فرآیند سیم پیچ فیبر کربنی روتور موتور با سرعت بالا

قدرت در کویل ها: رونمایی از فرآیند بسته بندی فیبر کربن که سرعت موتور را 10 برابر افزایش می دهد

چگونه یک فیبر کربن، نازک‌تر از موی انسان، می‌تواند دیوار بزرگی را روی یک روتور موتور پرسرعت بسازد تا در برابر نیروهای گریز از مرکز عظیم مقاومت کند؟

سیستم محرک الکتریکی فوق‌العاده پرسرعت 800 ولتی «MACH E» دانگ فنگ موتور دارای موتوری با حداکثر سرعت عملیاتی 25000 دور در دقیقه و حداکثر سرعت بیش از 34447 دور در دقیقه است..

در پشت این سرعت شگفت‌انگیز، یک فرآیند دقیق نهفته است - فناوری بسته‌بندی فیبر کربن.

01 گلوگاه قدرت موتورهای پرسرعت

موتورهای پرسرعت در حال تبدیل شدن به یک جهت فنی حیاتی در عصر انرژی جدید هستند. این موتورها در زمینه هایی مانند توربین های گازی، تولید برق پراکنده، هوافضا و وسایل نقلیه با انرژی جدید پتانسیل بسیار زیادی از خود نشان می دهند..

با این حال، یک چالش اصلی به وجود می آید: با افزایش سرعت، نیروی گریز از مرکز روی روتور به طور درجه دوم افزایش می یابد..

با در نظر گرفتن یک موتور آهنربای دائم نصب شده روی سطح، زمانی که سرعت به ده ها هزار دور در دقیقه می رسد، آهنرباهای دائمی نیروهای گریز از مرکز معادل هزاران برابر وزن خود را تجربه می کنند. آستین های محافظ فلزی سنتی یا خیلی سنگین هستند یا فاقد استحکام کافی هستند.

اینجاست که کامپوزیت های فیبر کربن ارزش فوق العاده ای از خود نشان می دهند. فیبر کربن با نسبت استحکام به وزن بالای خود به ماده 'زره' ایده آل برای روتورهای موتور پرسرعت تبدیل می شود.

02 مواد اصلی

استفاده از کامپوزیت های فیبر کربن در موتورهای پرسرعت یک جایگزین ساده مواد نیست، بلکه یک سیستم به دقت مهندسی شده است.

فیبر کربن معمولاً با مواد ماتریسی مانند رزین اپوکسی ترکیب می شود تا پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) را تشکیل دهد. مدول الاستیک و استحکام کششی این ماده، شاخص‌های کلیدی عملکرد آن است که مستقیماً توانایی آن را برای مقاومت در برابر استرس شدید ناشی از چرخش با سرعت بالا تعیین می‌کند.

برای بهینه سازی عملکرد فیبر کربن، از تکنیک قالب گیری سیم پیچ خشک نوار پیش آماده استفاده می شود. اغلب این روش شامل گرم کردن و نرم کردن نوار پیش آغشته به حالت چسبناک قبل از پیچیدن آن بر روی سنبه است. تحت فشرده شدن کشش سیم پیچ، لایه ها به یکدیگر متصل می شوند، به طور قابل توجهی یکنواختی اشباع و دقت قالب گیری را بهبود می بخشند و در نتیجه کیفیت محصول را افزایش می دهند.

03 رونمایی از فرآیند بسته بندی

فرآیند بسته بندی کلید تشکیل آستین محافظ فیبر کربن است. بر اساس نیازهای کاربرد و خواص مواد، دو روش اصلی بسته بندی وجود دارد:

بسته بندی مرطوب شامل غوطه ور کردن بسته های فیبر کربن در رزین و سپس پیچاندن مستقیم آنها بر روی سنبه تحت کشش کنترل شده است. هزینه کمتری دارد اما با چالش هایی مانند اثرات جریان رزین و مشکلات کنترل دقیق مواجه است.

Dry Wrapping از نوار پیش آغشته شده از قبل آغشته شده استفاده می کند که قبل از اینکه روی سنبه بپیچد گرم و نرم می شود. این روش دارای محتوای رزین پایدارتر و قوام با کیفیت بالاتر است که آن را به ویژه برای کاربردهای با کارایی بالا مناسب می کند.

تحقیقات نشان می دهد که در مقایسه با بسته بندی مرطوب، بسته بندی خشک راندمان ساخت ظرف را تا 30 درصد بهبود می بخشد ، محتوای رزین را تا 20 درصد کاهش می دهد و سطح کل نقص را تا 40 درصد کاهش می دهد..

04 زاویه بسته بندی و تعداد لایه ها

بسته بندی فیبر کربن روی روتورهای موتور با سرعت بالا یک انباشته تصادفی نیست. طراحی زاویه بسته بندی و تعداد لایه ها به طور مستقیم بر خواص مکانیکی محصول نهایی تأثیر می گذارد.

