Tipptasemel pöörlevate masinate, nagu puhurid, õhukompressorid ja jahutuskompressorid, maailmas teevad magnetlaagritega kiired mootorid tõelist 'õlivaba revolutsiooni'. Ei käigukasti, mehaanilist hõõrdumist ega määrdeõli. Ainus pöörlev südamikukomponent levib magnetväljas ja võib jõuda kiiruseni kümneid tuhandeid pööreid minutis. Kuid selleks, et selline keerukas süsteem töötaks nii kiiresti kui ka stabiilselt, on kolme kriitilise parameetri – kiiruse, võimsuse ja kinnitusmuhvi – sobitamine hädavajalik. Uurime süstemaatiliselt magnetlaagrite / kiirmootori rootorite valikuloogikat ja peamisi kaalutlusi.
I. Esiteks mõistke, mis on magnetlaager / kiire mootori rootor
Magnetlaager (tuntud ka kui magnetlaager) on suure jõudlusega tugiseade, mis kasutab rootori kontaktivaba levitatsiooni saavutamiseks kontrollitavat elektromagnetilist jõudu. See erineb põhimõtteliselt traditsioonilistest kuullaagritest, liuglaagritest ja õlikile laagritest: magnetlaagrid kasutavad elektromagnetilist jõudu koos andurite ja suletud ahelaga juhtimissüsteemiga, et saavutada stabiilne rootori levitatsioon nullkontakti ja nullhõõrdumisega.
Magnetlaagrimootori sees jälgivad mitmed nihkeandurid reaalajas rootori radiaalset ja aksiaalset asendit. Kontroller töötleb nihkesignaale ja saadab juhtvoolud magnetlaagrite poolidesse, tekitades elektromagnetilisi jõude, mis hoiavad rootori pidevalt leviteerituna. Sel hetkel ei puutu rootor ühegi teise komponendiga kokku. Lisaks juhib kontroller staatorisse sagedusega juhitavat voolu, tekitades pöörleva magnetvälja, mis paneb rootori suurel kiirusel pöörlema.
Sellel tehnoloogial on hulgaliselt häirivaid eeliseid: puudub hõõrdumine, puudub määrimine, puudub kulumine, mis võimaldab 100% õlivaba töötamist . Võrreldes traditsiooniliste käigukastiga ajamisüsteemidega tagab see suurema kiiruse, pikema kasutusea ja madalamad hoolduskulud. Puhuri- ja kompressorrakendustes võib pakendi maht kahaneda 60–70%, samas kui energiasääst ületab 30%. Just need eelised ajendavad magnetlaagritega kiirete mootorite üha laialdasemat kasutuselevõttu keskkonnakaitses, kaitses, kosmosetööstuses, toiduainete ja farmaatsiatööstuses ning hooratta energiasalvestamisel.
II. Kiirus: kui kiire on õige kiirus?
2.1 Mis on kiirus 'Lagi'?
Tänu magnetlaagrite tehnoloogiale ei piira rootori kiirust enam mehaaniliste laagrite füüsilised piirangud. Tänapäeval on magnetlaagritega kiirete mootorite töökiiruste vahemik märkimisväärselt lai: väikese võimsusega masinad võivad ulatuda 30 000–50 000 p/min; keskmise võimsusega masinad (sadu kilovatti) töötavad tavaliselt vahemikus 15 000 kuni 30 000 pööret minutis; ja suure võimsusega masinad (megavati klass) töötavad tavaliselt vahemikus 10 000–20 000 pööret minutis. Näiteks CRRC Yongji Electricu välja töötatud magnetlaagriga puhuri mootor saavutab 22 000 pööret minutis, samas kui CompAiri Quantima magnetlaagriga tsentrifugaalõhukompressor töötab kuni 60 000 pööret minutis.
