Návrh elektrického stroje 6 kW, 120 000 ot/min pro turbo-cirkulátor hélia

Abstract

Indukční stroj s klecí nakrátko je tažným koněm průmyslu. Jeho hlavní výhodou je nízká výrobní cena, jednoduchá a robustní konstrukce a malé náklady na údržbu. Nicméně, pro vysokootáčkové aplikace vyžaduje indukční stroj s klecí nakrátko kvůli svým mechanickým limitům úpravu provedení. To vede ke komplikovanější konstrukci, dražším materiálům a vyšším nárokům na celý výrobní proces. Cílem této práce je demonstrovat návrhové aspekty, volbu materiálů a výrobu rotoru s klecí nakrátko pro vysokootáčkové aplikace. V této práci je prezentována volba rozměrů rotoru na základě rovnic a analýzy průmyslových dat a následně diskutován vliv výběru vhodné topologie rotoru. Získané výsledky jsou prezentovány na návrhu vysokootáčkového indukčního stroje s výkonem 6 kW při 120 000 ot/min pro pohon turbo-cirkulátoru hélia. Tato práce také obsahuje analýzu tří rozdílných elektrických strojů pro aplikaci v turbo-cirkulátoru. Stroje jsou mezi sebou porovnány využitím elektromagnetické, tepelné a mechanické analýzy a poté jsou diskutovány výhody a nevýhody každé z topologií. Tato práce ukazuje, jak významně může volba topologie elektrického stroje ovlivnit parametry systému, ve kterém je stroj aplikován. V této práci je dále prezentován vliv parametrů plného rotoru s klecí nakrátko na parametry stroje. Mechanické namáhání různých provedení tohoto typu rotoru bylo studováno prostřednictvím konečně prvkové analýzy. Několik výrobních metod rotoru bylo popsáno a porovnáno mezi sebou. Předložený návrhový postup, který u stroje umožňuje robustní konstrukci a vyhovující elektromagnetické parametry byl ověřen testováním na vyrobeném prototypu.

The induction machine with a squirrel cage is a workhorse of the industry. The main advantage of an induction machine is the low manufacturing price, simple and robust construction, low maintenance requirements. However, for high-speed applications, induction machine with a squirrel cage requires design modification due to the mechanical restrictions. The objective of this thesis is to show design process, methodology and assembly of the induction machine for high-speed applications. In this thesis, the rotor dimensioning data are presented. The results are demonstrated on the design of the 6 kW, 120 000 rpm solid rotor squirrel cage induction machine. This thesis also contains calculation and design of three different electrical machine topologies for a turbo circulator application. The electrical machines are designed with 6 kW output power at 120 000 rpm. The machines are estimated by using electromagnetic, thermal, and mechanical calculations. The drawbacks and advantages of each topology under study are described. For other high-speed applications, a comparative method helps in choosing the suitable electrical machine topology by examinations of discussed criteria. Rotor design effect on the electromagnetic performance of the induction machine is shown. Mechanical stresses are calculated with Finite Element Method analysis. Various assembly technologies to produce solid rotor with squirrel cage are discuss and compare. Describe approach enables high electromagnetic performance and durable construction of the high-speed induction machine. Work is confirmed by measurement on the manufactured prototype.