შესრულების ლიმიტების ყველა გარღვევა გამომდინარეობს ინჟინერიული ლოგიკიდან, რომელიც დაშლადი და რეპროდუცირებადია, მასალის სიმტკიცის გაორმაგებიდან დაწყებული ხუთი ძირითადი სისტემის სინერგიით დამთავრებული.

30,000 ბრ/წთ სიჩქარიანი ძრავების მასობრივი წარმოება წარმოადგენს კოლაბორაციულ ნახტომს ინჟინერიაში მასალათმცოდნეობის, ელექტრომაგნიტური დიზაინის, თერმული მართვის, ზუსტი წარმოებისა და მართვის ალგორითმების მიმართულებით. PUMBAAEV-მა სისტემატურად გადახედა მაღალი ხარისხის მუდმივი მაგნიტის ელექტროძრავის ტექნოლოგიის საზღვრებს როტორის მასალის სიმტკიცის გაორმაგების, ორმაგი ფენის U-ფორმის მაგნიტის ტოპოლოგიის, 10-ფენიანი არათანაბარი ნაბიჯის მქონე თმის სამაგრების, ულტრათხელი სილიკონის ფოლადის ლამინირებისა და საკუთარი ხელით შემუშავებული 1500 ვოლტიანი SiC ჩიპების მეშვეობით.

ტექნოლოგიის საზღვარი ყოველთვის შემდეგ იტერაციას სცდება. ინჟინრებისთვის ამ შემთხვევის ღირებულება შემდეგშია: ყოველი, ერთი შეხედვით, „ექსტრემალური“ შესრულების მეტრიკის უკან დევს დაშლადი, რეპროდუცირებადი საინჟინრო მეთოდოლოგია.

1 მიმოხილვა: მაღალი სიჩქარის ძირითადი ღირებულება

ახალი ენერგიის მქონე ავტომობილების ფართოდ გავრცელებასთან ერთად, მომხმარებელთა მოთხოვნა ტრასაზე მოძრაობის სცენარებსა და მაღალსიჩქარიან მდგრად მუშაობაზე მნიშვნელოვნად გაიზარდა. ტრადიციული საავტომობილო ძრავები სიმძლავრის „გარდამტეხ წერტილს“ დაახლოებით 6000 ბრ/წთ-ზე განიცდიან, ბრუნვის მომენტი კი მუდმივი სიმძლავრის რეგიონში მუდმივად მცირდება, რაც იწვევს აჩქარების შეგრძნების შესამჩნევად შესუსტებას 120 კმ/სთ-ზე მეტი სიჩქარით გასწრების დროს.

PUMBAAEV-მა განსაზღვრა და შეიმუშავა 30,000 ბრ/წთ კლასის ელექტროძრავის ბლოკი. მისი ძირითადი უპირატესობები სცილდება მხოლოდ მაჩვენებლებს. სისტემების ინჟინერიის თვალსაზრისით, იმავე სამიზნე გამომავალი სიმძლავრის დროს, სიჩქარის 12,000 ბრ/წთ-დან 30,000 ბრ/წთ-მდე გაზრდა საშუალებას იძლევა მნიშვნელოვნად შემცირდეს ძრავის აქტიური მასალების (სპილენძი, იშვიათმიწა მაგნიტები, სილიციუმის ფოლადი) გამოყენება.

AVL-ის კვლევის მონაცემების თანახმად, ბრუნვის სიჩქარის გაორმაგებამ შეიძლება შეამციროს რკინის ბირთვის მასალის გამოყენება დაახლოებით 40%-ით, რაც უზრუნველყოფს მოცულობის, წონისა და ღირებულების სინერგიულ ოპტიმიზაციას.

2 როტორული სისტემა: ხუთი ძირითადი საინჟინრო გამოწვევა

როტორი მაღალსიჩქარიანი ძრავის ყველაზე მყიფე, მაგრამ ამავდროულად კრიტიკული ქვესისტემაა. 30,000 ბრ/წთ-ზე, როტორის გარეთა კიდეზე ცენტრიდანული აჩქარება 40,000 გ-ს აღემატება. დიზაინში ნებისმიერმა ხარვეზმა შეიძლება კატასტროფული ავარია გამოიწვიოს. ამ გამოწვევის დასაძლევად ხუთ ტექნიკურ სფეროში გარღვევაა საჭირო.

