Влияние окружной скорости и частоты вращения на конструкцию, систему охлаждения и характеристики электрической машины в составе гибридной силовой установки
Автор: Гарипов И.Р., Саяхов И.Ф., Юшкова О.А.
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Электротехнические комплексы и системы
Статья в выпуске: 1 т.25, 2025 года.
Бесплатный доступ
В статье представлен анализ конструкции электрической машины с внешним ротором мощностью 200 кВт, обеспечивающей высокие удельные характеристики и предназначенной для применения в составе гибридных силовых установок. Конструкция высокообротной синхронной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов и внешним ротором выбрана по результатам обзора как наиболее перспективная с точки зрения достижения требуемых удельных характеристик. Основным ограничением для получения предельного значения удельной мощности в подобных конструкциях являются вопросы прочностной надежности ротора. С целью определения достижимого уровня удельной мощности электрических машин при существующем уровне технологий проведен анализ электромагнитных и прочностных характеристик конструкции с различными окружными скоростями на периферии (u = 200-300 м/с) и частотами вращения ротора (n = 20 000-30 000 об/мин). В ходе расчётно-аналитического исследования установлено следующее: для минимизации пульсации крутящего момента и зубцового момента рекомендуется обеспечить окружную скорость более 230 м/с; оптимальное соотношение длины активной части машины к её диаметру составляет λ = 0,24-0,26; в качестве материала ротора целесообразно применять титановый сплав. Определены диапазоны значений окружной скорости и частоты вращения, обеспечивающие максимальные значения удельной мощности (11 кВт/кг) и КПД высокооборотной электрической машины при современном уровне электротехнических и конструкционных материалов. Для получения указанных значений удельных характеристик определена конструкция системы охлаждения и учтены затраты мощности на нее.
Гибридная силовая установка, электрическая машина, удельная мощность, прочностные расчеты, система охлаждения
Короткий адрес: https://sciup.org/147248086
IDR: 147248086 | УДК: 621.313.8 | DOI: 10.14529/power250106
The influence of peripheral and rotation speed on the design, cooling system, and characteristics of an electric machine in a hybrid system
This article analyzes an electric machine with a 200kW external rotor, providing high specific properties and intended for use in hybrid systems. The design of a high-speed synchronous electric machine excited from permanent magnets and fitted with an external rotor was chosen as the most promising to achieve the required specific properties. The main limitation for obtaining the maximum power density in such designs is the rotor structural performance. In order to determine the achievable level of specific power in electric machines at the existing technology level, the article analyzes the electromagnetic and strength characteristics of the design with different peripheral speeds (u = 200-300 m/s) and rotor speeds (n = 20,000-30,000 rpm). The calculation and analytical research established the following: torque pulsation and cogging torque can be minimized by ensuring a peripheral speed of more than 230 m/s; the optimal ratio of the machine’s active part length to its diameter is 0.24-0.26; it is advisable to use a titanium alloy as a rotor material. The article determined the ranges of peripheral speed and rotation speed that provide maximum specific power (11 kW/kg) and efficiency of a high-speed electric machine given the current level of electrical and structural materials. The design of the cooling system was determined and its power consumption was taken into account to obtain the specified values of specific properties.
