উচ্চ-গতির মোটর রোটারগুলির স্ট্রেস যাচাইকরণ: 'গণনা করতে সক্ষম' থেকে 'সঠিকভাবে গণনা করা' পর্যন্ত

I. কেন উচ্চ-গতির মোটরগুলিকে স্ট্রেস যাচাইয়ের মধ্য দিয়ে যেতে হবে?

একটি জন্য 30,000 r/min এর ঘূর্ণন গতি সহ উচ্চ-গতির মোটর , রটারের বাইরের ব্যাসে কেন্দ্রাতিগ ত্বরণ মহাকর্ষীয় ত্বরণের কয়েক হাজার গুণে পৌঁছাতে পারে। এই ধরনের চরম অপারেটিং অবস্থার অধীনে, স্থায়ী চুম্বকগুলির মুখোমুখি প্রসার্য চাপ তাদের প্রসার্য সীমার কাছাকাছি চলে যাবে বা এমনকি অতিক্রম করবে-এবং NdFeB স্থায়ী চুম্বকের প্রসার্য শক্তি সাধারণত তাদের সংকোচন শক্তির প্রায় এক-দশমাংশ। একবার প্রসার্য চাপ সীমা ছাড়িয়ে গেলে, স্থায়ী চুম্বকগুলি ভেঙে যেতে পারে এবং উচ্চ-গতির ঘূর্ণায়মান টুকরোগুলি মিলিসেকেন্ডের মধ্যে পুরো মোটরটিকে ধ্বংস করার জন্য যথেষ্ট।

একই সময়ে, উচ্চ-গতির মোটরগুলির রেট করা গতি প্রায়শই রটারের সমালোচনামূলক গতির কাছে পৌঁছে এবং অনুরণনের ঝুঁকি তীব্রভাবে বেড়ে যায়। স্ট্রেস যাচাইকরণ শুধুমাত্র 'এটি ভেঙ্গে যাবে কিনা' তা নয়, বরং রটারের কঠোরতা ডিজাইন বিপজ্জনক রেজোন্যান্স রেঞ্জ এড়াতে পারে কিনা তা নিয়েও।

এই কারণে, হাই-স্পিড মোটরগুলির ডিজাইন প্রক্রিয়ায়, ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক ডিজাইন সম্পূর্ণ করার পর প্রথম ধাপ হল ঘূর্ণন স্ট্রেস বিশ্লেষণ করা, রটারের প্রতিটি অংশে পরিধির চাপ এবং ভন মাইসেস স্ট্রেস ডিস্ট্রিবিউশন পরীক্ষা করা এবং সংশ্লিষ্ট উপকরণের শক্তি সূচকের সাথে তাদের তুলনা করা।

২. রটার কোন বাহিনী বহন করে?

উচ্চ-গতির মোটর রোটারগুলির স্ট্রেস উত্সগুলি প্রধানত তিনটি বিভাগে পড়ে, যা প্রায়শই সুপারপজিশনে কাজ করে, একটি জটিল স্ট্রেস ক্ষেত্র তৈরি করে।

কেন্দ্রাতিগ শক্তি - সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ লোড। যখন রটারটি উচ্চ গতিতে ঘোরে, তখন প্রতিটি ভর বিন্দু একটি কেন্দ্রাতিগ শক্তির অধীন হয় যা রেডিয়ালিভাবে বাইরের দিকে নির্দেশিত হয় এবং এর মাত্রা ঘূর্ণন গতির বর্গক্ষেত্রের সমানুপাতিক হয়:

F = ρω⊃2;r⊃2;

যেখানে ρ হল উপাদানের ঘনত্ব, ω হল কৌণিক বেগ, এবং r হল রেডিয়াল দূরত্ব। ঘূর্ণায়মান শ্যাফ্ট থেকে উপাদানটি যত বেশি দূরে, সেন্ট্রিফিউগাল লোড তত বেশি বহন করে। এর মানে হল যে হাতার বাইরের প্রান্তে পরিধির চাপ সাধারণত পুরো রটারের মধ্যে সর্বোচ্চ।

