永久磁石同期モーター: 高温環境での高速動作のためのローター構造の設計と応用--

航空宇宙、石油探査、ハイエンド機器の製造、新エネルギー車などのハイエンド分野では、高速-永久磁石同期モーター高温環境における（PMSM）{0}}は、高効率、省エネ、高電力密度、高速応答速度という主要な利点により、ドライブ システムの中核コンポーネントとなっています。{0}モーターのエネルギー変換の重要な要素であるローター構造の設計は、高温 (通常 150 度以上の動作温度を指します) と高速 (回転速度 10000r/min 以上) という二重の過酷な使用条件下でのモーターの動作安定性、出力、耐用年数を直接決定します。この記事では、業界の技術実践と最新の研究結果を組み合わせて、高温環境における高速 PMSM のローター構造の中核となる設計ポイント、主流のタイプ、材料の選択、最適化戦略について詳しく説明します。これにより、業界関係者に専門的な参考資料を提供し、関連技術と製品の実装のアップグレードを容易にします。

高温-と高速-の二重動作条件の重ね合わせにより、ローター構造に対する 3 つの重要な厳格な要件が提示されます。1 つ目は、高温耐性と耐減磁です。-高温は永久磁石の磁気特性の減衰、さらには不可逆的な減磁を引き起こし、モーターの出力に直接影響します。 2 つ目は、-遠心力と脱落防止です。高速回転によって発生する巨大な遠心力は、ローター構造の変形や永久磁石の脱落などの安全上の危険を引き起こす可能性があります。第三に、低損失と温度上昇の制御です。回転速度の上昇に伴いローター渦電流損が増加し、さらに温度が上昇し「高温｛{9}｝損失｛{10}｝減磁」の悪循環が形成されます。したがって、ローター構造の設計では、高温耐性、抗遠心力、低損失という 3 つの主要な要件のバランスをとる必要があります。-

現在、高速のローター構造は-永久磁石同期モーター高温環境に適した PMSM は、主に内部実装型、表面実装型、複合型の 3 つのカテゴリに分類されます。{{1}{1}}各タイプの構造は、実用性と信頼性を考慮して、適用可能なシナリオに応じた設計ロジックと材料の選択に独自の焦点を当てており、さまざまな高温および高速作業条件のニーズに対応しています。-

内部取り付けローター構造は、高温および高速のシナリオで最も広く使用されているタイプです。-その主な利点は、永久磁石がローターコアの内側に埋め込まれているため、永久磁石が高温環境に直接さらされることが回避され、同時にコア構造に依存してローターの機械的強度が向上し、高速遠心力に耐えられることです。-この構造はさらに、埋め込み磁気バリア構造と内部磁気バリア構造に分類できます。埋め込み構造はローターコアのスロットを通して永久磁石を固定し、高速回転中に永久磁石が移動するのを防ぐために高温耐性の接着剤で補強します。-内部磁気バリア構造は、複数層の磁気バリアを設けることで渦電流の経路を遮断し、ローターの渦電流損失を低減し、温度上昇振幅を低減するとともに、磁気シールド効果を高めて外部磁界干渉から永久磁石を守ります。

内部取り付けローター構造は、航空エンジンをサポートするモーターや高温ポンプ モーターなど、回転速度 10000-30000r/min、動作温度 150-250 度のシナリオに適しています。{6}}材料の選択に関して、ローターコアは主にBaosteel B20AT1200などの0.2mm以下の低損失無方向性珪素鋼板を採用しており、コア損失を効果的に低減できます。永久磁石には、高温グレードのサマリウム-コバルト (SmCo) 磁性鋼や、高温グレードのネオジム-鉄-ホウ素 (NdFeB) 磁性鋼-が好まれます。その中で、SmCo磁性鋼のキュリー温度は700〜800度で、高温減磁を効果的に回避し、中高温シナリオのニーズを満たすことができます。

表面実装ロータ構造は、ロータ表面に永久磁石を直接貼り付ける設計を採用しています。これにより、構造が簡単、磁気結合効率が高く、出力密度が高いという利点があり、高速-、高-出力密度の高温シナリオに適しています。{3}}高温と高速という課題に対処するために、この構造は永久磁石の固定と減磁の問題の解決に重点を置く必要があります。永久磁石は、優れた高温耐性を持つ SmCo 磁性鋼-または新しいサマリウム-鉄-磁石から選択されます。中でも、SmFeN磁石はキュリー温度が470度と高く、200度以上でも強力な磁性を維持でき、重希土類を使用せずに高温でも安定した動作を実現できます。同時に、高強度の保護スリーブが永久磁石の表面に巻き付けられており、主に炭素繊維複合スリーブを使用しています。その引張強度は従来の金属の 3{14}5 倍であり、非磁性かつ非導電性であるため、高速遠心力に効果的に抵抗し、渦電流損失を回避し、温度上昇を低減できます。-

さらに、表面実装ローター構造は、スリーブに円周方向の浅い溝を開け、永久磁石とスリーブの間に銅製のシールド リングを追加することにより、渦電流損をさらに低減し、放熱効果を最適化することができます。新エネルギー車の駆動モーターや高速コンプレッサーをサポートするモーターなど、回転速度 20000-40000r/min、動作温度 180 ～ 300 度のシナリオに適しています。

複合ローター構造は、内部取り付け構造と表面取り付け構造の利点を組み合わせた最適化された設計です。{0}そのコアは、機械的強度と磁気性能を考慮して、永久磁石の一部をローターコアに埋め込み、一部をローター表面に貼り付けたものです。この構造の回転子鉄心は、高耐熱珪素鋼板または軟磁性複合材（SMC）を積層して作られています。{4} SMC 材料は等方性透磁率を備えており、高周波の渦電流損失を効果的に抑制でき、高速および高周波のシナリオに適しています。-埋め込まれた永久磁石はモーターの過負荷容量を向上させるために使用され、表面実装された永久磁石は出力密度を向上させるために使用され、磁気回路設計を最適化することで渦電流損失が低減されます。

高温耐性をさらに向上させるため、複合ローター構造には通常、冷却チャネルが組み込まれています。また、オイル冷却技術を使用してローターに冷却液を導入し、磁性鋼とベアリングを同時に冷却し、ローターの温度を効果的に制御します。これは 200 ～ 300 度の動作温度に適しています。-