دوار محرك الإرتفاع المغناطيسي: قوة الأكمام المصنوعة من ألياف الكربون وحلول مقاومة للتكسير بالطرد المركزي عالية السرعة للفولاذ المغناطيسي

I. 'اختبار البقاء' في ظل الدوران عالي السرعة

يتم اعتماد محركات الرفع المغناطيسي، مع مزايا التشغيل غير التلامسي، والكفاءة العالية، وسرعات الدوران العالية للغاية، بشكل متزايد في المعدات المتطورة مثل المنافيخ الصناعية، والضواغط، وحذافات تخزين الطاقة. ومع ذلك، عندما تصل سرعة الدوران إلى عشرات الآلاف من الدورات في الدقيقة أو حتى أعلى، تخضع المغناطيسات الدائمة الموجودة في الدوار إلى 'اختبار بقاء' شديد.

أين تكمن المشكلة؟

عادةً ما تستخدم محركات الإرتفاع المغناطيسي مادة NdFeB الملبدة كمادة مغناطيسية دائمة. على الرغم من أن NdFeB يقدم خصائص مغناطيسية ممتازة - بما في ذلك منتجات الطاقة المغناطيسية العالية جدًا والإكراه - إلا أنه يعاني من نقطة ضعف حرجة:  قوة الضغط الخاصة به أكبر بكثير من قوة الشد . إن NdFeB الملبد، الذي يتم إنتاجه عن طريق تعدين المساحيق، لديه عادة قوة شد لا تزيد عن 80 ميجا باسكال. عند السرعات العالية، تولد قوة الطرد المركزي إجهاد شد كبير داخل المغناطيس الدائم - في ظل ظروف تشغيل تبلغ 18000 دورة في الدقيقة، يمكن أن يتجاوز إجهاد الطرد المركزي في ندفيب 160 ميجا باسكال،  أي ما يقرب من ضعف حد قوته.

وهذا يشبه حبلًا مصنوعًا من مادة هشة: فهو يتحمل الضغط دون مشكلة، ولكنه ينكسر بسهولة تحت التوتر. عندما يدور المحرك بسرعة عالية، تتعرض المغناطيسات الدائمة لقوى شد حيث يتم 'قذفها للخارج'. وبمجرد تجاوز الحد، سوف يتشقق الفولاذ المغناطيسي أو يتحطم أو حتى يتسبب في انفجار الدوار.

ثانيا. غلاف من ألياف الكربون: 'درع محكم' للفولاذ المغناطيسي

كيف يمكننا حماية المغناطيس الدائم الهش من التشقق تحت قوة الطرد المركزي؟ الحل الأكثر فعالية المتاح اليوم هو إضافة  غلاف من ألياف الكربون  فوق المغناطيس الدائم.

تتمتع ألياف الكربون بقوة شد تزيد عن 5000 ميجا باسكال، وهو ما يتجاوز حد قوة NdFeB بكثير. والأهم من ذلك، بالمقارنة مع الأكمام المعدنية التقليدية مثل سبائك التيتانيوم، توفر الأكمام المصنوعة من ألياف الكربون ثلاث مزايا رئيسية:

• خفيفة الوزن وعالية القوة  - القوة المحددة (نسبة القوة إلى الكثافة) لألياف الكربون أعلى بكثير من تلك الخاصة بالمعادن، لذلك يمكن لمادة أرق وأخف وزنًا أن توفر قوة حماية كافية.

• لا يوجد فقدان للتيار الدوامي  - تعتبر ألياف الكربون موصلًا سيئًا، لذا فهي لا تولد خسائر للتيار الدوامي عالي التردد مثل الأكمام المعدنية، وبالتالي تجنب فقدان الطاقة الإضافي ومشاكل التسخين.

• تمدد حراري منخفض  - تتمتع ألياف الكربون بمعامل تمدد حراري منخفض، مما يضمن استقرارًا جيدًا للأبعاد في ظل ظروف التشغيل ذات درجات الحرارة المرتفعة.

ثالثا. السر الأساسي لمكافحة التشقق: الإجهاد المسبق

هل إضافة غلاف من ألياف الكربون يعني أن كل شيء قد تم حله؟ ليس تماما.

النقطة الأساسية هي أن كلا من الغلاف والمغناطيس الدائم يخضعان لتمدد شعاعي بسبب قوة الطرد المركزي أثناء الدوران عالي السرعة. إذا تم ببساطة 'تركيب' الغلاف فوق المغناطيس، فستظهر فجوة بينهما - لأن التشوه الشعاعي للكم غالبًا ما يكون أكبر من تشوه المغناطيس. بمجرد أن تتشكل الفجوة، يفقد الغلاف تقييده على المغناطيس، وسيظل الفولاذ المغناطيسي متشققًا.

الحل هو تطبيق 'ضغط مسبق' مستمر على المغناطيس الدائم.

من خلال إنشاء تداخل مناسب بين الكم والمغناطيس (على سبيل المثال، القطر الداخلي للكم أصغر قليلاً من القطر الخارجي للمغناطيس)، يعمل الغلاف مثل 'بدلة ضيقة' تلتف بإحكام حول المغناطيس، مما يطبق ضغطًا ضاغطًا نصف قطري للداخل. عندما يدور العضو الدوار بسرعة عالية، فإن هذا الضغط المسبق  يقاوم بشكل فعال إجهاد الشد الناتج عن قوة الطرد المركزي.