2.2 Kriitiline kiirus – valiku lihtsaim lõks
Suurem kiirus ei ole alati parem. Valiku tegemisel tuleb erilist tähelepanu pöörata võtmekontseptsioonile: kriitiline kiirus . Kui rootori pöörlemiskiirus jõuab teatud väärtuseni, võib tsentrifugaaljõud tekitada tugevaid külgmisi vibratsioone ja amplituud suureneb järsult – see on 'kriitiline kiirus'. Kui töökiirus langeb kokku kriitilise kiirusega või on sellele liiga lähedal, resonants , mis võib viia võlli purunemiseni ja rikkeni. tekib
Seetõttu peab hea rootori konstruktsioon tagama, et töökiirus on kaugel kõigist kriitilise kiiruse suurusjärkudest . Inseneripraktikas peab rootori esimene painde kriitiline kiirus olema tavaliselt maksimaalsest töökiirusest oluliselt suurem ('alakriitiline konstruktsioon'), et säilitada piisav ohutusvaru kogu töövahemiku ulatuses. Ühe magnetlaagriga mootorirootori analüüs näitas, et selle esimene kriitiline paindekiirus oli 57 595 pööret minutis, mis on palju suurem kui töökiirus 30 000 p / min, mis kinnitab ohutut ja usaldusväärset disaini. Magnetlaagrite tugijäikus mõjutab ka kriitilist kiirust: suurem jäikus tõstab jäiga keha režiimidega seotud kriitilisi kiirusi, kuid sellel on suhteliselt tagasihoidlik mõju painderežiimidele.
2.3 Lineaarne kiirus – veel üks kriteerium
Lisaks pöörete arvule määrab rootori mehaanilise koormuse piiri tõeliselt lineaarne kiirus . Lineaarkiirus = π × rootori välisläbimõõt × pöörlemiskiirus. See reguleerib otseselt tsentrifugaaljõu suurust, mida püsimagnet ja kinnitushülss peavad taluma. Valiku ajal ärge keskenduge ainult 'kui kiiresti see pöörleb'; alati hinnake koos rootori läbimõõduga, kas tekkiv lineaarkiirus jääb ohutult materjali ja konstruktsiooni piiresse.
III. Võimsus: kuidas valida väikesest suureni?
3.1 Millisele kiirusele ja töötingimustele vastab nimivõimsus?
Magnetlaagriga kiired mootorid katavad väga laia võimsusspektri, alates mitmekümnest kilovatist väikeste puhurite jaoks kuni megavatt-klassi suurte kompressorrongideni, kõik koos tõestatud lahendustega. Võimsuse valiku võti on rakenduse poolt nõutava voolukiiruse ja rõhu (või rõhu) selgelt määratlemine.
Võttes näiteks puhurirakenduse, projekteeriti teatud magnetlaagrimootori mudel vastavalt puhuri spetsifikatsioonidele, kusjuures vastavalt määrati nii rootori elektromagnetiline skeem kui ka magnetlaagri parameetrid. Õhukompressorite sektoris on Honglu Technology kasutusele võtnud 1 MW magnetlaagriga tsentrifugaalõhukompressori – Hiina esimese megavatt-klassi magnetlaagriga õhukompressori –, mis tagab tõeliselt 100% õlivaba töö.
3.2 Võimsuse ja kiiruse sobitamise reegel
Teatud pöördemomendi korral on mootori väljundvõimsus võrdeline kiirusega – see on kiirete konstruktsioonide peamine liikumapanev jõud. Suurem võimsus tähendab aga suuremat rootori voolukoormust, mis toob kaasa tõsisemad pöörisvoolukadud ja termilised probleemid.
Üldjuhisena: Väikest võimsust (≤100 kW) saab väikeste kompressorite, vaakumpumpade jms jaoks siduda suuremate pööretega (40 000–60 000 p/min). Keskmise võimsusega (100–500 kW) on sageli ühendatud 15 000–30 000 pööret minutis (kõrge võimsusega kompressorid (≤ 30 000 p/min). kW) on suurte tööstuslike õhukompressorite ja protsessikompressorite puhul tavaliselt reguleeritud 10 000–20 000 pööret minutis. Megavatt-klassi masinad vähendavad kiirust veelgi, et tagada rootori tugevus ja süsteemi stabiilsus.
3.3 Tõhususe indeks
Kuna need kõrvaldavad mehaanilised hõõrdekadud, on magnetlaagritega kiiretel mootoritel süsteemi tõhusus üldiselt väga kõrge. CRRC Yongji Electricu toodete tõhusus on ≥96% ja muudetava sagedusega töötamise korral võib see saavutada kuni 30% energiasäästu võrreldes traditsiooniliste Rootsi puhuritega. Valides võite paluda tarnijal võrdlusena esitada efektiivsuskõvera nimitingimustes.
