Bước đột phá trong nghiên cứu｜Kết quả nghiên cứu động cơ nam châm vĩnh cửu thu nhỏ tốc độ cực cao được hỗ trợ tích hợp

Gao Qixing, Wang Xiaolin, Gu Cong, Liu Sihao và Li Dinghua, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quan trọng về Máy bay Đa năng và Hệ thống Điện của Đại học Hàng không và Vũ trụ Nam Kinh và NZSB, đã viết một bài báo trên Tạp chí Công nghệ Điện tử, Tập. Ngày 14 tháng 2 năm 2021: dựa trên vấn đề về động cơ nam châm vĩnh cửu thu nhỏ tốc độ cực cao (UHSMPMM) được điều chỉnh bởi các đặc tính của trường đa vật lý, họ đã tiến hành nghiên cứu thiết kế toàn diện về hệ thống hỗ trợ, thiết kế điện từ (nhiệt), độ bền kết cấu và động lực học của UHSMPMM.

Đầu tiên, họ đã thiết kế một hệ thống hỗ trợ tích hợp và cấu trúc động cơ bằng cách kết hợp các đặc tính vận hành của động cơ nam châm vĩnh cửu thu nhỏ tốc độ cực cao với các đặc điểm cấu trúc của rôto thu nhỏ. Thứ hai, họ nghiên cứu đặc tính tăng nhiệt độ tổn thất điện từ trong điều kiện tần số cao, đặc biệt tập trung vào ảnh hưởng của đặc tính tăng nhiệt độ đến độ bền kết cấu của rôto và đưa ra phương pháp tối ưu các thông số chính về độ bền kết cấu của cực. -roto tốc độ cao dựa trên khớp nối trường nhiệt độ. Thứ ba, họ đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ rôto tới hạn trong hệ thống hỗ trợ tổng thể và quy luật biến thiên. Cuối cùng, một nguyên mẫu 550000 vòng/phút/110W đã được phát triển và kiểm tra thực nghiệm trên cơ sở các kết quả tối ưu hóa và phân tích đặc tính đa khớp nối. Kết quả cho thấy nguyên mẫu hoạt động ổn định, chứng tỏ tính hiệu quả của thiết kế đề xuất.

Với sự gia tăng đáng kinh ngạc của nhu cầu về các thiết bị chuyển đổi năng lượng di động, mật độ năng lượng cao trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, quốc phòng và an ninh, sản xuất và đời sống, động cơ siêu nhỏ tốc độ cao đã trở thành một nội dung nghiên cứu không thể thiếu và được coi là hướng phát triển nhất định hiện nay . Công suất của động cơ siêu nhỏ tốc độ cực cao thường từ vài chục watt đến vài kilowatt và tốc độ của nó thường là hơn 100.000 vòng / phút. Các đặc tính của tốc độ cao, kích thước nhỏ và mật độ năng lượng cao làm cho nó phù hợp hơn với các yêu cầu đặc biệt của thiết bị cao cấp hiện đại.

Hình 1 cho thấy tình trạng nghiên cứu hiện tại và các lĩnh vực ứng dụng của động cơ nam châm vĩnh cửu siêu nhỏ tốc độ cực cao ngày nay. Trong số đó, thiết bị lưu trữ năng lượng bánh đà rô-to bên ngoài 100W-(150.000 đến 300.000) vòng/phút được thiết kế cho các ứng dụng hàng không vũ trụ của Đại học Bang Pennsylvania, Hoa Kỳ. Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tại Zurich đã phát triển một động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ cực cao 100W-500000 vòng/phút, được sử dụng làm bộ phận phát điện của tổ máy tuabin khí. Công ty Dyson của Anh đã trang bị cho máy hút bụi V11COMPLETE mới nhất của mình một động cơ tốc độ cực cao 125.000 vòng/phút, có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và lực hút mạnh; nó đã giành được sự công nhận rộng rãi từ thị trường.

Ngoài ra, động cơ vi mô tốc độ cực cao trong kho năng lượng bánh đà, y học, máy mài có độ chính xác cao và các lĩnh vực khác vẫn có không gian và triển vọng phát triển lớn hơn. Ví dụ, tốc độ của các tay khoan nha khoa tốc độ cao trong lĩnh vực y tế nằm trong khoảng từ 300.000 đến 450.000 vòng/phút do nó vẫn chủ yếu được điều khiển bởi tua-bin khí nên khó kiểm soát chính xác tốc độ và mô-men xoắn. Với điều kiện là ổ điện tốc độ cực cao được đưa vào sử dụng thay vì thiết bị điều khiển bằng không khí để đạt được sự điều chỉnh chính xác về tốc độ và mô-men xoắn của nó, hiệu quả điều trị lâm sàng có thể được cải thiện đáng kể.

Ngày nay, có rất ít nghiên cứu trong nước về động cơ vi mô tốc độ cực cao, trong đó có động cơ từ trở chuyển đổi tốc độ cực cao 1kW-130000 vòng / phút được phát triển bởi Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Nam Kinh và động cơ nam châm vĩnh cửu 2,3kW-150000 vòng / phút do Đại học Chiết Giang thiết kế vừa quản lý việc xây dựng nền tảng thử nghiệm vừa đưa ra các dạng sóng thử nghiệm ở tốc độ 130.000 vòng/phút và 100.000 vòng/phút tương ứng. Các dạng sóng thử nghiệm được mô tả trong các trường hợp vận hành không tải. Đại học Công nghệ Quảng Đông đã thiết kế cấu trúc stato-roto của động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu tốc độ cực cao 980W-200000 vòng / phút và phân tích về mặt lý thuyết các đặc tính của động cơ như điện từ, tổn thất, cường độ rôto, v.v...

