Magnetlevitatsioonimootori rootorite kolm peamist väljakutset ja nende lahendused

Magnetlaagriga mootorid, mille eelised on kontaktivaba töö, kulumise puudumine ja kõrge efektiivsus, asendavad kiiresti traditsioonilisi mootoreid sellistes valdkondades nagu kiired kompressorid, puhurid ja hooratta energiasalvestid. Kui aga pöörlemiskiirused ulatuvad kümnete tuhandete või isegi üle saja tuhande pöörde minutis, saab toote edukuse määravaks teguriks rootori töökindlus – vibratsioon ja ebatavaline müra, magneti eraldumine ja suurel kiirusel tekkinud rike on kolm püsivat probleemi, mis on tööstuse insenere pikka aega vaevanud. See artikkel alustab algpõhjustest, analüüsib nende probleemide taga olevaid füüsilisi mehhanisme ja tutvustab kõige tõhusamat praegust lahendust – süsinikkiust mähistehnoloogiat.

1. Vibratsioon ja ebanormaalne müra: nähtamatu 'madalsageduslik tapja'

1.1 Nähtused ja ohud

Töö ajal esinevad magnetlaagritega mootorid mõnikord ebatavalise vibratsiooni ja müraga, mis ei sõltu pöörlemiskiirusest. Erinevalt tavalistes pöörlevates masinates levinud tasakaalustamata vibratsioonist ei mõjuta kiiruse tase seda vibratsiooni; see püsib isegi stabiilse kiirusega. Pikaajaline kokkupuude sellise vibratsiooniga mitte ainult ei kiirenda laagrite ja konstruktsiooniosade väsimuskahjustusi, vaid tekitab ka ärritavat müra, mis mõjutab tõsiselt seadmete töökindlust ja kasutuskogemust.

1.2 Algpõhjuste analüüs

Uuringud näitavad, et madala sagedusega vibratsioon Magnetlevitatsioonimootori rootori määrab suletud ahelaga juhtimissüsteemi loomulik sagedus ja erutab välismüra. Teisisõnu, see ei ole puhtalt mehaaniline probleem, vaid juhtimissüsteemi ja mehaanilise struktuuri vaheline seos.

Täpsemalt võivad madala sagedusega vibratsiooni esile kutsuda järgmised tegurid:

• Rootori tasakaalustamatus : massikeskme nihe, mis on põhjustatud töötlus- ja montaaživigadest;

• Laagri kliirens : mittevastavus magnetlaagrite juhtimisparameetrite ja rootori dünaamiliste omaduste vahel;

• Juhtsüsteemi vahelülid : viivitused ja mittelineaarsused signaali hankimisel, töötlemisel ja väljundis.

1.3 Lahendused

Madalsagedusliku vibratsiooni puhul hõlmavad peamised tehnilised lähenemisviisid:

(1) Dünaamiline tasakaalustamise korrigeerimine : kasutage rootori korrigeerimiseks ülitäpset tasakaalustusseadet, lisades või eemaldades vastukaalu, et viia tasakaalustamatus lubatud piiridesse.

(2) Juhtimisalgoritmi optimeerimine : teadlased on välja pakkunud vibratsiooni kompenseerimise strateegiad, mis põhinevad laiendatud olekuvaatlejatel. Katsetulemused näitavad, et sama valge müra ergastuse korral väheneb maksimaalne rootori vibratsioon koos kompensaatoriga umbes 21% võrreldes ainult PID-juhtimisega; kiirusel 30 000 p/min väheneb maksimaalne rootori vibratsioon 26,6%.

(3) Struktuuri optimeerimine : optimeerige rootori konstruktsiooni, et parandada rootorisüsteemi jäikust ja summutusomadusi.

