Katrs veiktspējas ierobežojumu sasniegums izriet no inženiertehniskās loģikas, kas ir sadalāma un reproducējama, sākot no materiāla izturības dubultošanas līdz piecu galveno sistēmu sinerģijai.

30 000 apgr./min motoru masveida ražošana ir sadarbības lēciens inženierzinātnēs, aptverot materiālzinātni, elektromagnētisko dizainu, termisko pārvaldību, precīzo ražošanu un vadības algoritmus. PUMBAAEV ir sistemātiski no jauna definējis augstas veiktspējas pastāvīgā magnēta elektriskās piedziņas tehnoloģijas robežas, dubultojot rotora materiāla izturību, divu slāņu U veida magnēta topoloģiju, 10 slāņu nevienāda soļa matadatas tinumus, īpaši plānas silīcija tērauda laminācijas un pašu izstrādātas 1500 V SiC mikroshēmas.

Tehnoloģiju robeža vienmēr sniedzas aiz nākamās iterācijas. Inženieriem šī gadījuma vērtība slēpjas šādā veidā: aiz katra šķietami "ekstrēmā" veiktspējas rādītāja slēpjas sadalāma, reproducējama inženiertehniskā metodoloģija.

1. Pārskats: Ātrgaitas pamatvērtība

Līdz ar jaunu enerģijas transportlīdzekļu plašu ieviešanu ir ievērojami pieaudzis lietotāju pieprasījums pēc trases scenārijiem un ilgstošas ​​darbības lielā ātrumā. Tradicionālajiem automobiļu motoriem ir jaudas "lēciena punkts" ap 6000 apgr./min, un griezes moments nepārtraukti samazinās nemainīgas jaudas diapazonā, kā rezultātā ievērojami samazinās paātrinājuma sajūta lielā ātrumā apdzīšanas laikā virs 120 km/h.

PUMBAAEV definēja un izstrādāja 30 000 apgr./min klases elektrisko piedziņas bloku. Tā galvenās priekšrocības sniedzas tālāk par tīru veiktspēju. No sistēmu inženierijas viedokļa, pie tādas pašas mērķa izejas jaudas, ātruma palielināšana no 12 000 apgr./min līdz 30 000 apgr./min ļauj ievērojami samazināt aktīvo motora materiālu (vara, retzemju magnētu, silīcija tērauda) izmantošanu.

Saskaņā ar AVL pētījumu datiem, rotācijas ātruma dubultošana var samazināt dzelzs serdes materiāla patēriņu par aptuveni 40%, panākot sinerģisku apjoma, svara un izmaksu optimizāciju.

2 rotoru sistēma: pieci galvenie inženiertehniskie izaicinājumi

Rotors ir visneaizsargātākā, tomēr kritiskākā apakšsistēma ātrgaitas motorā. Pie 30 000 apgr./min centrbēdzes paātrinājums rotora ārējā malā pārsniedz 40 000 g. Jebkurš konstrukcijas trūkums var izraisīt katastrofālu kļūmi. Lai pārvarētu šo izaicinājumu, ir nepieciešami sasniegumi piecās tehniskās jomās.

1. uzdevums: materiāla stiprības dubultošana no 450 MPa līdz 1000 MPa augstas stiprības silīcija tēraudam

Tradicionālajās rotora laminācijās tiek izmantots neorientēts elektrotehniskais tērauds ar tecēšanas robežu aptuveni 450 MPa, kas ir pietiekams ātrumam līdz 20 000 apgr./min. Virs 30 000 apgr./min stīpas stiepes spriegums rotora ārējā diametrā pārsniedz parasto materiālu tecēšanas robežu.

​Inženiertehnisko izrāvienu ceļš:​

• ​Materiāla uzlabošanaAugstas stiprības elektrotehniskā tērauda (HS-ECS) ieviešana, palielinot stiepes izturību līdz≥1000 MPa— vairāk nekā divas reizes pārsniedz tradicionālās rūpniecības līmeni.

• ​Procesu atbalstsLāzermetināšanas ieviešana laminēšanas sakraušanai tradicionālās kniedēšanas vietā, uzlabojot starpslāņu savienošanas spēku, lai novērstu atdalīšanos lielā ātrumā. Precīza ārējā diametra slīpēšana sasniedz pielaidi ​±3 μm, nodrošinot rotora apaļumu.

