulları altında motorun çalışma stabilitesini, güç çıkışını ve hizmet ömrünü doğrudan belirler. Sektördeki teknik uygulamaları ve en son araştırma sonuçlarını birleştiren bu makale, yüksek sıcaklıktaki ortamlardaki yüksek-hızlı PMSM'lerin rotor yapısının temel tasarım noktalarını, ana akım türlerini, malzeme seçimini ve optimizasyon stratejilerini ayrıntılarıyla anlatarak sektör uygulayıcıları için profesyonel referans sağlar ve ilgili teknolojilerin yükseltilmesini ve ürün uygulamasını kolaylaştırır.

Yüksek-sıcaklık ve yüksek-hızlı ikili çalışma koşullarının üst üste binmesi, rotor yapısı için üç temel katı gereksinimi ortaya koyar: birincisi, yüksek sıcaklık direnci ve anti-manyetizasyon. Yüksek sıcaklık, kalıcı mıknatısların manyetik özelliklerinin zayıflamasına ve hatta motorun güç çıkışını doğrudan etkileyen, geri dönüşü olmayan manyetikliğin giderilmesine yol açacaktır; ikincisi,-merkezkaç önleyici ve-dökülmeyi önleyici. Yüksek-hızlı dönüş tarafından üretilen devasa merkezkaç kuvvetinin, rotor yapısının deformasyonu ve kalıcı mıknatıs dökülmesi gibi güvenlik tehlikelerine yol açması muhtemeldir; üçüncüsü, düşük kayıp ve sıcaklık artışı kontrolü. Rotor girdap akımı kaybı, dönme hızının artmasıyla artacak, sıcaklığı daha da artıracak ve "yüksek sıcaklık - kaybı - manyetikliğin giderilmesi" şeklinde bir kısır döngü oluşturacaktır. Bu nedenle, rotor yapısı tasarımının yüksek sıcaklık direnci, anti{12}}merkezkaç kuvveti ve düşük kayıptan oluşan üç temel gereksinimi dengelemesi gerekir.

Şu anda yüksek-hızlı rotor yapılarıkalıcı mıknatıslı senkron motorlarYüksek sıcaklıktaki ortamlara uygun PMSM'ler temel olarak üç kategoriye ayrılır:-dahili-montajlı, yüzeye-montajlı ve kompozit. Her yapı türünün, pratiklik ve güvenilirliği dikkate alarak ve farklı yüksek-sıcaklık ve yüksek-hızlı çalışma koşullarının ihtiyaçlarını karşılayan, uygulanabilir senaryolara göre tasarım mantığı ve malzeme seçimine kendi odak noktası vardır.

Dahili-monteli rotor yapısı, yüksek-sıcaklık ve yüksek-hız senaryolarında en yaygın kullanılan türdür. Temel avantajı, kalıcı mıknatısların rotor çekirdeğinin içine gömülü olması, kalıcı mıknatısların yüksek-sıcaklıktaki ortamlara doğrudan maruz kalmasını önlemesi ve aynı zamanda rotorun mekanik gücünü artırmak ve yüksek-hızlı merkezkaç kuvvetine direnmek için çekirdek yapıya güvenmesidir. Bu yapı ayrıca gömülü ve dahili manyetik bariyer yapılarına bölünebilir. Gömülü yapı, kalıcı mıknatısları rotor çekirdeğinin yuvaları aracılığıyla sabitler ve kalıcı mıknatısların yüksek-hızlı dönüş sırasında kaymasını önlemek için bunları yüksek-sıcağa dayanıklı yapıştırıcılarla güçlendirir; dahili manyetik bariyer yapısı, birden fazla manyetik bariyer katmanı ayarlayarak girdap akımı yolunu bloke eder, rotor girdap akımı kaybını azaltır, sıcaklık artış genliğini düşürür ve aynı zamanda kalıcı mıknatısları harici manyetik alan girişiminden korumak için manyetik koruma etkisini geliştirir.