IV. Kinnitushülss: kuidas sobitada rootori 'turvavöö'?
See on valikuprotsessi kõige kergemini tähelepanuta jäetud, kuid siiski kõige kriitilisem osa. Püsimagnetmaterjalidel (nagu paagutatud NdFeB) on 'Achilleuse kand': need pakuvad väga suurt survetugevust, kuid tõmbetugevust, mis on vaid umbes kümnendik survetugevusest (tavaliselt ≤80 MPa). Kiire pöörlemise ajal tekitab tohutu tsentrifugaaljõud püsimagnetis suure tõmbepinge. Ilma kaitseta magnet puruneb.
Seetõttu tuleb püsimagneti välispinnale paigaldada ülitugev kaitsehülss (kinnitushülss). Hülsi ja magneti vahelise interferentsi sobitamise abil rakendatakse magnetile teatud eelsurvepinget, mis kompenseerib tsentrifugaaljõust põhjustatud tõmbepinget kiirel pöörlemisel.
4.1 Kolme kinnitushülsi materjali vahetu võrdlus
Praeguses inseneripraktikas domineerivad kolm kinnitushülsi materjali: supersulam, titaanisulam ja süsinikkiuga tugevdatud komposiit.
Supersulam (nt GH4169) : kõrge elastsusmoodul, mis tekitab suurema eelpinge samade mõõtmete ja häiriva sobivuse korral; suur soojuspaisumistegur, mis võimaldab madalamat temperatuuri kokkutõmbumise ajal, mis lihtsustab kokkupanekut ja võimaldab häireid täpselt kontrollida. Negatiivne külg on suurem tihedus ja tühikaal, mis toob kaasa suurema iseindutseeritud tsentrifugaaljõu. Lisaks tekitab see kõrgsageduslikke pöörisvoolukadusid, mis võivad põhjustada rootori tugevat kuumenemist. 300 kW ja 15 000 p/min mootoriga tehtud simulatsiooniuuring kinnitas samuti, et terassulamist hülsi all on mootoril tõsised termilised probleemid.
Titaanisulam (nt TC4) : madal tihedus, nii et hülsi enda tsentrifugaalkoormus on väike; madal soojuspaisumistegur, mis tähendab, et kui rootor kuumeneb, suureneb hülsi rõhk püsimagnetile, mis välistab igasuguse 'termilise lõdvenemise' tendentsi. TC4 titaanisulam nõuab aga suuremat esialgset interferentsi sobivust kui süsinikkiud.
Süsinikkiududega tugevdatud komposiit : pakub kõrgeimat tugevuse ja kaalu suhet, nii et varruka saab õhemaks muuta. Süsinikkiud on põhiliselt mittejuhtiv ega tekita pöörlemise ajal praktiliselt mingit pöörisvoolukadu. Puuduseks on halb soojusjuhtivus, mis kahjustab magneti soojuse hajumist; keerulisem montaažiprotsess; raskused häirete täpsel kontrollimisel; ja asjaolu, et süsinikkiud on habras materjal, mis võib kokkutõmbumise ajal tekitada kahjustavaid pragusid.
Valiku rusikareegel : suure kiirusega väikese läbimõõduga püsimagnetrootorid kasutavad enamasti sulamist hülssi (metallist kokkutõmbumisprotsess on küps ja usaldusväärne); suure läbimõõduga suure lineaarse kiirusega püsimagnetrootorites kasutatakse enamasti süsinikkiust hülssi (kus kerguse ja suure tugevuse eelis on silmapaistev ja hülsi saab kujundada õhemaks).
4.2 Hülsi paksuse ja häirete sobivuse säilitamine – kaks numbrit, mis tuleb täpselt arvutada
Paksem varrukas ei ole alati parem ega ka õhem varrukas ilmtingimata kuluefektiivsem. Hülsi paksus ja häirete hulk on tihedalt seotud:
Liiga paks hülss: halvendab rootori soojuse hajumist ja suurendab hülsi enda tsentrifugaalkoormust;
Liiga õhuke varrukas: ei paku piisavat kaitset, jättes püsimagneti liigse tõmbepinge ohtu;
Liiga suured häired: muudab kokkupaneku keeruliseks ja võib isegi kahjustada või praguneda süsinikkiudmaterjale;
Häired on liiga väikesed: eelpinge on ebapiisav ja kaitse võib suurel kiirusel ebaõnnestuda.