تظهر الأبحاث أنه عندما يصل التداخل إلى أكثر من 0.10 مم، يمكن تقليل الحد الأقصى لضغط الطرد المركزي في المغناطيس الدائم من أكثر من 160 ميجا باسكال إلى أقل من 70 ميجا باسكال، وهو أقل بكثير من حد قوتها. في ظل الظروف القاسية (على سبيل المثال، ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 200 درجة مئوية بالإضافة إلى الدوران الزائد)، على الرغم من أن ضغط الطوق في غلاف ألياف الكربون قد يرتفع إلى ما يزيد عن 1000 ميجا باسكال، إلا أنه لا يزال هناك هامش أمان كافٍ بالنسبة إلى حد قوة مادة ألياف الكربون البالغ 1400 ميجا باسكال.

رابعا. كيفية تحقيق ما قبل الإجهاد؟ مساران للعملية

حاليًا، هناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق الإجهاد المسبق في غلاف ألياف الكربون:

الطريق 1: تجميع التدخل

يتم تصنيع غلاف ألياف الكربون بشكل منفصل ثم يتم تجميعه على الدوار عن طريق التركيب الحراري أو البارد. على سبيل المثال، تبريد الدوار إلى -190 درجة مئوية يسمح بانزلاق الغلاف بقوة محورية قليلة جدًا؛ وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام طريقة تركيب الضغط المحوري بقوة ضغط تصل إلى 25 كيلو نيوتن.

ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها عيوب: ألياف الكربون هشة وذات صلابة ضعيفة، مما يجعلها عرضة للتلف والشقوق أثناء تجميع التداخل. علاوة على ذلك، فإن عملية التجميع معقدة والتحكم في التداخل أمر صعب.

الطريق 2: لف عالي التوتر (الحل الأفضل)

يتم لف ألياف الكربون مباشرة على سطح الدوار، وأثناء عملية اللف، يتم تطبيق  شد عالٍ  على سحب الألياف، مما يجعل كل طبقة من الألياف تلتف بإحكام حول سطح المغناطيس الدائم.

تكمن دقة هذه الطريقة في أن  عملية اللف نفسها هي عملية تطبيق الإجهاد المسبق . من خلال التحكم في شد الألياف، يمكن فرض مجال الإجهاد المسبق المطلوب على الغلاف، ليحل محل طريقة التداخل الميكانيكي التقليدية.

V. عملية لف ألياف الكربون الخاصة بـ SDM

في مجال دوارات المحرك عالية السرعة للرفع المغناطيسي،  شركة Hangzhou SDM Magnets Co., Ltd.  أتقنت  عملية لف ألياف الكربون الناضجة . وتنعكس ميزاته التقنية بشكل رئيسي في الجوانب التالية:

تكنولوجيا اللف المحيطي عالي التوتر.  يعتمد SDM مسار العملية المتمثل في لف ألياف الكربون بشكل محيطي مباشرة على سطح الدوار. من خلال التحكم الدقيق في الشد المطبق على ألياف الكربون أثناء اللف، تتوافق طبقات الألياف بإحكام مع السطح الخارجي للمغناطيس الدائم. توفر هذه العملية في الوقت نفسه قوة الشد المسبق المطلوبة للمغناطيس أثناء تصنيع الغلاف، مما يؤدي إلى تجنب مخاطر التشقق وصعوبات التجميع المرتبطة بتجميع التداخل التقليدي.

التحكم الدقيق في جدول التوتر.  تستخدم عملية SDM بمرونة أوضاعًا مختلفة للتحكم في التوتر وفقًا لمتطلبات التشغيل المختلفة. لتلبية احتياجات توزيع الضغط المختلفة - مثل 'أكثر إحكامًا من الداخل، أو أكثر إحكامًا من الخارج' أو 'أكثر إحكامًا من الداخل، أو أكثر مرونة من الخارج' - يمكنهم اختيار أوضاع التوتر الثابت، أو عزم الدوران الثابت، أو أوضاع لف التوتر المستدق. من خلال التحكم في شد اللف طبقة بعد طبقة، يمكن توزيع الضغط المتبقي في طبقات الألياف بشكل موحد إلى الحالة المثالية.

التحقق الكمي من قوة الشد المسبق.  أنشأ SDM حلقة مغلقة تقنية كاملة، بدءًا من الحساب النظري وحتى محاكاة العناصر المحدودة، وأخيرًا إلى التحقق التجريبي. بالنسبة لقوة الشد المسبق الناتجة عن غلاف ألياف الكربون الملفوف عالي التوتر على المغناطيس الدائم، يبلغ متوسط ​​الخطأ بين نتائج الاختبار التجريبي والحسابات التحليلية 8.56%، ومتوسط ​​الخطأ بالنسبة لمحاكاة العناصر المحدودة هو 7.88% - ويضمن هذا المستوى من الدقة بشكل كامل موثوقية تصميم ما قبل الإجهاد.

القدرة على المعالجة الكاملة المتكاملة.  بدءًا من اختيار مواد ألياف الكربون، والتصميم الهيكلي، والتصميم الكهرومغناطيسي، وحتى عمليات تجميع القوالب، وتصنيع المعدات، والفحص والاختبار، تمتلك SDM القدرة التقنية الكاملة. يقع المقر الرئيسي للشركة في مدينة هانغتشو، وتتمتع بتصميم متكامل للتجارة الصناعية، مما يمكنها من تزويد العملاء بحل كامل السلسلة بدءًا من المغناطيس وحتى تجميعات الدوار.

من خلال عملية لف ألياف الكربون المحسنة هذه على وجه التحديد، يمكن لدوارات المحرك عالية السرعة ذات الرفع المغناطيسي SDM أن تمنع بشكل فعال تشقق الفولاذ المغناطيسي في ظل ظروف الطرد المركزي عالية السرعة، مما يضمن التشغيل الآمن والمستقر والموثوق للدوار في ظل الظروف الصعبة التي تبلغ عشرات الآلاف من الثورات في الدقيقة.