Dahili-monteli rotor yapısı, 10.000-30.000 devir/dakika dönüş hızına ve 150-250 derece çalışma sıcaklığına sahip senaryolar için uygundur; örneğin uçak motorlarını destekleyen motorlar ve-yüksek sıcaklıklı pompa motorları. Malzeme seçimi açısından, rotor çekirdeğinde çoğunlukla, çekirdek kaybını etkili bir şekilde azaltabilen, Baosteel B20AT1200 gibi 0,2 mm veya daha az, düşük kayıplı, yönlendirilmemiş silikon çelik saclar kullanılır; kalıcı mıknatıslar, yüksek-sıcaklık dereceli samaryum-kobalt (SmCo) manyetik çeliği veya yüksek-sıcaklık dereceli neodimyum-demir-bor (NdFeB) manyetik çeliği tercih eder. Bunlar arasında SmCo manyetik çeliği, yüksek sıcaklıktaki manyetikliğin giderilmesini etkili bir şekilde önleyebilen ve orta ve yüksek sıcaklık senaryolarının ihtiyaçlarını karşılayabilen 700-800 derecelik bir Curie sıcaklığına sahiptir.

Yüzeye-monte rotor yapısı, kalıcı mıknatısların doğrudan rotor yüzeyine yapıştırıldığı, basit yapı, yüksek manyetik bağlantı verimliliği ve yüksek güç yoğunluğu avantajlarına sahip olan ve yüksek-hız ve yüksek-güç yoğunluğu-sıcaklık senaryolarına uygun bir tasarımı benimser. Yüksek sıcaklığın ve yüksek hızın zorluklarını karşılamak için bu yapının, kalıcı mıknatıs sabitleme ve anti-manyetikleşme sorunlarını çözmeye odaklanması gerekir: kalıcı mıknatıslar, mükemmel yüksek-sıcaklık direncine sahip SmCo manyetik çelikten veya yeni samaryum-demir-nitrojen (SmFeN) mıknatıslardan seçilir. Bunlar arasında, SmFeN mıknatısları 470 derece kadar yüksek bir Curie sıcaklığına sahiptir, 200 derecenin üzerinde güçlü manyetizmayı hala koruyabilir ve ağır nadir toprak elementleri olmadan yüksek sıcaklıklarda kararlı çalışma sağlayabilir; aynı zamanda, kalıcı mıknatısların yüzeyine, çekme mukavemeti geleneksel metallerin 3-5 katı olan ve manyetik olmayan ve iletken olmayan, yüksek hızlı merkezkaç kuvvetine etkili bir şekilde direnebilen, girdap akımı kaybını önleyen ve sıcaklık artışını azaltan, esas olarak karbon fiber kompozit kılıflar kullanılarak yüksek-mukavemetli bir koruyucu kılıf sarılır.

Buna ek olarak, yüzeye monte- rotor yapısı, manşon üzerinde çevresel sığ oluklar açarak ve kalıcı mıknatıslar ile manşon arasına bakır koruyucu halkalar ekleyerek girdap akımı kaybını daha da azaltabilir ve ısı dağıtım etkisini optimize edebilir. Yeni enerji araç tahrik motorları ve yüksek hızlı kompresör destekleyen motorlar gibi 20000-40000 dev/dk dönüş hızına ve 180-300 derece çalışma sıcaklığına sahip senaryolar için uygundur.

Kompozit rotor yapısı, dahili-monteli ve yüzeye-monteli yapıların avantajlarını birleştiren optimize edilmiş bir tasarımdır. Çekirdeği, kalıcı mıknatısların bir kısmının rotor çekirdeğine gömülmesi ve bir kısmının mekanik mukavemet ve manyetik performans dikkate alınarak rotor yüzeyine yapıştırılmasıdır. Bu yapının rotor çekirdeği, yüksek-sıcağa dayanıklı silikon çelik levhalardan veya lamine edilmiş yumuşak manyetik kompozitten (SMC) yapılmıştır. SMC malzemesi, yüksek-frekanslı girdap akımı kaybını etkili bir şekilde bastırabilen ve yüksek-hız ve yüksek-frekans senaryoları için uygun olan izotropik manyetik geçirgenliğe sahiptir; gömülü kalıcı mıknatıslar motorun aşırı yük kapasitesini iyileştirmek için kullanılır ve yüzeye- monteli kalıcı mıknatıslar güç yoğunluğunu iyileştirmek için kullanılır ve manyetik devre tasarımı optimize edilerek girdap akımı kaybı azaltılır.

Yüksek-sıcaklık direncini daha da geliştirmek için, kompozit rotor yapısı genellikle yerleşik-soğutma kanallarıyla donatılır ve manyetik çeliği ve yatakları eş zamanlı olarak soğutmak için rotorun içine soğutma sıvısı vermek üzere yağ soğutma teknolojisi kullanılır, bu da 200-300 derecelik bir çalışma sıcaklığına uygun olan rotor sıcaklığını etkili bir şekilde kontrol eder.