გამოწვევა 1: მასალის სიმტკიცის გაორმაგება, 450MPa-დან 1000MPa-მდე მაღალი სიმტკიცის სილიკონის ფოლადით

ტრადიციული როტორის ლამინირებისთვის გამოიყენება არაორიენტირებული ელექტრო ფოლადი, რომლის დენადობის ზღვარი დაახლოებით 450 მპა-ია, რაც საკმარისია 20,000 ბრ/წთ-მდე სიჩქარისთვის. 30,000 ბრ/წთ-ზე მეტი სიჩქარით, როტორის გარე დიამეტრზე რგოლისებრი დაჭიმვის დატვირთვა აღემატება ტრადიციული მასალების დენადობის ზღვარს.

​ინჟინერიის გარღვევის გზა:​

• ​მასალის განახლებამაღალი სიმტკიცის ელექტრო ფოლადის (HS-ECS) გამოყენება, რაც ზრდის დაჭიმვის სიმტკიცეს≥1000 მპა— ტრადიციულ ინდუსტრიულ დონეზე ორჯერ მეტი.

• ​პროცესის მხარდაჭერალამინირების დასაწყობად ლაზერული შედუღების დანერგვა ტრადიციული მოქლონების ნაცვლად, რაც აძლიერებს ფენების შუალედურ შეერთების ძალას მაღალი სიჩქარით განცალკევების თავიდან ასაცილებლად. ზუსტი გარე დიამეტრის დაფქვა აღწევს ​±3 μm, რაც უზრუნველყოფს როტორის სიმრგვალეს.

გამოწვევა 2: მაგნიტით ფიქსაცია, მაღალი გაფართოების წებოვანი პროცესი უკმარისობის თავიდან ასაცილებლად

როტორის ჭრილებში ჩამონტაჟებული მუდმივი მაგნიტები მაღალი სიჩქარით ინტენსიური ცენტრიდანული ზემოქმედების ქვეშ არიან. ტრადიციული ცალმხრივი წერტილოვანი წებოვნება მაღალი სიჩქარით დაძაბულობის კონცენტრაციის რისკს ქმნის; ექსტრემალურ პირობებში, მაგნიტებს შეუძლიათ ჭრილის კედლებიდან მოწყვეტა ან თუნდაც ამოვარდნა, რაც კატასტროფულ უკმარისობის გამოწვევას იწვევს.

ძირითადი ტექნოლოგია: მაღალი გაფართოების სიჩქარის მქონე წებოვანი საფარის გამოყენება. გაშრობის შემდეგ, მოცულობა 5-ჯერ ფართოვდება, რაც ქმნის ერთგვაროვან წებოვან ზედაპირს მაგნიტის როგორც ზედა, ასევე ქვედა ზედაპირებზე, რაც მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს დაძაბულობის განაწილებას წერტილოვან შეერთებასთან შედარებით. საფარის მასალამ უნდა გაუძლოს >180°C ტემპერატურას, ჰქონდეს მაგნიტის შესაბამისი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი (~10×10⁻⁶/°C) და მიაღწიოს გაშრობის შემდგომ ≥15 მპა სიმტკიცეს.

გამოწვევა 3: როტორის ტოპოლოგია, ორშრიანი U-ფორმის მაგნიტის განლაგება ოპტიმიზაციას უკეთებს მაგნიტურ წრედს და სიძლიერეს

PUMBAAEV იყენებს „ორშრიანი U-ფორმის“ შიდა მუდმივი მაგნიტის (IPM) ტოპოლოგიას: შიდა U-შრე, რომელიც გადაფარებულია გარე U-შრეზე, სადაც თითოეული ფენის მაგნიტები დამატებით იყოფა რამდენიმე სეგმენტად.

