Süsinikkiust ümbris vs. Metallist ümbris: võrdlev uuring suure kiirusega mootori rootori jõudluse kohta

Sellistes valdkondades nagu suure kiirusega mootorid , lennunduse elektriajamid, õhukompressorid ja hooratta energiasalvestid, rootori kiirused kasvavad pidevalt ning püsimagnetid seisavad silmitsi tsentrifugaaljõudude tõttu märkimisväärsete tõmbepingete riskidega. Püsimagnetite kaitsmiseks ja rootori konstruktsiooni terviklikkuse tagamiseks peavad insenerid lisama magnetite välispinna ümber 'hülsi'. Praegu on kaks peamist varrukalahendust  metallist hülsid  ja  süsinikkiust komposiithülsid . Millised on nende erinevused täpselt? Ja mis omab eelist kiires jõudluses?

I. Miks on kiiretel rootoritel vaja hülssi?

Püsimagnetmootori rootori püsimagnetid on tavaliselt paagutatud neodüüm-raud-boor või samarium-koobalt materjalid. Neil on kõrge survetugevus, kuid suhteliselt madal tõmbetugevus. Kiire pöörlemise ajal tekitab tsentrifugaaljõud kalduvuse magnetid 'paiskuda' väljapoole, eriti rootori välisümbermõõdul, kus tõmbepinge on suurim.

Ilma kaitseta võivad magnetid, kui kiirus suureneb teatud punktini, tekitada pragusid, puruneda või isegi laiali lennata, mis võib viia katastroofilise rikkeni. Hülss toimib nagu 'sidumisriba', mis piirab magneteid, rakendades eelsurvejõudu, et kompenseerida suurel kiirusel pöörlemisel tekkivat tsentrifugaalset tõmbepinget.

Varrukalahenduse hindamisel võetakse tavaliselt arvesse mitmeid tegureid:

• Eritugevus: materjali tugevuse ja tiheduse suhe, mis määrab suure kiiruse võime;

• Soojusjuhtivus: võime juhtida soojust magnetitest ja rootorist eemale;

•  Pöörisvoolukaod: kalduvus genereerida soojust vahelduvate magnetväljade mõjul;

•  Kaal ja inertsimoment: mõjutavad rootori dünaamikat ja kiirenduse jõudlust;

• Tootmisprotsess, maksumus ja töökindlus.

II. Metallvarrukate omadused

Levinud metallist varrukamaterjalid on roostevaba teras, titaanisulamid ja supersulamid. Nende eelised on järgmised:

1. Lihtne töötlemine, ülitäpsed
   Metallhülsseid saab valmistada küpsete protsessidega, nagu treimine, lihvimine ja kokkutõmbumine, mõõtmete täpsuse ja ümaruse hõlpsa kontrollimisega, mis sobivad masstootmiseks.

2. Hea soojusjuhtivus
   Metallidel on üldiselt palju suurem soojusjuhtivus kui süsinikkiudkomposiitidel. Rootori sees tekkivat soojust saab läbi hülsi välja juhtida, hõlbustades magneti jahutamist, vähendades temperatuuri tõusu ja vältides kõrge temperatuuriga demagnetiseerimist.

3.  Hea elastsus, rikkeeelne hoiatus
   Metallmaterjalid läbivad tavaliselt enne ülekoormustõrget plastilise deformatsiooni, mitte äkilist rabedat purunemist, mis annab süsteemile teatud ohutusvaru ja hoiatusaja.

Kuid metallist varrukatel on kiirete stsenaariumide korral ilmsed puudused:

• Suur tihedus, märkimisväärsed iseindutseeritud tsentrifugaaljõud
  Metallhülsil endal on märkimisväärne mass ja selle suurel kiirusel tekkivat tsentrifugaalpinget ei saa ignoreerida. Suuremate kiiruste talumiseks tuleb paksust sageli suurendada, mis lisab veelgi massi ja tsentrifugaaljõudu, luues nõiaringi 'raskemaks ja paksemaks, paksemaks ja raskemaks'.