হস্তক্ষেপের দ্বারা সৃষ্ট প্রাক-চাপ —একটি 'দ্বি-ধারী তলোয়ার।' সারফেস-মাউন্ট করা স্থায়ী চুম্বক মোটরগুলির স্থায়ী চুম্বকের কম প্রসার্য শক্তি থাকে এবং একা কেন্দ্রাতিগ শক্তিকে সহ্য করতে পারে না। অতএব, একটি উচ্চ-শক্তির হাতা অবশ্যই স্থায়ী চুম্বকের বাইরে লাগানো উচিত, ঘূর্ণনের সময় কেন্দ্রাতিগ প্রসার্য শক্তি অফসেট করার জন্য একটি হস্তক্ষেপ ফিটের মাধ্যমে স্থায়ী চুম্বকগুলিতে প্রাক-সংকোচন প্রয়োগ করে। যাইহোক, হস্তক্ষেপের পরিমাণ যতটা সম্ভব বড় নয়: অত্যধিক হস্তক্ষেপ স্থায়ী চুম্বকের মধ্যে অত্যধিক কম্প্রেসিভ স্ট্রেস প্রবর্তন করবে, এবং যদিও স্থায়ী চুম্বকের প্রসার্য ক্ষমতার চেয়ে শক্তিশালী সংকোচন ক্ষমতা রয়েছে, তবে এটি সীমাহীন নয়।

তাপীয় চাপ —একটি সহজে উপেক্ষিত 'লুকানো ঘাতক।' মোটর অপারেশনের সময়, তাপমাত্রা বৃদ্ধির ফলে বিভিন্ন উপাদানের তাপীয় প্রসারণ ঘটে এবং বিভিন্ন উপাদানের রৈখিক প্রসারণের বিভিন্ন সহগ থাকে, ফলে তাপীয় চাপ যথেষ্ট হতে পারে। হাতা এবং স্থায়ী চুম্বকের মধ্যে মিলনের পৃষ্ঠে, তাপমাত্রার পরিবর্তনগুলি যোগাযোগের চাপের মাত্রাকেও পরিবর্তন করবে: যখন তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়, তখন যোগাযোগের চাপ বৃদ্ধি পায় এবং হাতার চাপও সেই অনুযায়ী বৃদ্ধি পায়। নিম্ন-তাপমাত্রার অবস্থার অধীনে, রৈখিক প্রসারণের সহগগুলির পার্থক্য এমনকি 'নিম্ন-তাপমাত্রা সমাবেশ, কক্ষ-তাপমাত্রার হস্তক্ষেপ' এর প্রক্রিয়া স্কিমটি উপলব্ধি করতে ব্যবহার করা যেতে পারে।

III. যাচাইকরণ পদ্ধতি: বিশ্লেষণী পদ্ধতি এবং সসীম উপাদান পদ্ধতি

3.1 বিশ্লেষণী পদ্ধতি: দ্রুত অনুমানের জন্য একটি তীক্ষ্ণ হাতিয়ার

বিশ্লেষণী পদ্ধতির মূল ধারণাটি হল প্রতিটি রটার উপাদানকে একটি পুরু-দেয়ালের সিলিন্ডার (বা পুরু-দেয়ালের রিং) মডেলে সরল করা এবং দ্বি-মাত্রিক মেরু স্থানাঙ্কে স্ট্রেস ক্ষেত্রের একটি একীভূত গাণিতিক মডেল স্থাপন করা। খাদ, স্থায়ী চুম্বক এবং হাতা জন্য, রেডিয়াল এবং স্পর্শক স্ট্রেস-স্ট্রেন সম্পর্ক আলাদাভাবে তালিকাভুক্ত করা হয়, এবং ইন্টারফেসে স্থানচ্যুতি ধারাবাহিকতা এবং বল ভারসাম্য অবস্থার মাধ্যমে সমীকরণগুলি একই সাথে সমাধান করা হয়।

উদাহরণ হিসাবে একটি 250 kW, 25 kr/min উচ্চ-গতির স্থায়ী চুম্বক মোটর গ্রহণ করা: স্থায়ী চুম্বকের বাইরের ব্যাসার্ধ 44 মিমি, পুরুত্ব 8 মিমি, কার্বন ফাইবার হাতা পুরুত্ব 2 মিমি, এবং হাতা এবং স্থায়ী চুম্বকের মধ্যে হস্তক্ষেপ 0.3 মিমি। রেট করা গতির 1.2 গুণে (30 kr/মিনিট), রটার রেডিয়াল ডিসপ্লেসমেন্ট, রেডিয়াল স্ট্রেস, এবং টেনজেনশিয়াল স্ট্রেস ডিস্ট্রিবিউশন বিশ্লেষণী পদ্ধতি দ্বারা গণনা করা সীমিত উপাদান বিশ্লেষণের ফলাফলের সাথে অত্যন্ত সামঞ্জস্যপূর্ণ।