​ძირითადი უპირატესობები:​

• ​ბრუნვის მომენტის გაძლიერებამაქსიმალურად ზრდის q/d ღერძის წინააღმდეგობის სხვაობას, რაც პიკურ ბრუნვას დაახლოებით 10%-ით ზრდის დამატებითი მაგნიტური მასალის დამატების გარეშე.

• ​სტრესის განაწილებასეგმენტირებული სტრუქტურა ანაწილებს დაძაბულობას მრავალ დამოუკიდებელ ერთეულად, რაც ხელს უშლის მონოლითურ მაგნიტურ ბლოკებში ბზარების წარმოქმნას და ამსუბუქებს მაგნიტიზაციის წარმოების სირთულეებს.

• ​NVH ოპტიმიზაციაორმაგი U ტოპოლოგია, დახრილი დიზაინთან ერთად, აკონტროლებს ფუნდამენტური ჰაერის უფსკრულის ნაკადის სიმკვრივის სრულ ჰარმონიულ დამახინჯებას (THD) 5%-ზე ნაკლებამდე, თრგუნავს მაღალი რიგის ჰარმონიკებს.

მაღალსიჩქარიანი ძრავის როტორის სტრუქტურის ილუსტრაცია, რომელიც აჩვენებს ორშრიან U-ფორმის მაგნიტებს და სეგმენტირებულ დიზაინს.

გამოწვევა 4: მაღალსიჩქარიანი დინამიური დაბალანსება, ნარჩენი დისბალანსი 50 მგ-მდე შემცირებულია

30,000 ბრ/წთ-ზე, მცირე დისბალანსი ასობით კილოგრამ ცენტრიდანულ ძალას წარმოქმნის. PUMBAAEV-მა შეკუმშა ნარჩენი დისბალანსი ტიპიური ინდუსტრიული დონიდან ≤150-მდე. მგ-დან ≤50 მგ-მდე, რაც 67%-იან შემცირებას წარმოადგენს.

​დინამიური დაბალანსების პროცესის ჯაჭვი: უხეში დამუშავება → მაგნიტების ცხელი მორგება → საწყისი დაბალანსება → ზუსტი დამუშავება → მაღალსიჩქარიანი, სრული სიჩქარის დიაპაზონის დინამიური ბალანსის ვერიფიკაცია (ტესტირებულია 30,500 ბრ/წთ-ზე). დისბალანსის კორექცია მიიღწევა ბოლო საფარებში წონის მოსახსნელი ხვრელების დაფქვით, ±1 მგ გარჩევადობით. თერმული შოკის ციკლების შემდეგ მეორადი ვერიფიკაცია უზრუნველყოფს აწყობის შემდგომ სტაბილურობას.

გამოწვევა 5: კრიტიკული სიჩქარის დიზაინი, 15%-იანი უსაფრთხოების ზღვარი

ვიბრაცია მკვეთრად ძლიერდება, როდესაც სამუშაო სიჩქარე როტორის პირველ მოხრის კრიტიკულ სიჩქარეს უახლოვდება. PUMBAAEV-მა პირველი მოხრის კრიტიკული სიჩქარე დააპროექტა, რათა... ​35,000 ბრ/წთ, დაახლოებით 15%-ით მეტი მაქსიმალურ ნომინალურ სამუშაო სიჩქარეზე, რაც უზრუნველყოფს საკმარის უსაფრთხოების ზღვარს.

განხორციელების გზა: საკისრის საყრდენი მანძილის და წინასწარი დატვირთვის გაზრდა ლილვის მოხრის სიმტკიცის გასაუმჯობესებლად; ამავდროულად, სილიციუმის ნიტრიდის (Si₃N₄) კერამიკული საკისრების გამოყენება საკისრის სიმტკიცის შესანარჩუნებლად DN-ის უფრო მაღალ მნიშვნელობებზე (სიჩქარე × ნახვრეტის დიამეტრი), ლილვის დენის კოროზიისგან ბუნებრივი იზოლაციის უზრუნველყოფისას.