2. Magneti eraldumine: 'Tsentrifugaalvalu' suurtel kiirustel

2.1 Nähtused ja ohud

Magneti eraldumine on püsimagnetmootorites üks tõsisemaid rikkeid. Kiiruste juures kümneid tuhandeid pööreid minutis võib magnetitele mõjuv tsentrifugaaljõud ulatuda tuhandeid kordi nende enda massist. Kui magnet eraldub rootori pinnalt, langeb mootori jõudlus parimal juhul järsult; halvimal juhul võib see põhjustada rootori kinnikiilumist, staatori ava läbimurdmist ja muid katastroofilisi tagajärgi.

2.2 Algpõhjuste analüüs

Magneti eraldumise ja servade tõstmise võib seostada viie peamise teguriga:

(1) Ebapiisav tugevus : liimi nihketugevus on madalam kui magnetile mõjuv tsentrifugaal- või löögijõud, nii et side ei püsi.

(2) Kõrgel ja madalal temperatuuril purunemine : liim muutub madalal temperatuuril rabedaks või laguneb kõrgel temperatuuril, vähendades drastiliselt liimimist. Tavaliste liimide töötemperatuur on tavaliselt umbes 120 °C, samas kui mootori sisetemperatuuri tõus ületab sageli selle vahemiku.

(3) Soojuspaisumise koefitsientide mittevastavus : soojuspaisumise erinevused magneti (nt NdFeB) ja rootori materjali (nt alumiiniumsulam) vahel on suured ning temperatuurimuutused põhjustavad sisemist pinget, mis lõhustab liimikihi.

(4) Kõrgsageduslik vibratsioon : pikaajaline kõrgsageduslik vibratsioon koormab pidevalt kleepuvat kihti, kiirendades väsimust.

(5) Keskkonna korrosioon : niiskus, kuumus, soolapihustus jne kahjustavad liimikihti ja nõrgendavad sidet.

Lisaks võib probleemi süvendada magnetite vale segmenteerimiskujundus. Kui ühel magnetsegmendil on rootoriga kokkupuutes liiga suur ala, võib süsinikkiu väljastpoolt mähkimine magneti kergesti lõhkuda; isegi kui see ei pragune kerimise ajal, võib see pärast mõnda toimingut praguneda.

2.3 Lahendused

(1) Optimeerige liimimisprotsessi : valige suure jõudlusega struktuurliimid, tagage puhtad liimimispinnad ja kontrollige rangelt kõvenemistingimusi.

(2) Magneti segmenteerimise disain : jagage magnetid horisontaalsuunas väiksemateks segmentideks, et vähendada iga detaili pindala ja vähendada pragunemise ohtu.

(3) Füüsilise piiramise tugevdamine  – see on kõige põhimõttelisem lahendus: lisage magnetitest väljapoole ülitugev ümbris, et tagada tsentrifugaaljõu füüsiline piiramine. Süsinikkiust mähis on praegu tunnistatud parimaks tugevdusmeetodiks.

3. Suure kiiruse rike: kui rootor 'ei saa kinni'

3.1 Nähtused ja ohud

Kui mootori kiirus läheneb rootori konstruktsioonipiirangule või ületab seda, ähvardab rootor katastroofilist riket. Tüüpilised ilmingud hõlmavad rootori deformatsiooni, püsimagneti killustumist, hülsi purunemist ja rootori kukkumist. Kui suurel kiirusel ilmneb rike, ei lähe mitte ainult varustus vanarauaks, vaid see võib põhjustada ka tõsiseid ohutusõnnetusi.

3.2 Algpõhjuste analüüs

Kiirkiiruse rikke peamine põhjus on  vastuolu tsentrifugaaljõu ja materjali tugevuse vahel.

Võtke näiteks NdFeB püsimagnetid. Kuigi neil on ülikõrge magnetiline energiaprodukt ja koertsitiivsus, mis teeb neist tänapäeval parima jõudlusega püsimagnetmaterjali, on nende tõmbetugevus madal (<80 MPa) ja temperatuuritundlikud ning halva termilise stabiilsusega. Kümnete tuhandete pöörete arvu juures ületab püsimagnetite tsentrifugaalpinge kaugelt nende enda tugevuspiiri, seega on väline hülss kaitseks hädavajalik.