Võttes näiteks suure kiire püsimagnetmootori rootori uurimise: püsimagneti tõmbepinge vastavuse tagamiseks tugevusnõudele vajab 10 mm hülss häireid üle 1 mm; 12 mm hülss vajab umbes 0,7–0,8 mm häireid; ja 14 mm hülss vajab vaid 0,5–0,6 mm häireid.
Vaadake nüüd konkreetset konstruktsioonijuhtumit: 200 kW ja 18 000 p/min püsimagnetiga laagrimootori rootori jaoks võeti lõpuks kasutusele 3 mm seinapaksusega süsinikkiust kinnitushülss, mille interferents hülsi ja püsimagneti vahel oli 0,12 mm. Rootori ohutu töötamine oli garanteeritud, kui interferents ületas 0,1 mm – maksimaalne pinge süsinikkiu kihis oli umbes 284 MPa, alla selle enda tugevuspiiri ning NdFeB magneti maksimaalne pinge langes samuti ohutusse vahemikku.
Äärmuslike töötingimuste korral peab häirete projekteerimisel arvestama ka temperatuuri mõju. 60 000 p/min suure kiirusega mootorirootori analüüs näitas, et kiiruse ja temperatuuri tõustes väheneb materjali deformatsiooni tõttu tegelik interferents hülsi ja püsimagneti vahel, kusjuures kumulatiivne vähenemine ulatub 0,06–0,08 mm-ni. Seetõttu tuleb soojuskadude kompenseerimiseks reserveerida piisav algne häire. Hülsi kõige kriitilisem pingeseisund tekib tavaliselt 'külma pöörlemise' korral, mida tuleb hoolikalt kontrollida.
4.3 Pöörisvoolu kadu – 'varjatud temperatuurierinevus', mida te ei saa materjalide valimisel ignoreerida
Hülsi materjali valik mõjutab otseselt ka rootori pöörisvoolukadusid, mis omakorda mõjutab magneti töötemperatuuri ja demagnetiseerumise ohtu. 55 kW ja 24 000 p/min kiire püsimagnetmootori uuringus võrreldi sulamist hülssi, süsinikkiust hülssi ning süsinikkiust ja vasest varjestuskihist koosnevat komposiitlahust. Tulemused näitasid, et vase varjestuskihiga liitskeem ei ole kõigis tingimustes parim; see annab väikseima pöörisvoolu kogukao ainult teatud tingimustel, näiteks kõrge voolu harmooniliste sisaldus või kõrge elektrisagedus. See tähendab, et varruka lõplik valik peab põhinema põhjalikul võrdlusel, mis hõlmab tegeliku töötingimuste harmoonilisi omadusi – lihtsaid empiirilisi valemeid ei tohiks kriitiliselt rakendada.
V. Kiirus-võimsus-sleeve: raamistiku sobitamine ja valikuprotsess
Integreerides kolm ülaltoodud parameetrit, saame kokku võtta järgmise sobitusraamistiku:
Suur kiirus + väike kuni keskmine võimsus : Süsinikkiust hülss on esimene valik, kasutades ära selle kerget kaalu, suurt tugevust ja pöörisvoolukadude puudumist; tähelepanu tuleb pöörata soojuse hajumise konstruktsioonile.
Keskmine kiirus + suur võimsus : sulamist varrukad (supersulamist või titaanisulamist) on küpsemad ja töökindlamad. Kuigi pöörisvoolukaod on suuremad, pakuvad need head soojuse hajumist ja kontrollitavaid koosteprotsesse.
Väga suur võimsus (MW klass) : Tihti nõuab konstruktsiooni terviklikkuse tagamiseks kiiruse vähendamist; varrukalahendus tuleb valida integreeritud lähenemisviisi abil, mida toetab simulatsioonikontroll.