3 სტატორისა და თერმული მართვა: კოორდინირებული შეტევა მაღალი სიხშირის დანაკარგებზე

30,000 ბრ/წთ-ზე ელექტრული სიხშირე 500 ჰც-ს აღწევს. ტრადიციულ გრაგნილებში „კანის ეფექტი“ იწვევს ცვლადი დენის სპილენძის დანაკარგების ზრდას, რაც მოითხოვს თმის სამაგრების გრაგნილებისა და ზეთის პირდაპირი გაგრილების კომბინირებულ გადაწყვეტას.

თმის სამაგრების გრაგნილი: 10-ფენიანი არათანაბარი დახრილობის დიზაინი ოპტიმიზაციას უკეთებს AC/DC სპილენძის დანაკარგების თანაფარდობას

მართკუთხა განივი კვეთის მქონე ბრტყელი მავთულების სპილენძის შევსების კოეფიციენტი შეიძლება 60%-ს აღემატებოდეს, რაც გაცილებით მეტია, ვიდრე მრგვალი მავთულების 40-45%. PUMBAAEV-ის სუპერძრავის სტატორი იყენებს 10-ფენიან არათანაბარი ნაბიჯის მქონე თმის სამაგრების გრაგნილს, თითოეულ ფენაში სპილენძის ზოლების განსხვავებული სისქით.

• ​გარე ფენები უფრო თხელიაჭრილის ღიობთან ახლოს, ისინი უპირატესად ატარებენ მაღალი სიხშირის დენის კომპონენტებს.

• ​შიდა ფენები უფრო სქელიასლოტის ქვედა მხარეს, ისინი ძირითადად DC კომპონენტს ატარებენ.

ეს დიზაინი აკონტროლებს ​ცვლადენოვანი/მუდმივი დენის სპილენძის დანაკარგების კოეფიციენტს დაახლოებით 1.15-მდე (ინდუსტრიის ტიპიური მაჩვენებელი 1.3-1.5-ია), ხოლო არათანაბარი შრეებს შორის არსებული ხარვეზები ოპტიმიზაციას უკეთებს გამაგრილებელი ზეთის ნაკადის განივი კვეთას.

ბირთვის მასალა: ულტრათხელი ლამინაციები მკვეთრად ამცირებს მაღალი სიხშირის რკინის დანაკარგებს

ბირთვის დანაკარგები სიხშირის მატებასთან ერთად იზრდება. 500 ჰც-ზე, ტრადიციული 0.35 მმ სილიკონის ფოლადის დანაკარგები ძლიერდება. PUMBAAEV იყენებს ულტრათხელ, მაღალი სიხშირის ელექტრო ფოლადს ≤0.2 მმ სისქით, რაც ამცირებს ბირთვის დანაკარგებს 500 ჰც-ზე 40-50%-ით 0.35 მმ ფოლადთან შედარებით. უფრო თხელი ლამინაციები ასევე ზრდის სითბოს გაფრქვევის ზედაპირს მოცულობის ერთეულზე.

გაგრილების სისტემა: ზეთის პირდაპირი გაგრილება უზრუნველყოფს ეფექტურ თერმულ მართვას

სტატორის თერმული სიმკვრივე 30,000 ბრ/წთ-ზე უკიდურესად მაღალია, რაც ტრადიციული გარსით გაგრილების შესაძლებლობებს აღემატება. PUMBAAEV აერთიანებს გამაგრილებელი ზეთის გასასვლელს სტატორის ღარებში, რაც საშუალებას აძლევს ზეთს იმოძრაოს გრაგნილებს შორის და მიიღწევა სპილენძის გრაგნილებთან პირდაპირი კონტაქტით გაგრილება.

​სამმხრივი თერმული სინერგია:

1. ​ულტრა თხელი ლამინაციები: რკინის დანაკარგების შემცირება და ზედაპირის ფართობის გაზრდა.

2. ​არათანაბარი სიმაღლის თმის სამაგრებიგამაგრილებელი ზეთის ნაკადის არხების ოპტიმიზაცია.

3. ​პირდაპირი ზეთის გაგრილებაუზრუნველყოფს პირდაპირი კონტაქტით გაგრილებას. გაზომვები აჩვენებს, რომ სტაციონარული მდგომარეობის გრაგნილების ტემპერატურის სხვაობის კონტროლი შესაძლებელია 5°C-ის ფარგლებში, პიკური ტემპერატურის დაახლოებით 40°C-ით შემცირებით.