•  Olulised pöörisvoolukaod
  Metallid on elektrijuhid. Staatori pilu mõjudest ja voolu aja harmoonilistest põhjustatud ruumilised ja ajalised harmoonilised magnetväljad õhupilus kutsuvad metallhülsis esile pöörisvoolud, mille tulemuseks on lisakadud ja kuumenemine. Mida suurem on kiirus, seda suurem on pooluste paaride arv ja mida rikkamad on harmoonilised, seda tõsisemaks see probleem muutub. Kuigi titaanisulamitel on madalam elektrijuhtivus, mis võib vähendada pöörisvoolu, on neil ka kehvem soojusjuhtivus ja kõrgem hind.

• Võimalik kahjulik mõju elektromagnetilisele jõudlusele kõrgetel sagedustel
  Metallümbristel on kõrgsageduslike magnetväljade varjestusmõju, mis võib mõjutada mootori elektromagnetilist jõudlust, eriti pindpaigaldatud püsimagnetmootorite magnetvälja lainekuju.

III. Süsinikkiust komposiitmuhvide omadused

Süsinikkiust komposiitmuhvid valmistatakse tavaliselt ülitugevast süsinikkiust köisiku kerimisel ümber püsimagnetite välispinna või rootori südamiku, millele järgneb kõvenemine. Nende suurimad eelised on:

1. Äärmiselt kõrge eritugevus, suur kiire potentsiaal
   Süsinikkiu tõmbetugevus võib ulatuda üle 3000 MPa, samas kui selle tihedus on vaid umbes veerand terasest. Seetõttu on selle eritugevus mitu korda suurem kui metallidel. See tähendab, et sama hülsi kaalu korral talub süsinikkiud palju suuremaid tsentrifugaaljõude, võimaldades rootoril saavutada palju suuremaid pinna lineaarkiirusi. Kiiretel mootoritel, ülikiiretel hooratta energiasalvestitel, F1 võidusõidu ERS-mootoritel jne on süsinikkiust varrukad peaaegu standardsed.

2. Kerge kaal, väike inertsimoment
   Süsinikkiul on madal tihedus, mis muudab hülsi kergemaks, mis aitab vähendada rootori inertsimomenti, parandades mootori võimsustihedust ja dünaamilist reaktsioonikiirust.

3. Madalad pöörisvoolukaod
   Kuigi süsinikkiud ise on mõnevõrra juhtiv, on komposiidis olev vaigumaatriks tavaliselt isoleeriv ja süsinikkiust köisiku vaheline kontakttakistus on suhteliselt kõrge, mis pärsib üldiseid pöörisvooluteid. Võrreldes täismetallist hülssidega on süsinikkiust hülssidel oluliselt väiksemad pöörisvoolukaod, eriti kiirete mitmepooluseliste mootorite puhul.

4. Head summutusomadused, kasulikud vibratsiooni summutamiseks
   Süsinikkiust komposiitmaterjalidel on head summutusomadused, mis võivad neelata mõningast mehaanilist vibratsiooni, vähendades rootori vibratsiooni ja müra.

Kuid süsinikkiust varrukad pole ilma puudusteta:

• Halb soojusjuhtivus, raske magnetsoojuse hajumine
  Süsinikkidest komposiitide soojusjuhtivus on palju madalam kui metallidel, eriti radiaal- ja põikisuunas. Magnetite tekitatud soojust on raske läbi hülsi hajutada, mis võib põhjustada püsimagnetite temperatuuri liigset tõusu ja demagnetiseerumise riski suurenemist. Tavaliselt on vaja täiendavaid sisemise rootori jahutuskonstruktsioone, nagu õlijahutus, aksiaalne ventilatsioon või soojustorud.