2. uzdevums: magnēta fiksācija, augstas izplešanās līmēšanas process, lai novērstu bojājumus

Pastāvīgie magnēti, kas iestrādāti rotora spraugās, lielā ātrumā tiek pakļauti intensīvai centrbēdzes triecienam. Tradicionālā vienpusējā punktveida līmēšana rada sprieguma koncentrācijas risku lielā ātrumā; ekstremālos apstākļos magnēti var atdalīties no spraugas sienām vai pat izkrist, izraisot katastrofālu bojājumu.

Galvenā tehnoloģija: Līmes pārklājuma ar augstu izplešanās ātrumu izmantošana. Pēc sacietēšanas tilpums izplešas vairāk nekā 5 reizes, radot vienmērīgu līmes saskarni gan magnēta augšējā, gan apakšējā virsmā, ievērojami uzlabojot sprieguma sadalījumu salīdzinājumā ar punktveida līmēšanu. Pārklājuma materiālam jāiztur temperatūra >180°C, tā termiskās izplešanās koeficientam jāatbilst magnētam (~10×10⁻⁶/°C) un pēc sacietēšanas jāsasniedz bīdes izturība ≥15 MPa.

3. uzdevums: Rotora topoloģija, divslāņu U veida magnētu izvietojums optimizē magnētisko ķēdi un stiprību

PUMBAAEV izmanto "divslāņu U-veida" iekšējā pastāvīgā magnēta (IPM) topoloģiju: iekšējais U-slānis ir uzklāts ar ārējo U-slāni, un katra slāņa magnēti ir tālāk sadalīti vairākos segmentos.

​Galvenās priekšrocības:​

• ​Griezes momenta palielināšanaMaksimāli palielina q ass/d ass pretestības atšķirību, palielinot maksimālo griezes momentu par aptuveni 10 %, nepievienojot papildu magnēta materiālu.

• ​Stresa sadalījumsSegmentētā struktūra izkliedē spriegumu vairākās neatkarīgās vienībās, novēršot plaisāšanu monolītos magnētu blokos un atvieglojot magnetizācijas ražošanas problēmas.

• ​NVH optimizācijaDivkāršā U topoloģija apvienojumā ar šķērsvirziena dizainu kontrolē pamata gaisa spraugas plūsmas blīvuma kopējo harmonisko kropļojumu (THD) līdz mazāk nekā 5%, nomācot augstākas kārtas harmonikas.

Ātrgaitas motora rotora struktūras ilustrācija, kurā redzami divslāņu U veida magnēti un segmentēta konstrukcija.

4. uzdevums: ātrgaitas dinamiskā balansēšana, atlikušais disbalanss samazināts līdz 50 mg

Pie 30 000 apgr./min niecīgs disbalanss rada simtiem kilogramu centrbēdzes spēku. PUMBAAEV saspieda atlikušo disbalansu no tipiskā nozarē esošā līmeņa ≤150. mg līdz ≤50 mg, kas ir samazinājums par 67 %.

​Dinamiskās balansēšanas procesa ķēdeRupja apstrāde → Magnētu karstā pieliešana → Sākotnējā balansēšana → Precīza apstrāde → Liela ātruma, pilna ātruma diapazona dinamiskā balansa pārbaude (pārbaudīta pie 30 500 apgr./min). Nelīdzsvarotības korekcija tiek panākta, frēzējot svara noņemšanas caurumus gala vākos ar izšķirtspēju ±1 mg. Otrreizēja pārbaude pēc termiskā trieciena cikliem nodrošina stabilitāti pēc montāžas.

5. uzdevums: kritiskā ātruma projektēšana, 15 % drošības rezerve

Vibrācija ievērojami pastiprinās, kad darbības ātrums tuvojas rotora pirmajam lieces kritiskajam ātrumam. PUMBAAEV projektēja pirmo lieces kritisko ātrumu kā ​35 000 apgr./min, aptuveni par 15% virs maksimālā nominālā darba ātruma, nodrošinot pietiekamu drošības rezervi.

Īstenošanas ceļš: Gultņa atbalsta laiduma un sākotnējās slodzes palielināšana, lai uzlabotu vārpstas lieces stingrību; vienlaikus izmantojot silīcija nitrīda (Si₃N₄) keramikas gultņus, lai saglabātu gultņa stingrību pie lielākām DN vērtībām (ātrums × urbuma diametrs), vienlaikus nodrošinot dabisku izolāciju pret vārpstas strāvas koroziju.