4. NVH კონტროლი: სიჩუმის ძიება ელექტრო ეპოქაში

ელექტრომობილებში ფონური ხმაურის შემცირების გამო, ძრავის ხმაური უფრო აღქმადი ხდება. 500 ჰც ფუნდამენტური სიხშირე 30,000 ბრ/წთ-ზე და მისი ჰარმონიკები ადამიანის სმენის ყველაზე მგრძნობიარე დიაპაზონში (500-4000 ჰც) ხვდება.

​ხმაურის აგზნების ძირითადი წყაროები:

• ​ელექტრომაგნიტური ძალის ჰარმონიკები: გენერირებულია ჰაერის უფსკრულის ნაკადის სიმკვრივის სივრცითი ჰარმონიკებით (განსაზღვრულია მაგნიტის ფორმით, გრაგნილის სტრუქტურით).

• ​ინვერტორული PWM ჰარმონიკაგადართვის სიხშირე და მისი ჯერადები წარმოგვიდგენს დენის ტალღის ფორმის ჰარმონიკებს, რაც შემდგომში იწვევს მაგნიტური ძალის ჰარმონიკების აღგზნებას.

• ​მექანიკური დისბალანსიროტორის ნარჩენი დისბალანსი წარმოქმნის 1X ბრუნვის სიხშირის (500 ჰც) აგზნებას, რომელიც უნდა გამოიყოს საკისრისა და კორპუსის რეზონანსული სიხშირეებისგან.

​სამმაგი NVH კონტროლის სტრატეგია:

1. ​ელექტრომაგნიტური ოპტიმიზაციაელექტრომაგნიტური ძალის ჰარმონიკების ამპლიტუდის (მაგ., 6N ბრძანებები) მინიმიზაციის მიზნით, ჭრილის ფორმის, დახრილობის კუთხის და ა.შ. მრავალმიზნობრივი ოპტიმიზაცია. დახრისთვის გამოიყენება მაღალი სიზუსტის სპირალური დაწყობა.

2. ​სტრუქტურული გამაგრება და იზოლაციარეზონანსული სიხშირეების ოპერაციული დიაპაზონებიდან გადასატანად, ელექტრონული ამძრავის ბლოკის საერთო სიმტკიცის (კორპუსის ნეკნების) გაზრდა; სტრუქტურული ბილიკებით ვიბრაციის გადაცემის შესამცირებლად, სამონტაჟო წერტილებში გამოიყენეთ მაღალი ეფექტურობის ვიბრაციის იზოლაციის ბუჩქები.

3. ​მაღალი სიზუსტის დინამიური დაბალანსებანარჩენი დისბალანსი ≤50 მგ უზრუნველყოფს ვიბრაციის აჩქარებას 1X (500 ჰც) აგზნებაზე

5. მართვისა და კვების ელექტრონიკა: SiC ჩიპების გადამწყვეტი როლი

მაღალი სიხშირე და მაღალი ეფექტურობა მაღალსიჩქარიანი ძრავების თანდაყოლილი მოთხოვნებია, რაც პირდაპირ დამოკიდებულია მართვისა და კვების მოწყობილობების განვითარებაზე.

კომპანიის მიერ შემუშავებული 1500 ვოლტიანი SiC ჩიპი მნიშვნელოვან გარღვევას წარმოადგენს. ტრადიციულ IGBT-ებთან შედარებით, SiC MOSFET-ები საშუალებას იძლევა:

• ​უფრო მაღალი გადართვის სიხშირემხარს უჭერს ძრავის უფრო მაღალ სიჩქარეებს (ელექტრო სიხშირეებს).

• ​გადართვის დაბალი დანაკარგებიაუმჯობესებს სისტემის ეფექტურობას, განსაკუთრებით მაღალი სიჩქარის რეგიონში.

