Vysokootáčkový stroj se speciální konstrukcí rotoru - Klíma, Petr (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2025)
Vysokootáčkové stroje mají vzhledem k vysoké hustotě výkonu ve výzkumu značnou popularitu a pro mnoho aplikací nabízejí výborné technické řešení. Dosud však mezi těmito stroji chyběli z důvodu nízké mechanické odolnosti a výrobních omezení zástupci synchronních reluktančních strojů. Pro rozšíření možností vysokootáčkových strojů o tento typ strojů bylo vybráno řešení využívající progresivní technologii vícemateriálové aditivní výroby kovů. Na základě nových výrobních možností umožněných použitím této technologie byla upravena a inovována stávající topologie axiálně laminovaného anizotropního synchronního reluktančního rotoru. Díky tomu bylo navrženo řešení rotoru s využitím magnetických bariér s přirozeným tvarem siločár z nemagnetické nerezové oceli 316L v kombinaci s magneticky vodivou nerezovou ocelí 17-4PH. Dle provedených výpočtů byly predikovány vlastnosti tohoto řešení rotoru vykazující výbornou mechanickou odolnost a dobré elektromagnetické vlastnosti. Na základě těchto předpokladů byl proveden návrh a optimalizace vysokootáčkového reluktančního motoru s tímto rotorem a jmenovitými parametry 2 kW, 60 000 min1. Pro usnadnění optimalizace bylo v jazyce Python vytvořeno množství skriptů a programů jako například optimalizační prostředí a logika využívající optimalizační algoritmus NSGA-II, skripty pro ovládání a zpracování elektromagnetických simulací pomocí metody konečných prvků a tepelný model spolu s grafickým rozhraním pro zjištění očekávaných teplot ve stroji. Na základě optimalizace byl vybrán výsledný stroj, který byl posléze vyroben. Během výroby byla změřena změna indukčnosti rotoru před a po tepelném zpracování a ověřena homogenita mikrotvrdosti čela rotoru. Poté byly otestovány vlastnosti kompletního stroje statickými a dynamickými měřeními a bylo provedeno srovnání se simulacemi. Při měření stroje bylo dosaženo přibližně dvou třetin jmenovitých otáček kvůli nadměrným vibracím, což zapříčinilo nutnost ověření parametrů stroje při nižších než jmenovitých otáčkách. Tyto kroky však byly dostačující a díky nim byla úspěšně ověřena funkčnost a použitelnost navrhovaného řešení rotoru vysokootáčko-vého reluktančního stroje. Navíc se jedná o jeden z prvních publikovaných a změřených strojů s rotorem vyrobeným pomocí vícemateriálové aditivní výroby kovů. Díky tomu bylo představeno nové řešení obohacující možnosti těchto vysokootáčkových strojů, což je potvrzeno získáním patentu na toto řešení. Během této práce rovněž vyvstalo množství otázek a cest pro další výzkum.

High-speed machines are widely popular in research due to their high power density, offering excellent technical solutions for many applications. However, synchronous reluctance machines have been absent from this group due to their low mechanical robustness and manufacturing limitations. To address these limitations and broaden the range of high-speed machine solutions, an advanced multi-material additive manufacturing technology of metals was selected. Leveraging the new production possibilities enabled by this technology, the existing topology of the axially laminated anisotropic synchronous reluctance rotor was modified and improved. This resulted in a new rotor design featuring magnetic barriers shaped according to natural flux lines made from non-magnetic 316L stainless steel combined with magnetically conductive 17-4PH stainless steel. Calculations predicted that this rotor design would provide excellent mechanical robustness and electromagnetic properties. Building on these predictions, a 2 kW, 60 000 min1 high-speed reluctance motor featuring this rotor was designed and optimized. To support the optimization process, various scripts and programs were developed in Python, including an optimization environment and logic using the NSGA-II optimization algorithm, scripts for controlling and processing electromagnetic simulations via the finite element method, and a thermal model with a graphical interface to estimate expected temperatures in the machine. Following this optimization, the final machine design was selected and subsequently manufactured. During manufacturing, the rotor’s inductance was measured both before and after heat treatment, and the homogeneity of the rotor face’s microhardness was verified. The complete machine’s properties were then tested through static and dynamic measurements, with results compared against simulations. During the testing, the machine reached approximately two-thirds of its nominal speed due to excessive vibrations, requiring further performance verification at lower speeds. Nonetheless, these steps were sufficient to validate the functionality and feasibility of the proposed rotor design for the high-speed reluctance machine. Additionally, this is one of the first published and tested machines with a rotor manufactured using multi-material metal additive metal manufacturing. This work presents a novel solution that expands the possibilities for high-speed machines, as confirmed by the awarded patent for this design. Furthermore, the research raised numerous questions and opened new paths for further investigation.
High-Speed Machine with a Special Rotor Design
Keywords: Axiálně laminovaný rotor; optimalizace; plný rotor; synchronní reluktanční rotor; vysokootáčkový motor; vícemateriálová aditivní výroba; Axially laminated rotor; high-speed motor; multi-material additive manufacturing; optimization; solid rotor; synchronous reluctance motor