3 Statora un termiskā vadība: koordinēts uzbrukums augstfrekvences zudumiem

Pie 30 000 apgr./min elektriskā frekvence sasniedz 500 Hz. Tradicionālo tinumu virskārtas efekts izraisa maiņstrāvas vara zudumu pieaugumu, tāpēc ir nepieciešams kombinēts matadata tinumu un tiešas eļļas dzesēšanas risinājums.

Matadata tinumi: 10 slāņu nevienmērīga soļa konstrukcija optimizē maiņstrāvas/līdzstrāvas vara zudumu attiecību

Taisnstūra šķērsgriezuma plakano vadu vara aizpildījuma koeficients var pārsniegt 60 %, kas ir ievērojami labāk nekā apaļo vadu 40–45 %. PUMBAAEV supermotora statorā tiek izmantots 10 slāņu nevienāda soļa matadatas tinums ar atšķirīgu vara sloksņu biezumu katrā slānī.

• ​Ārējie slāņi ir plānākiSpraugas atveres tuvumā tie galvenokārt pārvada augstfrekvences strāvas komponentus.

• ​Iekšējie slāņi ir biezākiSlota apakšas tuvumā tie galvenokārt pārvada līdzstrāvas komponentu.

Šī konstrukcija kontrolē maiņstrāvas/līdzstrāvas vara zudumu attiecību līdz aptuveni 1,15 (nozares tipiskā vērtība ir 1,3–1,5), savukārt nevienlīdzīgās starpslāņu spraugas optimizē dzesēšanas eļļas plūsmas šķērsgriezumu.

Serdes materiāls: īpaši plānas laminācijas ievērojami samazina augstfrekvences dzelzs zudumus

Serdes zudumi palielinās līdz ar frekvenci. Pie 500 Hz zudumi tradicionālajā 0,35 mm silīcija tēraudā palielinās. PUMBAAEV izmanto īpaši plānu, augstfrekvences elektrotehnisko tēraudu ar biezumu ≤0,2 mm, samazinot serdes zudumus pie 500 Hz par 40–50 % salīdzinājumā ar 0,35 mm tēraudu. Plānākas laminācijas arī palielina siltuma izkliedes virsmas laukumu uz tilpuma vienību.

Dzesēšanas sistēma: Tieša eļļas dzesēšana nodrošina efektīvu termisko pārvaldību

Statora termiskais blīvums pie 30 000 apgr./min ir ārkārtīgi augsts, pārsniedzot tradicionālās apvalka dzesēšanas iespējas. PUMBAAEV integrē dzesēšanas eļļas kanālu statora spraugās, ļaujot eļļai plūst starp tinumiem, panākot tiešu kontaktu dzesēšanai ar vara tinumiem.

​Trīsdaļīga termiskā sinerģija:

1. ​Ultraplānas laminācijasSamazināt dzelzs zudumus un palielināt virsmas laukumu.

2. ​Nevienlīdzīga soļa matadatasOptimizēt dzesēšanas eļļas plūsmas kanālus.

3. ​Tieša eļļas dzesēšanaNodrošina tieša kontakta dzesēšanu. Mērījumi liecina, ka tinumu temperatūras atšķirības vienmērīgā stāvoklī var kontrolēt 5 °C robežās, maksimālās temperatūras samazinot par aptuveni 40 °C.

4. NVH kontrole: Klusuma meklējumi elektriskajā laikmetā

Elektrotransportlīdzekļos, kuros fona troksnis ir zemāks, motora troksnis kļūst uztveramāks. 500 Hz pamatfrekvence pie 30 000 apgr./min un tās harmonikas atrodas cilvēka dzirdes jutīgākajā diapazonā (500–4000 Hz).

​Primārie trokšņa ierosmes avoti:

• ​Elektromagnētiskā spēka harmonikasĢenerē gaisa spraugas plūsmas blīvuma telpiskās harmonikas (ko nosaka magnēta forma, tinuma struktūra).

• ​Invertora PWM harmonikasKomutācijas frekvence un tās daudzkārtņi ievieš strāvas viļņu formas harmonikas, kas savukārt ierosina magnētiskā spēka harmonikas.

• ​Mehāniskais disbalanssRotora atlikušais disbalanss rada 1X rotācijas frekvences (500 Hz) ierosmi, kas jāatdala no gultņu un korpusa rezonanses frekvencēm.

​Trīskārša NVH kontroles stratēģija:

1. ​Elektromagnētiskā optimizācijaDaudzkritēriju rievas formas, slīpuma leņķa u. c. optimizācija, lai samazinātu elektromagnētiskā spēka harmoniku amplitūdu (piemēram, 6N kārtas). Šķēpumam tiek izmantota augstas precizitātes spirālveida sakraušana.

