Dlaczego prędkość silnika jest coraz większa ze względu na koszty?

przedmowa

 

 

Podczas „wiosennej konferencji marki Dongfeng Motor Brand 2023”, która odbyła się 10 kwietnia, zaprezentowano nową markę energii Mach E. E oznacza elektryczność, wysoką wydajność, oszczędność energii i ochronę środowiska.Mach E składa się głównie z trzech głównych platform produktowych: napędu elektrycznego, akumulatora i suplementu energetycznego.

 

Wśród nich część napędu elektrycznego Mach ma następujące cechy:

 

  • Silnik z technologią wirnika powlekanego włóknem węglowym, prędkość może osiągnąć 30 000 obr./min;
  • chłodzenie oleju;
  • Stojan z drutu płaskiego z 1 szczeliną i 8 przewodami;
  • Opracowany samodzielnie kontroler SiC;
  • Maksymalna wydajność systemu może osiągnąć 94,5%.

 

W porównaniu z innymi technologiami,rotor pokryty włóknem węglowym i maksymalna prędkość 30 000 obr./min stały się najbardziej charakterystycznymi cechami tego napędu elektrycznego.

 

微信图片_20230419181816
Napęd elektryczny Mach E 30000 obr./min

 

Wysoka prędkość obrotowa i niski koszt z natury Linke

Maksymalna prędkość nowego silnika energetycznego wzrosła z początkowych 10 000 obr./min do obecnie powszechnie popularnych 15 000–18 000 obr./min.Ostatnio firmy wypuściły na rynek elektryczne systemy napędowe o prędkości ponad 20 000 obr./min, dlaczego więc prędkość nowych silników energetycznych jest coraz większa?

 

Tak, wyniki oparte na kosztach!

 

Poniżej przedstawiono analizę zależności pomiędzy prędkością silnika a kosztem silnika na poziomie teoretycznym i symulacyjnym.

 

Nowy, czysty, elektryczny układ napędowy składa się zasadniczo z trzech części: silnika, sterownika silnika i skrzyni biegów.Sterownik silnika jest wejściowym końcem energii elektrycznej, skrzynia biegów jest wyjściowym końcem energii mechanicznej, a silnik jest jednostką konwersji energii elektrycznej i energii mechanicznej.Jego metoda działania polega na tym, że sterownik wprowadza energię elektryczną (prąd * napięcie) do silnika.Poprzez interakcję energii elektrycznej i energii magnetycznej wewnątrz silnika, przekazuje on energię mechaniczną (prędkość*moment obrotowy) do skrzyni biegów.Skrzynia biegów napędza pojazd, regulując prędkość i moment obrotowy wytwarzany przez silnik poprzez przełożenie redukcji biegów.

 

Analizując wzór na moment obrotowy silnika, można zauważyć, że wyjściowy moment obrotowy silnika T2 jest dodatnio skorelowany z objętością silnika.

 

微信图片_20230419181827
 

N to liczba zwojów stojana, I to prąd wejściowy stojana, B to gęstość strumienia powietrza, R to promień rdzenia wirnika, a L to długość rdzenia silnika.

 

W przypadku zapewnienia liczby zwojów silnika, prądu wejściowego sterownika i gęstości strumienia szczeliny powietrznej silnika, w przypadku zmniejszenia zapotrzebowania na wyjściowy moment obrotowy T2 silnika, długość lub średnica żelazny rdzeń można zmniejszyć.

 

Zmiana długości rdzenia silnika nie wiąże się ze zmianą tłocznika stojana i wirnika, a zmiana jest stosunkowo prosta, dlatego zwykłą operacją jest określenie średnicy rdzenia i zmniejszenie długości rdzenia .

 

Wraz ze zmniejszaniem się długości żelaznego rdzenia zmniejsza się ilość materiałów elektromagnetycznych (rdzeń żelazny, stal magnetyczna, uzwojenie silnika) silnika.Materiały elektromagnetyczne stanowią stosunkowo dużą część kosztów silników, około 72%.Jeśli moment obrotowy można zmniejszyć, koszt silnika zostanie znacznie obniżony.

 

微信图片_20230419181832
 

Skład kosztów silnika

 

Ponieważ nowe pojazdy energetyczne mają stałe zapotrzebowanie na moment obrotowy po stronie koła, jeśli wyjściowy moment obrotowy silnika ma zostać zmniejszony, należy zwiększyć przełożenie skrzyni biegów, aby zapewnić moment obrotowy po stronie koła pojazdu.