یک طرح بسته بندی معمولی اغلب از ترکیبی از چندین لایه در زوایای مختلف استفاده می کند . به عنوان مثال، حق ثبت اختراع یک آستین کامپوزیت موتور با سرعت بالا، آن را به صورت شعاعی به سه لایه تقسیم می‌کند: لایه‌های داخلی و خارجی پارچه فیبر شیشه‌ای بدون قلیایی، با یک لایه میانی از فیبر کربن.

فیبر کربن در لایه میانی به دو لایه زیر تقسیم می‌شود: بسته‌های فیبر کربن داخلی در ± 88 درجه محیطی پیچیده می‌شوند ، در حالی که بسته‌های خارجی در ±65 درجه محیطی پیچیده می‌شوند . هدف این طراحی متعادل کردن توزیع تنش شعاعی و محیطی است.

در تحقیق بر روی موتورهای آهنربای دائمی پرسرعت برای توربین‌های گاز میکرو، محققان دریافتند که وقتی هر سه لایه فیبر کربن از سیم‌پیچ محیطی 90 درجه استفاده می‌کنند ، آهنرباهای دائمی در حالت فشرده‌سازی بهتری قرار می‌گیرند و آن را برای ساخت نمونه اولیه مناسب می‌سازد.

05 چالش ها و نوآوری ها

فن آوری بسته بندی فیبر کربن برای روتورهای موتور با سرعت بالا با چندین چالش روبرو است. تغییرات خواص مواد در محیط های با دمای بالا یک مسئله حیاتی است.

تجزیه و تحلیل مودال با در نظر گرفتن افزایش دما در یک مطالعه بر روی موتورهای آهنربای دائمی با سرعت بالا برای توربین‌های گاز میکرو نشان داد که فرکانس طبیعی روتور آهنربای دائم بیش از 8.3٪ کاهش یافته است. در حالت دمای بالا دماهای بالا همچنین باعث تغییر در خواص مواد مانند مدول الاستیک می شود که بر سفتی روتور تأثیر می گذارد.

سازگاری و دقت فرآیند بسته بندی چالش دیگری است. شرکت‌هایی مانند Cygnet Texkimp و Bowman Power برای توسعه راه‌حل‌هایی برای بهبود سرعت، دقت و تکرارپذیری سیم‌پیچ‌های پرتنش با یکدیگر همکاری می‌کنند.

برای رسیدگی به مسائل مربوط به کنترل تحمل و ناهمواری سطح، فناوری Tianweilan E-Drive یک روش نوآورانه را پیشنهاد کرد: ابتدا یک پوشش ژل را روی سطح داخلی قالب اسپری کرده و خشک کنید. سپس، این قالب را در خارج از بدنه روتور زخم قرار دهید. در نهایت، حرارت را برای خشک شدن فیبر کربن، اجازه می دهد تا با پوشش ژل ادغام شود. این روش از مسائل احتمالی شکستن رشته مرتبط با فرآیندهای سنتی سنگ زنی و پرداخت جلوگیری می کند.

06 چشم انداز و برنامه های کاربردی

با نگاهی به آینده، روند توسعه فناوری بسته بندی فیبر کربن در زمینه موتورهای پرسرعت واضح است. سطوح اتوماسیون و هوش بیشتر خواهد شد.

ادغام فن‌آوری‌های پیشرفته کنترل، حسگر و روباتیک نه تنها ثبات عملکرد و ثبات محصولات کامپوزیت فیبر کربن را بهبود می‌بخشد، بلکه راندمان تولید را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد.

فناوری بسته بندی فیبر کربن پتانسیل کاربرد در زمینه های مختلف از جمله را نشان داده است وسایل نقلیه انرژی جدید، هوافضا، محصولات ورزشی و تفریحی و دستگاه های پزشکی . به خصوص در بخش خودرو، مخازن ذخیره هیدروژن و روتورهای موتور آهنربای دائمی با سرعت بالا، جهت های کاربردی مهم هستند.

از آنجایی که تقاضا برای سیستم‌های درایو با چگالی بالا در خودروهای الکتریکی همچنان در حال رشد است، فناوری بسته‌بندی فیبر کربن نقش بسیار مهمی ایفا خواهد کرد.

تیم SDM شبیه‌سازی‌های قدرت را بر روی یک موتور آهنربای دائمی پرسرعت با توان نامی 150 کیلو وات و سرعت نامی 30000 دور در دقیقه انجام دادند . با استفاده از فن آوری بسته بندی فیبر کربن، آنها با موفقیت اطمینان حاصل کردند که تمام اجزای روتور در طول چرخش با سرعت بالا در محدوده قدرت ایمن باقی می مانند.

مهندسان به دقت زاویه تخمگذاری و کنترل کشش هر لایه فیبر کربن را بررسی می کنند، دقیقاً مانند سازندگان روم باستان که به دقت ظرفیت باربری هر سنگ را محاسبه می کنند. با این حال، نیروهای گریز از مرکز آنها هزاران بار قوی‌تر از وزن خود سنگ‌ها هستند.

هنگامی که این موتور در نهایت با سرعت طراحی خود کار می کند، هر فیبر کربن صدها بار در ثانیه تغییرات تنش را تجربه می کند. با این حال، آنها باید مانند دیوار بزرگ، از آهن رباهای دائمی داخلی و هسته آهنی محافظت کنند.