Cho dù trong nghiên cứu lý thuyết hay ứng dụng công nghiệp, sự phát triển của động cơ tốc độ cực cao vẫn còn rất hạn chế. Yếu tố chính nằm ở chỗ tốc độ cực cao và kích thước thu nhỏ trang bị cho động cơ tốc độ cực cao mật độ năng lượng cực cao, nhưng cũng khiến chúng gặp phải nhiều vấn đề kỹ thuật, thiết kế điện từ, độ bền rôto, động lực học rôto, triệt tiêu tổn thất, phương pháp làm mát, hỗ trợ mang, v.v...

Vì lý do này, các học giả trong và ngoài nước đã tiến hành nghiên cứu toàn diện trong lĩnh vực động cơ tốc độ cực cao. Mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và rung rôto trong động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ cực cao đã được nghiên cứu, đồng thời phân tích ảnh hưởng của độ dày vỏ bọc, nhiễu và tốc độ đối với ứng suất rôto. Độ cứng hỗ trợ tuyến tính của vòng bi điện từ được tính toán dựa trên phân tích từ trường, chứng minh rằng sự hỗ trợ của vòng bi từ tính trên rôto là đẳng hướng và động cơ tốc độ cao vòng bi từ tính được thiết kế dựa trên kết quả. Một phân tích chuyên sâu về tổn thất đồng quanh cuộn dây của động cơ nam châm vĩnh cửu 1,5kW - 150.000 vòng / phút đã được tiến hành và tổn thất đồng quanh cuộn dây đã được giảm một cách hiệu quả bằng cách che chắn từ tính và tách dây dẫn. Một số học giả đã lấy mô hình động cơ 1kW-280000 vòng / phút làm ví dụ để so sánh hiệu quả làm mát của các phương pháp làm mát khác nhau trên động cơ tốc độ cực cao và cuối cùng đánh giá rằng mật độ công suất động cơ có thể tăng hơn gấp đôi bằng cách chọn sơ đồ làm mát phù hợp.

Xem xét những khó khăn kỹ thuật chính mà các động cơ vi mô tốc độ cực cao hiện đang gặp phải, các nhà nghiên cứu tại Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Nam Kinh đã nghiên cứu một phương pháp thiết kế toàn diện và tối ưu hóa cho các động cơ tốc độ cực cao hỗ trợ sự ổn định của hệ thống và khớp nối trường đa vật lý. 

Hình 2 Mối quan hệ khớp nối đặc tính trường đa vật lý và luồng thiết kế

Họ đã đưa ra một mô hình động cơ vi mô tốc độ cực cao với hệ thống hỗ trợ tích hợp và thiết kế cấu trúc rôto với vỏ hợp kim Nd2Fe14B gắn trên bề mặt 2 cực và cấu trúc stato “không có khe - 6 khe ảo” . Trong phân tích đa vật lý, các đặc tính ghép nối điện từ, suy hao và tăng nhiệt độ của nguyên mẫu được thiết kế đã được nghiên cứu, xác minh rằng các đặc tính đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Sau đó, dựa trên sự thay đổi của trường nhiệt độ, độ bền của rôto trong các điều kiện vận hành 0 vòng/phút-22°C, 300000 vòng/phút-35°C, 550000 vòng/phút-50°C và 550000 vòng/phút-80°C đã được hiệu chỉnh và lượng đổ đầy là được thiết kế tối ưu nằm trong khoảng từ 8 đến 12μm. Ảnh hưởng của vị trí hỗ trợ và độ cứng của hỗ trợ đối với tốc độ tới hạn đã được nghiên cứu đối với cấu trúc hỗ trợ tổng thể, vị trí hỗ trợ được lựa chọn hợp lý và phạm vi thiết kế của độ cứng hỗ trợ đã được đánh giá. Sau nhiều lần lặp lại thiết kế, một giải pháp thiết kế toàn diện để đáp ứng các yêu cầu của nhiều trường vật lý đã thu được.

Hình 3 Sơ đồ hệ thống hỗ trợ cánh quạt tích hợp

Hình 4 Nguyên mẫu và nền tảng thử nghiệm

Các nhà nghiên cứu cuối cùng đã nhận ra việc xử lý nguyên mẫu dựa trên thiết kế lý thuyết và tiến hành kiểm tra và đánh giá toàn diện nguyên mẫu. Kết quả thực nghiệm cho thấy nguyên mẫu đã vận hành thành công vòng tua máy ổn định 550.000 vòng/phút, chứng minh tính hợp lý và khả thi của thiết kế.

Kết quả nghiên cứu trên đã được công bố trên tạp chí Journal of Electrotechnology, Vol. 14, số 2021, có tiêu đề “Thiết kế dựa trên nhiều khớp nối của động cơ nam châm vĩnh cửu thu nhỏ tốc độ cực cao được hỗ trợ tích hợp” của Qixing Gao và Xiaolin Wang.

Sao chép từ: Các nhà khoa học của China Southern Airlines và các đơn vị khác đã công bố kết quả nghiên cứu về động cơ nam châm vĩnh cửu siêu nhỏ tốc độ cực cao được hỗ trợ tích hợp 2021-12-19, Electric New Technology.