বিশ্লেষণাত্মক পদ্ধতির সুবিধা হল এর দ্রুত গণনার গতি এবং স্পষ্ট শারীরিক অর্থ, এটিকে বিশেষ করে প্যারামিটার স্ক্যানিং এবং অপ্টিমাইজেশন পুনরাবৃত্তির জন্য প্রারম্ভিক নকশা পর্যায়ে উপযুক্ত করে তোলে। যাইহোক, এর সীমাবদ্ধতাগুলিও সুস্পষ্ট: জটিল জ্যামিতিক আকারগুলি (যেমন অভ্যন্তরীণ রোটারগুলির চৌম্বক সেতু কাঠামো) এবং অ্যানিসোট্রপিক পদার্থের অরৈখিক আচরণ পরিচালনা করা কঠিন।

3.2 সসীম উপাদান পদ্ধতি: সঠিক যাচাইয়ের জন্য মাপকাঠি

সীমিত উপাদান পদ্ধতি (এফইএম) নির্বিচারে জ্যামিতিক আকার, একাধিক উপাদান সমন্বয় এবং জটিল সীমানা শর্তগুলি পরিচালনা করতে পারে এবং চাপ যাচাইয়ের জন্য এটি 'সোনার মান'।

মডেলিংয়ের চাবিকাঠি যোগাযোগের পৃষ্ঠের চিকিত্সার মধ্যে রয়েছে। হাতা এবং স্থায়ী চুম্বকের মধ্যে হস্তক্ষেপ ফিট সাধারণত যোগাযোগ উপাদান ব্যবহার করে সসীম উপাদান বিশ্লেষণে অনুকরণ করা হয় এবং যোগাযোগের দৃঢ়তা, ঘর্ষণ সহগ এবং হস্তক্ষেপের পরিমাণ সঠিকভাবে সেট করা প্রয়োজন। কার্বন ফাইবারের মতো অ্যানিসোট্রপিক পদার্থের জন্য, প্রতিটি দিকের ইলাস্টিক মডুলাস এবং পয়সনের অনুপাতও ইনপুট করা দরকার।

যাচাইকরণ শর্ত নির্বাচন সমানভাবে গুরুত্বপূর্ণ. ইঞ্জিনিয়ারিং অনুশীলনে, নিম্নলিখিত সমন্বয়গুলি সাধারণত যাচাই করা প্রয়োজন:

• হাতা শক্তি : উচ্চ তাপমাত্রা + 1.2 গুণ রেট গতিতে ভন মিস স্ট্রেস;

• স্থায়ী চুম্বক প্রসার্য শক্তি : কম তাপমাত্রায় সর্বাধিক প্রধান চাপ + 1.2 গুণ রেট করা গতি;

• যোগাযোগের চাপ : নিম্ন তাপমাত্রায় ন্যূনতম যোগাযোগের চাপ + 1.2 গুণ রেট করা গতি, নিশ্চিত করতে যে হাতা স্থায়ী চুম্বক থেকে আলাদা না হয়।

এই তিন ধরনের যাচাইকরণ অপারেটিং অবস্থার সবচেয়ে গুরুতর সংমিশ্রণকে কভার করে, এবং তাদের কোনোটিই বাদ দেওয়া যাবে না।

IV হাতা নকশা: রটারের 'সিটবেল্ট'

হাতা উচ্চ-গতির স্থায়ী চুম্বক মোটর রটারের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ প্রতিরক্ষামূলক উপাদান। বর্তমানে, মূলধারার হাতা উপকরণ দুটি প্রধান বিভাগে পড়ে:

মেটাল হাতা  (টাইটানিয়াম খাদ, ইনকোনেল অ্যালয়, ইত্যাদি) ভাল বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা আছে এবং বিকল্প চৌম্বক ক্ষেত্রে এডি কারেন্ট লস তৈরি করবে, মোটর দক্ষতা হ্রাস করবে; যাইহোক, তাদের উচ্চ তাপ পরিবাহিতা তাপ অপচয়ের জন্য উপকারী। ধাতু হাতা চাহিদা বায়ু-ব্যবধান প্রয়োজনীয়তা এবং সীমিত তাপ অপচয় অবস্থার সঙ্গে পরিস্থিতিতে জন্য আরো উপযুক্ত.

