RACING LICHTMASCHINEN

Angesichts des geringen Gewichts und des kompakten Designs moderner Motoren schätzten wir, dass der Generator einen Durchmesser von nicht mehr als 100 mm (4 Zoll), eine Länge von 20 mm haben und etwa 700 Watt (W) pro Kilogramm (fast 1 PS pro Pfund) Generatorgewicht erzeugen müsste.

Stator-Kern. Es wurde ein dreiphasiger, neunpoliger, sechsmagnetischer Entwurf mit einem doppelt lap-gewickelten Stator und einem Permanentmagnet-Rotor ausgewählt. Die Betriebsdrehzahl des Generators wäre direkt proportional zur Motordrehzahl, mit einem Bereich von 4.000 bis 17.000 U/min.

Eine anfängliche Sorge, insbesondere angesichts der hohen Generatordrehzahl, war der Effekt der Eisenverluste im Stator-Kern, der typischerweise die schwerste Komponente eines Wechselstromgenerators ist. Herkömmlicher kornorientierter Siliziumstahl war nicht effizient genug, um in einem Generator verwendet zu werden, der unseren Generatorgrößen- und -gewichtszielen entsprechen würde, und eine Eisen-Kobalt-Legierung (49Fe-49Co-2V) wurde verwendet, um die Lamellen des Stator-Kerns des Generators herzustellen.

Dies führte zu einer 30%igen Steigerung der Flussdichte. Die Eisenverluste der Eisen-Kobalt-Legierung wurden weiter durch eine Kombination von Technologien reduziert. Eine Wärmebehandlung nach dem Walzen reduzierte die Hystereseverluste des Kerns, und eine ultradünne oxidierte Isolierbeschichtung wurde entwickelt, die es uns ermöglichte, die Dicke der Stator-Kernlamellen auf ein Zehntel von anderthalb Millimetern pro Lamelle zu reduzieren und dabei das gewünschte Eisen-Isolierungs-Verhältnis zu erhalten.

Diese Verfeinerungen reduzierten die Eisenverluste der Legierung um weitere 60%. Die maximale Stromfrequenz für einen 17.000 U/min neunpoligen Generator (unter der Annahme einer gleichen Anzahl von Polen sowohl im Rotor als auch im Stator) beträgt 580 Hz, dies führt zu extrem schnellen Übergängen, die Spannungsbelastungen in der Wicklung erzeugen. Nicht überraschend wurde die Statorwicklung mit kratzfestem Wechselrichter-Draht gewickelt, um die Möglichkeit von Pinholes zu verringern, die während des Herstellungs- und/oder Wicklungsprozesses entstehen könnten, und somit die Möglichkeit eines Wicklungsversagens zu reduzieren.

Rotordesign. Wir verwendeten einen Hochkoerzitivitätsmagnet mit einer intrinsischen Koerzitivkraft von mindestens 1,1 Ma/m bei 160ºC, um Temperaturanstiege und daraus resultierende Wirbelstromverluste zu minimieren, wurden sechs Magnete in der inneren Konfiguration des Rotors verwendet. Der Rotordurchmesser wurde durch die Verwendung der Rotorwelle als Teil der Rotorflusskreise weiter auf 45 mm reduziert. Ein hochzugfester Stahlband umschließt den Rotor und verhindert ein Bersten der Magnete bei den Zentrifugalkräften, die bei der 18.000 U/min roten Linie des Rotors entstehen.

Die konische Montage des Rotors unterstützt die Wärmeleitung und enge Toleranzen helfen bei der Nutzung der Flussleitung von der Welle, wodurch Verluste reduziert werden.
Das endgültige Generatordesign (obwohl es kontinuierlich verbessert wird) wird durch Motoröl gekühlt, mit Stator-Kühlpassagen um den Umfang der hartanodisierten Tasse.
Die Wicklungen und der Kern wiesen einen Durchmesser von 80 mm auf, und der Rotor war 19 mm lang und übertraf unser ursprüngliches Design.

Wir haben einige Verfeinerungen geplant, bezüglich einer höheren Leistung für stetig steigende elektrische Anforderungen und einen Zweiwege-Regler, der Anfang 2024 verfügbar sein sollte.

Relative magnetische Flussdichten der Eisen-Kobalt-Legierung 49Fe-49Co-2V im Vergleich zu herkömmlichem Siliziumstahl.
Die magnetische Flussdichte unserer Eisen-Kobalt-Legierung wurde durch mehrere Verfeinerungen erhöht.