Traditsiooniline lahendus on mittemagnetiliste metallist hülsside kasutamine (näiteks Inconel 718 või titaanisulam). Metallhülssidel on aga saatuslik puudus:  pöörisvoolukadud . Mida suurem on hülsi juhtivus, seda suuremad on tekkivad pöörisvoolud ja seda tõsisem on pöörisvoolu kadu, mis põhjustab rootori temperatuuri järsu tõusu, suurendades veelgi püsimagnetite demagnetiseerumise ohtu.

3.3 Lahendused

Süsinikkiust komposiitvarrukad  on praegu tunnistatud parimaks lahenduseks.

Süsinikkiust varrukate eelised on järgmised:

• Madal juhtivus : need praktiliselt ei tekita pöörisvoolukadusid, mille tulemuseks on madalaim rootori temperatuuri tõus;

• Suur tugevus : süsinikkiu eritugevus on palju kõrgem kui metallidel, pakkudes tugevamat vaoshoitust kergema kaaluga;

• Kõrge moodul : vaigumaterjalide ja mähisprotsesside optimeerimise abil saab elastsusmoodulit suurendada traditsiooniliselt 130-160 GPa-lt üle 200 GPa-ni.

4. Ülim lahendus: süsinikkiust kerimistehnoloogia

Kolme peamise probleemi, nagu vibratsioonimüra, magneti eraldumine ja kiire rike, üheaegseks lahendamiseks on süsinikkiust mähis asendamatu põhitehnoloogia. Selle põhimõte on kerida ülitugevast süsinikkiust komposiitmaterjali ümber püsimagnetite, moodustades rootori kohal tiheda 'soomuse', mis tagab pideva radiaalse piirangu suurel pöörlemisel tekkivale tsentrifugaaljõule.

4.1 Kaks peamist protsessi

Praegu on süsinikkiust rootorite valmistamiseks kaks peamist lähenemisviisi:

Press-liitumismeetod : valmistage esmalt süsinikkiust hülss, seejärel vajutage see rootorile või kasutage kokkutõmbuvat kinnitust. Kahanevas liitmikus jahutatakse rootor temperatuurini -190°C ja hülsi saab paigaldada väga väikese aksiaaljõuga. Pressliitumismeetod on suhteliselt küps, kuid see nõuab häirete sobivuse ülitäpset juhtimist – liiga palju häireid võib magnetid lõhkuda, liiga vähe aga ei piira piisavalt.

Otsemähkimismeetod : kerige süsinikkiud otse püsimagneti pinnale, seejärel kuivatage see. See meetod nõuab äärmiselt ranget kontrolli mähise pinge, kõvenemistemperatuuri, kihtidevahelise sidumise ja muude protsessiparameetrite üle, kuid see võib saavutada ühtlasema eelpinge ja suurema materjali kasutamise.

4.2 Peamised tehnilised raskused

(1) Eelpinge juhtimine : mähkimise ajal tuleb rakendada asjakohast algpinget, et süsinikkiud avaldaks pärast kõvenemist magnetitele pidevat eelsurvet. Liigne pinge võib magnetid lõhkuda, samas kui ebapiisav pinge ei suuda tagada piisavat vaoshoitust.

(2) Termiline sobitamine : süsinikkiust komposiidi, püsimagnetite ja võlli materjali soojuspaisumise koefitsiendid peavad olema täpselt sobitatud, et vältida temperatuurimuutustest tingitud liigset sisemist pinget.

(3) Pingeanalüüs: rootori konstruktsiooni pinge ja deformatsiooni täpseks analüüsimiseks tuleks kasutada lõplike elementide analüüsi tarkvara (nt MSC Patran/Nastran), määrates kindlaks mähise kihi optimaalse paksuse, nurga ja protsessi parameetrid.