 

n1=n2/r

T1=T2×r

n1 to prędkość po stronie koła, n2 to prędkość silnika, T1 to moment obrotowy po stronie koła, T2 to moment obrotowy silnika, a r to przełożenie redukcji.

 

A ponieważ nowe pojazdy energetyczne w dalszym ciągu wymagają prędkości maksymalnej, maksymalna prędkość pojazdu również zmniejszy się po zwiększeniu przełożenia skrzyni biegów, co jest niedopuszczalne, dlatego wymaga zwiększenia prędkości silnika.

 

Podsumowując,po tym, jak silnik zmniejszy moment obrotowy i przyspieszy, przy rozsądnym stosunku prędkości, może obniżyć koszt silnika, zapewniając jednocześnie zapotrzebowanie pojazdu na moc.

Wpływ przyspieszenia de-skrętnego na inne właściwości01Po zmniejszeniu momentu obrotowego i przyspieszeniu długość rdzenia silnika maleje, czy będzie to miało wpływ na moc? Spójrzmy na wzór na moc.

 

微信图片_20230419181837
U to napięcie fazowe, I to prąd wejściowy stojana, cos∅ to współczynnik mocy, a η to sprawność.

 

Ze wzoru widać, że we wzorze na moc wyjściową silnika nie ma parametrów związanych z wielkością silnika, zatem zmiana długości rdzenia silnika ma niewielki wpływ na moc.

 

Poniżej przedstawiono wynik symulacji charakterystyki zewnętrznej określonego silnika. W porównaniu z zewnętrzną charakterystyką długość rdzenia żelaznego jest zmniejszona, wyjściowy moment obrotowy silnika staje się mniejszy, ale maksymalna moc wyjściowa nie zmienia się zbytnio, co również potwierdza powyższe teoretyczne wyprowadzenie.

微信图片_20230419181842

Porównanie zewnętrznych krzywych charakterystycznych mocy i momentu obrotowego silnika przy różnych długościach rdzenia żelaznego

 

02Wzrost prędkości silnika stawia wyższe wymagania dotyczące doboru łożysk, a łożyska o dużej prędkości są wymagane, aby zapewnić trwałość eksploatacyjną łożysk.

03Silniki o dużej prędkości są bardziej odpowiednie do chłodzenia oleju, co może wyeliminować problemy z doborem uszczelnienia olejowego, zapewniając jednocześnie odprowadzanie ciepła.

04Ze względu na dużą prędkość silnika można rozważyć zastosowanie silnika z drutem okrągłym zamiast silnika z drutem płaskim, aby zmniejszyć straty prądu przemiennego w uzwojeniu przy dużej prędkości.

05Gdy liczba biegunów silnika jest stała, częstotliwość robocza silnika wzrasta ze względu na wzrost prędkości. Aby zredukować harmoniczne prądu, konieczne jest zwiększenie częstotliwości przełączania modułu mocy. Dlatego sterownik SiC o wysokiej rezystancji częstotliwości przełączania jest dobrym partnerem dla silników o dużej prędkości.

06Aby zmniejszyć utratę żelaza przy dużej prędkości, należy rozważyć wybór materiałów ferromagnetycznych o niskich stratach i wysokiej wytrzymałości.

07Upewnij się, że wirnik nie może zostać uszkodzony z powodu nadmiernej prędkości przy 1,2-krotności maksymalnej prędkości, na przykład optymalizując mostek izolacji magnetycznej, powłokę z włókna węglowego itp.

 

微信图片_20230419181847
Obraz tkania włókna węglowego

 

Streszczać

 

 

Zwiększenie prędkości silnika może obniżyć koszt silnika, ale należy w równowadze uwzględnić wzrost kosztów innych komponentów.Kierunkiem rozwoju elektrycznych układów napędowych będą silniki wysokoobrotowe. To nie tylko sposób na oszczędność kosztów, ale także odzwierciedlenie poziomu technicznego przedsiębiorstwa.Rozwój i produkcja silników o dużej prędkości jest nadal niezwykle trudna. Oprócz zastosowania nowych materiałów i nowych procesów wymaga to także ducha doskonałości inżynierów elektryków.


Czas publikacji: 19 kwietnia 2023 r