• Keeruline protsess, raske konsistentsi kontroll
  Süsinikkiust kerimine nõuab pinge, mähise nurga, kihtide arvu ja kõvenemisprotsessi täpset juhtimist. Kui eelpinge on ebapiisav, võib hülss suurel kiirusel lahti tulla; kui eelpinge on liiga kõrge, võib see magnetid lõhkuda. Protsessi stabiilsusele ja kvaliteedikontrollile esitatakse kõrgeid nõudmisi.

• Habras rike, vähene elastsus
  Süsinikkiust komposiidid on rabedad materjalid ja võivad ülekoormusel ootamatult puruneda, ilma et metallidel oleks hoiatust plastilise deformatsiooni eest. Seetõttu tuleb projekteerimisel reserveerida piisavalt ohutusvarusid ja kvaliteeti tuleb tagada mittepurustavate katsete abil.

• Temperatuuri ja niiskuse piirangud
  Vaigumaatriksil on piiratud temperatuuritaluvus, tavaliselt pikaajalisel töötemperatuuril, mis ei ületa 150–200 °C. Kõrgel temperatuuril võib vaik pehmeneda või vananeda, mis mõjutab hülsi mehaanilisi omadusi. Lisaks võib jõudlust halvendada ka niiskuse neeldumine.

IV. Põhilise kiire jõudluse võrdlus

Kiire jõudluse seisukohast on süsinikkiust varrukatel selged eelised  lõppkiiruse, võimsustiheduse ja pöörisvoolukadude osas ; metallist varrukad on paremad  soojuse hajumise, protsessi maksumuse ja rikkeohutuse poolest.

V. Kuidas valida rakendusstsenaariumide põhjal?

Süsinikkiust varrukatele sobivamad stsenaariumid:

• Kiired/ülikiired püsimagnetmootorid, nt õhukompressorid, turbiinid, hooratta energiasalvestid üle 50 000 p/min;

• Lennunduse elektriajamid, drooni tõukejõud, võidusõidumootorid ja muud rakendused, mis nõuavad äärmiselt suurt võimsustihedust;

• Pinnale paigaldatavad püsimagnetmootorid, mille puhul on kriitilise tähtsusega hülsi pöörisvoolukadude minimeerimine;

• Mootorid, mis on varustatud heade rootori jahutuslahendustega, mis suudavad kompenseerida süsinikkiu halba soojusjuhtivust.

Metallhülsside jaoks sobivamad stsenaariumid:

• Keskmise kuni väikese kiirusega tööstuslikud mootorid, tavalised autode veomootorid, tavaliselt alla 20 000 p/min;

• Kulutundlikud, suuremahulised tooted;

• Piiratud jahutustingimustega rakendused, mis sõltuvad hülsi soojusjuhtivusest;

• Rakendused, kus rikkehoiatus on kõrge prioriteediga ja äkiline habras purunemine on vastuvõetamatu.

VI. Tuleviku suundumused

Kuna kiired mootorid liiguvad suurema võimsustiheduse poole, võetakse süsinikkiust hülsid laiemalt kasutusele. Samal ajal on tekkimas hübriidlahendused, näiteks:

• Süsinikkiud + õhukese metallkihiga komposiithülsid : metallikihi kasutamine soojusjuhtivuse või kaitse parandamiseks, säilitades samas süsinikkiu kõrge eritugevuse;

• Uued kõrge soojusjuhtivusega süsinikkiud/vaigusüsteemid : komposiitmaterjalide soojusjuhtivuse suurendamiseks;

• Varrukateta konstruktsioonid : kasutatakse sisemisi püsimagneteid või ülitugevaid magnetmaterjale, et vähendada sõltuvust varrukatest.

Kokkuvõttes  esindavad süsinikkiust varrukad suurema kiiruse, kergema kaalu ja suurema võimsustiheduse tehnoloogilist suunda ; samas kui  metallist varrukad domineerivad jätkuvalt keskmise ja väikese kiiruse turul tänu nende küpsusele, töökindlusele ja kulueelistele . Valik nende kahe vahel sõltub lõpuks mootori tegelikust kiirusest, soojusjuhtimise tingimustest, kulupiirangutest ja töökindlusnõuetest.