روتور موتور شناور مغناطیسی: استحکام غلاف فیبر کربن و راه حل های ضد ترک گریز از مرکز با سرعت بالا برای فولاد مگنت

I. 'آزمون بقا' تحت چرخش با سرعت بالا

موتورهای شناور مغناطیسی با مزایای عملکرد بدون تماس، راندمان بالا و سرعت چرخش بسیار بالا، به طور فزاینده ای در تجهیزات پیشرفته مانند دمنده های صنعتی، کمپرسورها و فلایویل های ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، هنگامی که سرعت چرخش به ده ها هزار دور در دقیقه یا حتی بیشتر می رسد، آهنرباهای دائمی روی روتور تحت یک 'آزمایش بقا' شدید قرار می گیرند.

مشکل از کجاست؟

موتورهای شناور مغناطیسی معمولاً از NdFeB متخلخل به عنوان ماده آهنربای دائمی استفاده می کنند. اگرچه NdFeB خواص مغناطیسی بسیار خوبی را ارائه می دهد - از جمله محصول انرژی مغناطیسی بسیار بالا و نیروی اجباری - دارای یک ضعف مهم است:  مقاومت فشاری آن بسیار بیشتر از مقاومت کششی آن است . NdFeB زینتر شده که از طریق متالورژی پودر تولید می شود، معمولاً دارای استحکام کششی بیش از 80 مگاپاسکال نیست. در سرعت های بالا، نیروی گریز از مرکز تنش کششی قابل توجهی را در داخل آهنربای دائمی ایجاد می کند - در شرایط عملیاتی 18000 دور در دقیقه، تنش گریز از مرکز در NdFeB می تواند از 160 مگاپاسکال تجاوز کند که  تقریباً دو برابر حد مقاومت خود است..

این مانند یک طناب است که از یک ماده شکننده ساخته شده است: بدون هیچ مشکلی در برابر فشار مقاومت می کند، اما تحت کشش به راحتی می شکند. هنگامی که موتور با سرعت بالا می‌چرخد، آهنرباهای دائمی تحت نیروهای کششی قرار می‌گیرند، زیرا به بیرون پرتاب می‌شوند. هنگامی که از حد مجاز فراتر رفت، فولاد آهنربا می‌شکند، می‌شکند یا حتی باعث ترکیدن روتور می‌شود.

II. آستین فیبر کربن: یک 'زره محکم' برای فولاد آهنربایی

چگونه می توانیم آهنرباهای دائمی شکننده را از ترک خوردن تحت نیروی گریز از مرکز محافظت کنیم؟ موثرترین راه حل موجود امروزی اضافه کردن  آستین فیبر کربن  روی آهنرباهای دائمی است.

فیبر کربن دارای استحکام کششی بیش از 5000 مگاپاسکال است که بسیار بیشتر از حد مقاومت NdFeB است. مهمتر از آن، در مقایسه با آستین های فلزی سنتی مانند آلیاژ تیتانیوم، آستین فیبر کربن سه مزیت عمده دارد:

• سبک وزن و استحکام بالا  - استحکام ویژه (نسبت قدرت به چگالی) فیبر کربن بسیار بالاتر از فلزات است، بنابراین یک ماده نازک تر و سبک تر می تواند استحکام محافظتی کافی را ایجاد کند.

• بدون اتلاف جریان گردابی  - فیبر کربن رسانای ضعیفی است، بنابراین مانند آستین های فلزی تلفات جریان گردابی با فرکانس بالا ایجاد نمی کند، بنابراین از تلفات اضافی برق و مسائل گرمایشی جلوگیری می کند.

• انبساط حرارتی کم  - فیبر کربن دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است که ثبات ابعادی خوبی را در شرایط عملیاتی با دمای بالا تضمین می کند.

III. راز اصلی ضد ترک خوردگی: قبل از استرس

آیا اضافه کردن آستین فیبر کربن به این معنی است که همه چیز حل شده است؟ نه کاملا.

نکته کلیدی این است که هم آستین و هم آهنرباهای دائمی به دلیل نیروی گریز از مرکز در طول چرخش با سرعت بالا، تحت انبساط شعاعی قرار می گیرند. اگر آستین به سادگی بر روی آهنرباها 'نصب' شود، یک شکاف بین آنها ظاهر می شود - زیرا تغییر شکل شعاعی آستین اغلب بیشتر از آهنرباها است. هنگامی که یک شکاف ایجاد می شود، آستین محدودیت خود را بر روی آهنربا از دست می دهد و فولاد آهنربا همچنان ترک می خورد.

راه حل این است که یک 'پیش استرس' پیوسته به آهنرباهای دائمی اعمال کنید.

با ایجاد یک تداخل بین آستین و آهنرباها (یعنی قطر داخلی آستین کمی کوچکتر از قطر بیرونی آهنرباها است)، آستین مانند یک 'کت و شلوار تنگ' عمل می کند که محکم دور آهنرباها می پیچد و یک تنش فشاری شعاعی به سمت داخل اعمال می کند. هنگامی که روتور با سرعت بالا می چرخد، این پیش تنش به طور موثر  با تنش کششی ناشی از نیروی گریز از مرکز مقابله می کند..