কার্বন ফাইবার যৌগিক হাতা  বর্তমানে উচ্চ-গতির মোটরগুলির জন্য মূলধারার পছন্দ। তাদের প্রসার্য শক্তি 3500 MPa-এর বেশি পৌঁছতে পারে (গ্রুপের মান অনুসারে), তাদের ঘনত্ব টাইটানিয়াম খাদের তুলনায় প্রায় এক-চতুর্থাংশ, এবং তারা অ-পরিবাহী এবং এডি কারেন্ট লস তৈরি করে না। যাইহোক, কার্বন ফাইবার স্লিভের অ্যানিসোট্রপি স্ট্রেস বিশ্লেষণে অতিরিক্ত জটিলতা নিয়ে আসে, বিশ্লেষণের জন্য ত্রি-মাত্রিক স্থিতিস্থাপকতা তত্ত্ব ব্যবহার করা প্রয়োজন।

হাতা নকশার মূল দ্বন্দ্বটি পুরুত্বের মধ্যে নিহিত: হাতা যত ঘন, স্থায়ী চুম্বকের উপর সীমাবদ্ধতা তত শক্তিশালী এবং রটারের চাপ তত কম; কিন্তু হাতা বেধ বৃদ্ধি সমতুল্য বায়ু ফাঁক বৃদ্ধি এবং ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক কর্মক্ষমতা দুর্বল হবে. অতএব, হাতা নকশা মূলত একটি বহু-উদ্দেশ্য অপ্টিমাইজেশান সমস্যা - এটি কাঠামোগত শক্তি এবং ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক কর্মক্ষমতা মধ্যে সর্বোত্তম ভারসাম্য খুঁজে বের করা প্রয়োজন।

V. নিরাপত্তা ফ্যাক্টর কিভাবে নির্বাচন করা উচিত?

নিরাপত্তা ফ্যাক্টরের মান সরাসরি নির্ধারণ করে যে যাচাইকরণের উপসংহার নির্ভরযোগ্য কিনা। মান খুব ছোট হলে, এটি ঝুঁকিপূর্ণ; এটি খুব বড় হলে, এটি অত্যধিক ডিজাইনের অপ্রয়োজনীয়তা এবং অবনতি কর্মক্ষমতা বাড়ে।

প্রকৌশল অনুশীলনে, উচ্চ-গতির মোটর রটার যাচাইকরণের জন্য সুরক্ষা ফ্যাক্টর সাধারণত নিম্নলিখিত নীতিগুলি অনুসারে নির্ধারিত হয়:

• হাতা উপাদান : ফলন শক্তি বা প্রসার্য শক্তির উপর ভিত্তি করে, 1.5-2.0 এর একটি নিরাপত্তা ফ্যাক্টর নেওয়া হয়। উদাহরণস্বরূপ, যখন একটি নির্দিষ্ট আল্ট্রা-হাই-স্পিড স্থায়ী চুম্বক মোটরের স্লিভের সর্বোচ্চ চাপ 967 MPa হয়, তখন 2-এর বেশি একটি নিরাপত্তা ফ্যাক্টর গ্রহণযোগ্য বলে বিবেচিত হয়।

• স্থায়ী চুম্বক : যেহেতু NdFeB একটি ভঙ্গুর উপাদান এবং এর প্রসার্য শক্তির বিচ্ছুরণ তুলনামূলকভাবে বড়, তাই সাধারণত 2.0-3.0 এর একটি নিরাপত্তা ফ্যাক্টর নেওয়া হয়। কিছু ডিজাইনের ক্ষেত্রে, স্থায়ী চুম্বকের নিরাপত্তা ফ্যাক্টর 6-এর বেশি পৌঁছতে পারে, যথেষ্ট মার্জিন রেখে।

• খাদ : খাদ উপকরণ সাধারণত খাদ ইস্পাত হয়, ভাল দৃঢ়তা এবং উচ্চ শক্তি সহ, এবং স্ট্রেস স্তর অনুমোদিত মানের থেকে অনেক নীচে, তাই প্রায় 1.5 এর একটি নিরাপত্তা ফ্যাক্টর যথেষ্ট।

• যোগাযোগের চাপ : হাতা এবং স্থায়ী চুম্বক সর্বোচ্চ গতিতে আলাদা না হয় তা নিশ্চিত করার জন্য, সর্বনিম্ন যোগাযোগের চাপ সাধারণত কয়েক মেগাপাস্কেলের কম না হওয়া প্রয়োজন। একটি নির্দিষ্ট ডিজাইনের ক্ষেত্রে, ন্যূনতম যোগাযোগের চাপ রেট করা গতির নিম্ন সীমাতে 5.4 MPa এবং উপরের সীমাতে 2.7 MPa-এর কম না হওয়া প্রয়োজন৷