Soovitatav valikuvoog:
Määratlege töötingimused : määrake voolukiirus, rõhk/rõhk, töökeskkond jne ning arvutage vajalik võlli võimsus.
Valige kiirusvahemik : koormuse omaduste põhjal määrake töökiiruse vahemik ja tagage kriitilise kiiruse analüüsi abil resonantstsoonide vältimine (kasutada tuleb Campbelli diagrammi).
Rootori esialgne projekt : määrake rootori välisläbimõõt, püsimagneti mõõtmed ja konstruktsioonivorm (pinnapealne/silindriline/sisemine).
Hülsi esialgne lahendus : valige kiiruse ja läbimõõdu kombinatsiooni (lineaarkiiruse) alusel hülsi materjali tüüp ja arvutage välja vajalik hülsi paksus ja interferents.
FEA kontrollimine : tehke pingeanalüüs ja pöörisvoolukao analüüs eraldi külmkäivituse, nimitalitluse, äärmusliku ülekiiruse ja kõrge temperatuuri tingimustes, et tagada kõigi komponentide ohutusvaru piires.
Varulaagri konfiguratsioon : ärge unustage varustada süsteemi usaldusväärsete varulaagritega – need toimivad voolukatkestuse või süsteemi rikke korral rootori 'turvapadjana'. Valige need vastavalt rootori kaalule, kiirusele ja kukkumiskoormusele.
Katseline kontrollimine : lõpuks kinnitage arvutuste täpsust prototüübi dünaamilise tasakaalustamise testide ja käivituskatsete abil.
VI. Levinud väärarusaamad ja lõksude vältimine
Eksiarvamus 1: 'Kõrgem kiirus on alati parem'
Kuigi magnetlaagrid tõepoolest eemaldavad mehaaniliste laagrite kiiruspiirangud, seavad rootori kriitilised kiirused ja materjali tugevus siiski füüsilised ülemised piirid. Suurema kiiruse pimesi püüdlemine ilma kriitilise kiiruse kontrollimiseta võib parimal juhul põhjustada ebatavalist vibratsiooni ja halvimal juhul võlli purunemist.
2. eksiarvamus: 'Paksem hülss on alati ohutum'
Liiga paks hülss suurendab omaenda tsentrifugaalkoormust ja takistab soojuse hajumist; liiga suur interferents võib põhjustada süsinikkiust pragusid või koostu rikkeid. Optimaalsed väärtused tuleb määrata täpsete FEA arvutuste abil.
3. eksiarvamus: 'Süsinikkiud on alati sulamist parem'
Kuigi süsinikkiust hülssidel pole pöörisvoolu kadu ning need on kerged ja tugevad, kannatavad need halva soojuse hajumise ja keeruka töötlemise tõttu. Heade jahutustingimustega rakenduste jaoks, kus kokkupanemise lihtsus on kriitiline, on sulamist hülss sageli pragmaatilisem valik. Ükski materjal ei ole üldiselt 'parem' – küsimus on ainult selles, kas see sobib konkreetsete töötingimustega.
4. eksiarvamus: 'Võite kasutada lihtsalt empiirilist interferentsi väärtust'
Igal rootoril on ainulaadne kombinatsioon mõõtmetest, kiirusest ja materjalidest. Häired tuleb määrata igal üksikjuhul eraldi analüütiliste arvutuste ja FEA simulatsiooni abil. 'empiirilise väärtuse' pimesi kopeerimine teisest projektist toob kaasa kas ebapiisava kaitse või koostu ebaõnnestumise.
Magnetlaagri/kiirmootori rootori valimine on süstemaatiline inseneritöö, mis nõuab mitme parameetri kooskõlastatud optimeerimist. Kiirus määrab seadme jõudluse ülemise piiri, võimsus määrab kasutusala ja kinnitushülss määrab süsteemi ohutuse baasjoone. Need kolm tegurit piiravad ja tingivad üksteist; ainult optimaalse tasakaalu tuvastamine teaduslike arvutuste ja simulatsioonide abil suudab magnetlaagrite tehnoloogia tõeliselt pakkuda oma ainulaadseid eeliseid: 'nullhõõrdumine, suur kiirus ja pikk kasutusiga'.