Uuringud on näidanud, et magnetilise levitatsioonimootori rootor suudab vastata tugevus- ja deformatsiooninõuetele suurel kiirusel 72 000 p/min. süsinikkiust tugevdusrõngaga

5. SDM-i süsinikkiust kerimisprotsess

Magnetlaagrite / kiirmootori rootorite süsinikkiust mähiste valdkonnas on  SDM  üks vähestest kodumaistest ettevõtetest, kes valdab põhitehnoloogiat.

Magnetlaagrite / kiirmootori rootorite valdkonnas on SDM-i süsinikkiust mähisprotsessil järgmised silmapaistvad omadused:

(1) Täisahela tootmisvõime : ettevõttel on ühekordne koguahela tootmisvõimalus alates magnetmaterjalidest (pehme magnet + kõva magnet) kuni mootori staatori/rootori komponentideni ja seejärel lahendaja anduri mikromootorisüsteemideni. See tähendab, et alates magneti valikust ja rootori disainist kuni süsinikkiust mähise ja lõpliku testimiseni tehakse kõik ettevõttesiseselt, tagades ülikõrge kvaliteedikontrolli.

(2) Neljanda põlvkonna haruldaste muldmetallide püsimagnetitega seotud teadus- ja arendustegevus : ettevõte investeerib pidevalt neljanda põlvkonna haruldaste muldmetallide püsimagnetmaterjalide väljatöötamisse, pakkudes süsinikkiust mähiste jaoks paremaid magnetsubstraate. Magnetite endi kvaliteet – sealhulgas tõmbetugevus, termiline stabiilsus ja mõõtmete täpsus – määrab otseselt süsinikkiust mähise lõpliku jõudluse.

(3) Täppistöötlusvõime : ettevõte kasutab rootorite ja hülside mõõtmete täpsuse tagamiseks täppistöötlusprotsesse, nagu CNC silindriline lihvimine. Süsinikkiust mähis nõuab rootori põhimiku äärmiselt suurt ümarust ja koaksiaalsust; kõik väikesed töötlusvead võimenduvad suurel kiirusel.

(4) Optimeeritud magneti segmenteerimise disain : SDM kujundab magneti segmendid, võttes täielikult arvesse süsinikkiust mähise omadusi, segmenteerides magnetid ratsionaalselt, et tagada piisav magnetiline jõudlus, vältides samal ajal liiga suurtest üksikutest magnetialadest põhjustatud pragunemisohtu – see disainilahendus käsitleb otseselt mähisprotsessi valupunkte.

(5) Mähimisprotsessi ja materjalide sünergiline optimeerimine : vaikmaterjalide pideva uurimise ja mähimisprotsessi optimeerimise kaudu on ettevõte pidevalt suurendanud süsinikkiust komposiidi elastsusmoodulit, minimeerides pöörisvoolukadusid, tagades samal ajal tugevuse, lahendades seega põhimõtteliselt metallhülssidega seotud liigse temperatuuritõusu probleemi.

Järeldus

Vibratsioonimüra, magneti eraldumine ja magnetilise levitatsioonimootori rootori kiire rike on sisuliselt tsentrifugaaljõu ja materjalide, struktuuri ja juhtsüsteemide vahelise vastuolu ilmingud suurel pöörlemiskiirusel. Süsinikkiust kerimistehnoloogiast on saanud nende kolme peamise väljakutse optimaalne lahendus, pakkudes tugevat ja väikese kadudega füüsilist vaoshoitust.

SDM, millel on 16-aastane kogemus magnetmaterjalide tööstuses, täisahela tootmisvõimsus, neljanda põlvkonna haruldaste muldmetallide magnetite uurimis- ja arendustegevuse tugevus ning rafineeritud süsinikkiust mähisprotsess, pakub üha usaldusväärsemaid rootorilahendusi magnetlaagritele / kiiretele mootoritele. Tulevikus, süsinikkiudmaterjalide ja mähistehnoloogiate jätkuva arenguga, nihutatakse magnetlaagritega mootorite kiiruspiiranguid ja töökindlust veelgi.