VI. যাচাইকরণ থেকে যাচাইকরণ পর্যন্ত

স্ট্রেস ভেরিফিকেশন শেষ পর্যন্ত 'কাগজের হিসাব'।

সাধারণ বৈধতা পদ্ধতি অন্তর্ভুক্ত:

ঘূর্ণন পরীক্ষা  হল সবচেয়ে সরাসরি বৈধতা পদ্ধতি। কাঠামোগত ব্যর্থতা ঘটছে কিনা তা পর্যবেক্ষণ করতে রটারটিকে একটি ওভারস্পিড অবস্থায় ত্বরান্বিত করা হয় (সাধারণত রেট করা গতির 1.2 গুণ)। প্রকৃত ব্যর্থতার সময় রটারের আচরণগত বৈশিষ্ট্যগুলি পর্যবেক্ষণ করার জন্য কিছু গবেষণায় বিশেষভাবে প্রোটোটাইপ তৈরি করা হয়েছে যেখানে কার্বন ফাইবার হাতা 30,000 r/min এ ব্যর্থ হয়।

স্ট্রেন পরিমাপ  ঘূর্ণনের সময় রিয়েল টাইমে মূল অবস্থানে স্ট্রেন ডেটা ক্যাপচার করতে পারে। স্ট্রেন গেজ এবং টেলিমেট্রি সিস্টেম ব্যবহার করে, মূল রটার পজিশনে স্ট্রেন 18,000 r/min বা এমনকি উচ্চ গতিতে পরিমাপ করা যেতে পারে এবং সীমিত উপাদান গণনার ফলাফলের সাথে পারস্পরিক সম্পর্ক যাচাই করা যেতে পারে।

স্ট্যাটিক প্রসার্য পরীক্ষা  একটি পরোক্ষ কিন্তু নিরাপদ বৈধতা পদ্ধতি। রটার কোরে স্ট্যাটিক টেনসিল পরীক্ষা করার মাধ্যমে, উচ্চ-গতির ঘূর্ণনের বিপদ এড়ানো যায় এবং বিশ্লেষণাত্মক মডেল এবং সসীম উপাদান ফলাফলের নির্ভুলতা পরোক্ষভাবে যাচাই করা যায়।

উপসংহার

উচ্চ-গতির মোটর রটার স্ট্রেস যাচাইকরণ একটি পদ্ধতিগত প্রকৌশল কাজ যা স্থিতিস্থাপকতা, উপকরণ বিজ্ঞান এবং সংখ্যাসূচক গণনাকে একীভূত করে। কেন্দ্রাতিগ শক্তি, হস্তক্ষেপ বল এবং তাপীয় চাপের সুপারইমপোজড প্রভাবগুলি বোঝা থেকে, যথাযথ যাচাইকরণ পদ্ধতি এবং সুরক্ষা কারণগুলি নির্বাচন করা, পরীক্ষার মাধ্যমে নকশার নির্ভরযোগ্যতা যাচাই করা, প্রতি মিনিটে দশ হাজার বিপ্লবের চরম পরিস্থিতিতে মোটর স্থিরভাবে কাজ করতে পারে কিনা তার সাথে প্রতিটি পদক্ষেপ সম্পর্কিত।

নতুন শক্তির যানবাহনের জন্য ড্রাইভ মোটরগুলির গতি 20,000 r/min ছাড়িয়ে যাওয়ায় এবং ফ্লাইহুইল শক্তি সঞ্চয়স্থানের মোটরগুলির গতি 70,000 r/min এর কাছাকাছি চলে যাওয়ায়, রটার স্ট্রেস যাচাইকরণের জন্য সঠিকতা এবং দক্ষতার প্রয়োজনীয়তা ক্রমাগত বাড়তে থাকে। কার্বন ফাইবার কম্পোজিট হাতা, মাল্টিলেয়ার স্লিভ স্ট্রাকচার এবং মাল্টিফিজিক্স কাপলিং অপ্টিমাইজেশানের মতো নতুন প্রযুক্তিগুলি ক্রমাগত উচ্চ-গতির মোটরগুলির কর্মক্ষমতা সীমানাকে প্রসারিত করছে এবং স্ট্রেস যাচাইকরণ সর্বদা এই সমস্ত উদ্ভাবনের জন্য নিরাপত্তার নীচের লাইন।