تحقیقات نشان می دهد که وقتی تداخل به بیش از 0.10 میلی متر می رسد، حداکثر تنش گریز از مرکز در آهنرباهای دائمی را می توان از بیش از 160 مگاپاسکال به زیر 70 مگاپاسکال کاهش داد که بسیار کمتر از حد قدرت آنها است. در شرایط شدید (به عنوان مثال، دمای بالا 200 درجه سانتیگراد به اضافه چرخش بیش از حد سرعت)، اگرچه تنش حلقه در آستین فیبر کربن ممکن است به بالای 1000 مگاپاسکال برسد، هنوز حاشیه ایمنی کافی نسبت به حد مقاومت مواد فیبر کربنی 1400 مگاپاسکال وجود دارد.

IV. چگونه به پیش استرس دست یابیم؟ دو مسیر فرآیندی

در حال حاضر، دو روش اصلی برای دستیابی به پیش تنش در آستین فیبر کربن وجود دارد:

مسیر 1: مونتاژ تداخل

آستین فیبر کربن به طور جداگانه تولید می شود و سپس با اتصالات حرارتی یا سرد روی روتور مونتاژ می شود. به عنوان مثال، خنک کردن روتور تا 190- درجه سانتیگراد باعث می شود که آستین با نیروی محوری بسیار کمی سر بخورد. به طور متناوب، می توان از روش اتصال پرس محوری با نیروی فشار تا 25 کیلو نیوتن استفاده کرد.

با این حال، این روش دارای معایبی است: فیبر کربن شکننده است و چقرمگی ضعیفی دارد و آن را مستعد آسیب و ترک در هنگام مونتاژ تداخل می کند. علاوه بر این، فرآیند مونتاژ پیچیده است و کنترل تداخل دشوار است.

مسیر 2: سیم پیچ با تنش بالا (راه حل بهتر)

فیبر کربن مستقیماً روی سطح روتور پیچیده می شود و در طول فرآیند سیم پیچی،  کشش بالایی  به یدک های فیبر اعمال می شود و باعث می شود که هر لایه الیاف به طور محکم دور سطح آهنربای دائمی بپیچد.

ظرافت این روش این است که  فرآیند سیم پیچی خود فرآیند اعمال پیش تنش است . با کنترل کشش فیبر، میدان پیش تنیدگی مورد نظر را می توان بر روی آستین اعمال کرد و جایگزین روش تداخل مکانیکی سنتی شد.

V. فرآیند سیم پیچ فیبر کربن SDM

در زمینه روتورهای موتور پرسرعت شناور مغناطیسی،  Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. بر  بالغ تسلط یافته است  فرآیند سیم پیچ فیبر کربن . ویژگی های فنی آن عمدتاً در جنبه های زیر منعکس می شود:

تکنولوژی سیم پیچ محیطی با تنش بالا.  SDM مسیر فرآیند پیچیدن مستقیم فیبر کربن را به صورت محیطی روی سطح روتور اتخاذ می کند. با کنترل دقیق کشش اعمال شده به یدک‌های فیبر کربنی در طول سیم‌پیچ، لایه‌های الیاف کاملاً با سطح بیرونی آهن‌رباهای دائمی منطبق می‌شوند. این فرآیند به طور همزمان نیروی پیش سفت مورد نیاز آهنرباها را در حین ساخت آستین فراهم می کند و از خطرات ترک و مشکلات مونتاژ مرتبط با مونتاژ تداخل سنتی جلوگیری می کند.

کنترل برنامه تنش دقیق  فرآیند SDM به طور انعطاف‌پذیری از حالت‌های مختلف کنترل تنش با توجه به نیازهای عملیاتی مختلف استفاده می‌کند. برای برآوردن نیازهای مختلف توزیع تنش - مانند 'از داخل شل تر، بیرون محکم تر' یا 'در داخل محکم تر، بیرون شل تر' - آنها می توانند حالت های سیم پیچی کشش ثابت، گشتاور ثابت یا کشش مخروطی را انتخاب کنند. با کنترل لایه به لایه کشش سیم پیچ، تنش پسماند در لایه های الیاف را می توان به طور یکنواخت در یک حالت ایده آل توزیع کرد.

بررسی کمی نیروی پیش انقباض.  SDM یک حلقه بسته فنی کامل، از محاسبات نظری تا شبیه‌سازی اجزای محدود، و در نهایت تا تأیید تجربی ایجاد کرده است. برای نیروی پیش سفت ایجاد شده توسط آستین فیبر کربنی با فشار بالا روی آهنرباهای دائمی، میانگین خطای بین نتایج آزمایش تجربی و محاسبات تحلیلی 8.56٪ است و میانگین خطای نسبت به شبیه سازی اجزا محدود 7.88٪ است - این سطح از دقت کاملاً قابلیت اطمینان طراحی پیش ساخته را تضمین می کند.

قابلیت یکپارچه فرآیند کامل  از انتخاب مواد فیبر کربن، طراحی ساختاری و طراحی الکترومغناطیسی گرفته تا فرآیندهای مونتاژ قالب، ساخت تجهیزات، و بازرسی و آزمایش، SDM دارای یک قابلیت فنی کامل است. دفتر مرکزی این شرکت در هانگژو قرار دارد و دارای یک طرح یکپارچه تجارت صنعتی است که به مشتریان امکان می دهد راه حل زنجیره ای کامل از آهن ربا گرفته تا مجموعه های روتور را به مشتریان ارائه دهد.

دقیقاً با این فرآیند سیم پیچ فیبر کربن تصفیه شده است که روتورهای موتور پرسرعت شناور مغناطیسی SDM می توانند به طور موثری از ترک خوردگی فولاد آهنربایی در شرایط گریز از مرکز با سرعت بالا جلوگیری کنند و عملکرد ایمن، پایدار و قابل اعتماد روتور را در شرایط سخت ده ها هزار دور در دقیقه تضمین کنند.