2. ​Konstrukciju stiegrošana un izolācijaUzlabot e-piedziņas bloka kopējo stingrību (korpusa ribas), lai novirzītu rezonanses frekvences prom no darba joslām; izmantot augstas efektivitātes vibrācijas izolācijas bukses stiprinājuma punktos, lai samazinātu vibrācijas pārnesi pa konstrukcijas ceļiem.

3. ​Augstas precizitātes dinamiskā balansēšanaAtlikušais disbalanss ≤50 mg nodrošina vibrācijas paātrinājumu pie 1X (500 Hz) ierosmes

5 Vadības un jaudas elektronika: SiC mikroshēmu izšķirošā loma

Augsta frekvence un augsta efektivitāte ir ātrgaitas motoru neatņemamas prasības, kas ir tieši atkarīgas no vadības un jaudas ierīču attīstības.

Pašu izstrādātā 1500 V SiC mikroshēma ir būtisks sasniegums. Salīdzinot ar tradicionālajiem IGBT tranzistoriem, SiC MOSFET tranzistori nodrošina:

• ​Augstāka pārslēgšanās frekvence: Atbalsta lielāku motora ātrumu (elektriskās frekvences).

• ​Zemāki pārslēgšanas zudumiUzlabo sistēmas efektivitāti, īpaši ātrgaitas reģionā.

• ​Augstāks sprieguma vērtējums1500 V vērtējums nodrošina drošības rezervi 800 V platformām un turpmākajām izstrādēm.

Vadības algoritmiem jābūt dziļi saskaņotiem ar motoru, nodrošinot stabilu darbību ātrgaitas lauka vājināšanās reģionā un optimālu efektivitāti.

06 Izaicinājumi un nākotnes attīstība

Esošie tehnoloģiskie šķēršļi

• ​Materiālu izmaksasAugstas stiprības elektrotehniskais tērauds un speciālie pārklājumi joprojām ir par 20–30 % dārgāki nekā tradicionālie risinājumi.

• ​Silīcija tērauda robežaPlānākas laminācijas samazina dzelzs zudumus, bet mazina stingrību; dzelzs zuduma un stingrības kompromiss ir galvenā problēma.

• ​Gultņa kalpošanas laika uzticamībaLai nodrošinātu ātrgaitas keramikas gultņu pilnu kalpošanas laiku ar īpaši augstām DN vērtībām, ir nepieciešami vairāk ceļa testu datu.

• ​SiC piegādes ķēdeIekšējo SiC mikroshēmu, jo īpaši 4H-SiC substrāta, ražas rādītāji un izmaksas ir galvenie industrializācijas šķēršļi.

Nākotnes tehnoloģiju ceļi

• ​Jauni materiāliAmorfie/nanokristāliskie mīkstie magnētiskie materiāli piedāvā ~60% mazākus serdes zudumus nekā silīcija tērauds un ir galvenais kandidāts nākamās paaudzes statora serdeņiem, lai gan trauslu materiālu apstrādē joprojām pastāv problēmas.

• ​Jaunas topoloģijasAksiālās plūsmas motori (AFM), kuru diska formas struktūra ir dabiski piemērota lielam ātrumam, ir dažu oriģinālā aprīkojuma ražotāju (OEM) attīstības plānā, piedāvājot par 20–40 % lielāku teorētisko jaudas blīvumu nekā radiālās plūsmas motori.

• ​Integrēta termiskā pārvaldībaDzesēšanas eļļas koplietošana starp statora un invertora jaudas moduļiem var samazināt termisko pretestību par ~30% un vienkāršot sistēmas arhitektūru.

• ​Mākslīgā intelekta vadīta dizaina revolūcijaDaudzfizikāla kosimulācija (elektromagnētiskā-termiskā-strukturālā-NVH) apvienojumā ar mākslīgā intelekta/optimizācijas algoritmiem sniedz potenciālu saīsināt ātrgaitas motoru attīstības ciklus no 24 mēnešiem līdz mazāk nekā 12 mēnešiem.

Tehnoloģiju robežas vienmēr sniedzas aiz nākamās iterācijas. 30 000 apgr./min motoru masveida ražošana iezīmē jauna tehnoloģiskā cikla sākumu, ko virza sistēmu inženierijas metodoloģija, dziļa vertikālā integrācija un ekstremāla inženiertehniskā domāšana.