• ​უფრო მაღალი ძაბვის რეიტინგი1500 ვოლტიანი ძაბვა უსაფრთხოების ზღვარს უზრუნველყოფს 800 ვოლტიანი პლატფორმებისა და სამომავლო განვითარებისთვის.

მართვის ალგორითმები ღრმად უნდა იყოს შეხამებული ძრავასთან, რაც უზრუნველყოფს სტაბილურ მუშაობას მაღალსიჩქარიანი ველის შესუსტების რეგიონში და ოპტიმალურ ეფექტურობას.

06 გამოწვევები და მომავლის ევოლუცია

არსებული ტექნოლოგიური შეფერხებები

• ​მასალის ღირებულებამაღალი სიმტკიცის ელექტრო ფოლადი და სპეციალური საფარები 20-30%-ით უფრო ძვირია, ვიდრე ჩვეულებრივი გადაწყვეტილებები.

• ​სილიკონის ფოლადის ლიმიტიუფრო თხელი ლამინაციები ამცირებს რკინის დანაკარგს, მაგრამ ამცირებს სიმტკიცეს; რკინის დანაკარგსა და სიმტკიცეს შორის კომპრომისი ძირითად გამოწვევას წარმოადგენს.

• ​საკისრების სიცოცხლის განმავლობაში საიმედოობამაღალსიჩქარიანი კერამიკული საკისრების სრული სასიცოცხლო ციკლის საიმედოობა ულტრამაღალ DN მნიშვნელობებზე მოითხოვს მეტ საგზაო ტესტირების მონაცემებს.

• ​SiC მიწოდების ჯაჭვისაკუთარი წარმოების SiC ჩიპების, განსაკუთრებით 4H-SiC სუბსტრატის, მოსავლიანობის მაჩვენებლები და ღირებულება ინდუსტრიალიზაციის მთავარ დაბრკოლებებს წარმოადგენს.

მომავლის ტექნოლოგიების გზები

• ​ახალი მასალებიამორფული/ნანოკრისტალური რბილი მაგნიტური მასალები სილიკონის ფოლადთან შედარებით დაახლოებით 60%-ით ნაკლებ ბირთვის დანაკარგს გვთავაზობენ და ახალი თაობის სტატორის ბირთვების მთავარი კანდიდატები არიან, თუმცა მყიფე მასალების დამუშავებაში გამოწვევები კვლავ რჩება.

• ​ახალი ტოპოლოგიებიღერძული ნაკადის ძრავები (AFM), მათი დისკის ფორმის სტრუქტურით, რომელიც ბუნებრივად შესაფერისია მაღალი სიჩქარისთვის, ზოგიერთი ორიგინალი მწარმოებლის გეგმაშია და რადიალურ ნაკადის ძრავებთან შედარებით 20-40%-ით მაღალ თეორიულ სიმძლავრის სიმკვრივეს გვთავაზობს.

• ​ინტეგრირებული თერმული მართვასტატორისა და ინვერტორის კვების მოდულებს შორის გამაგრილებელი ზეთის გაზიარებას შეუძლია თერმული წინაღობის დაახლოებით 30%-ით შემცირება და სისტემის არქიტექტურის გამარტივება.

• ​ხელოვნური ინტელექტით მართული დიზაინის რევოლუციახელოვნური ინტელექტის/ოპტიმიზაციის ალგორითმებთან ერთად მულტიფიზიკური თანასიმულაცია (ელექტრომაგნიტური-თერმული-სტრუქტურული-NVH) შესაძლებლობას იძლევა, მაღალსიჩქარიანი ძრავის განვითარების ციკლები 24 თვიდან 12 თვეზე ნაკლებ დრომდე შეკუმშოს.

ტექნოლოგიის საზღვრები ყოველთვის შემდეგ იტერაციას სცდება. 30,000 ბრ/წთ სიჩქარიანი ძრავების მასობრივი წარმოება ახალი ტექნოლოგიური ციკლის დასაწყისს აღნიშნავს, რომელიც სისტემური ინჟინერიის მეთოდოლოგიით, ღრმა ვერტიკალური ინტეგრაციითა და ექსტრემალური საინჟინრო აზროვნებით არის განპირობებული.