حفظ آهنربا روتور با سرعت بالا نصب شده روی سطح: چرا 'چسب آن را نگه می دارد' خطرناک ترین توهم است

در یک موتور آهنربای دائمی با سرعت بالا که در بیش از 20000 دور در دقیقه کار می کند، هر آهنربا در حاشیه روتور نیروی گریز از مرکز را ده ها برابر وزن خود تجربه می کند. اگر طراح فرض کند که 'چسب بهتر آن را نگه می دارد'، نتیجه اغلب این است که در مرحله ای از آزمایش دوام، لایه چسب به آرامی ترک می خورد، آهنربا از بین می رود و مالش روتور-استاتور، اتصال کوتاه و خرابی کامل دستگاه به ترتیب دنبال می شود. در روتورهای با سرعت بالا که روی سطح نصب می شوند،  چسب هرگز وسیله اصلی نگهداری نیست. این فقط یک بازیکن پشتیبانی برای موقعیت یابی و میرایی است . آنچه واقعاً تعیین می کند آهنرباها 'پرواز کنند یا نه' یک رویکرد مهندسی در سطح سیستم است که از مسیرهای بار تا جزئیات ساختاری گسترش می یابد.

نیروی گریز از مرکز و شکنندگی آهنربا: یک تناقض اجتناب ناپذیر

در روتورهای روی سطح، آهنرباهای دائمی مستقیماً روی سطح بیرونی روتور قرار می گیرند و نیروی گریز از مرکز به طور کامل توسط خود آهنرباها و ساختار نگهدارنده خارج از آنها تحمل می شود. ضعف کشنده NdFeB متخلخل این است که سخت و شکننده است - استحکام کششی آن بسیار کمتر از مقاومت فشاری آن است و به عیوب موضعی، ریزترک‌ها و آسیب مونتاژ بسیار حساس است. به طور جدی تر، بار گریز از مرکز با مربع سرعت رشد می کند: سرعت دو برابر، و بار چهار برابر بزرگتر می شود. برای روتوری با قطر 40 میلی متر که با سرعت 30000 دور در دقیقه کار می کند، سرعت خطی سطح حدود 62.8 متر بر ثانیه است. این یک وضعیت ساختاری است که باید به طور جدی درمان شود – نه سناریویی که بتوان آن را تنها با چسب 'رام کرد' کرد.

داده های مقاومت برشی چسب در دمای اتاق اغلب چشمگیر به نظر می رسند، اما دمای داخلی یک روتور با سرعت بالا می تواند در حین کار به 150 درجه سانتیگراد یا حتی بالاتر برسد. در چنین دماهایی، مدول چسب‌های سازه‌ای معمولی به شدت کاهش می‌یابد، و یک لایه چسب تحت برش گریز از مرکز طولانی‌مدت وارد مسیر آسیب تجمعی خزش – ترک خوردن – جدا شدن می‌شود. تجربه مهندسی نشان می دهد که سازه هایی که صرفاً به چسب متکی هستند به سختی می توانند زیر 10000 دور در دقیقه کار کنند، اما زمانی که آستانه 15000 دور در دقیقه عبور کرد، قابلیت اطمینان طولانی مدت لایه چسب غیرقابل قبول می شود. این به این دلیل نیست که خود چسب 'بد' است، بلکه به این دلیل است که  چسب در موقعیتی قرار گرفته است که نباید بار اولیه را تحمل کند..

آستین نگهدارنده: عبور باتوم بار گریز از مرکز به مواد با استحکام بالاتر

اصلی ترین راه حل حفظ برای روتورهای سطحی با سرعت بالا، قرار دادن یک غلاف محافظ در خارج از آهنرباها و اعمال پیش بار شعاعی به آهنرباها از طریق یک اتصال تداخلی است، به طوری که آهنرباها در حالت سکون، در سرعت بالا در حالت سرد، و در سرعت بالا در حالت گرم، به جای اینکه 'با نیروی مرکزی' به سمت بیرون کشیده شوند، تحت فشار یا تنش کنترل شده باقی بمانند. هسته طراحی آستین 'افزودن پوسته' نیست، بلکه  انتخاب دقیق تداخل است : تداخل بسیار کم، و فشار تماس با سرعت بالا به صفر می رسد و باعث جدا شدن آهنرباها از هسته روتور می شود. تداخل بیش از حد، و تنش حلقه خود آستین از حد خود فراتر می رود، یا فشار فشاری بیش از حد روی آهنرباها باعث شکستگی موضعی می شود.

در انتخاب مواد آستین، مبادله بین کامپوزیت های فیبر کربن و آلیاژهای فلزی به طور مستقیم از دست دادن روتور، افزایش دما و مرز چگالی توان را تعیین می کند.

جذابیت آستین های کامپوزیت فیبر کربن در  استحکام حلقه ویژه بسیار بالا  و چگالی کم آنها نهفته است. آنها را می توان نازک تر از آستین های فلزی ساخت و فضای بیشتری را برای شکاف هوا آزاد کرد و به بهبود چگالی توان کمک کرد. اما کامپوزیت ها ناهمسانگرد هستند. استحکام حلقه آنها به جهت گیری سیم پیچ فیبر و کیفیت فرآیند بستگی دارد و حالت های شکست آنها شامل شکستگی فیبر، ترک خوردگی ماتریس و لایه لایه شدن است. منطق بازرسی و پذیرش با قطعات فلزی کاملا متفاوت است. واقعیت دیگری که اغلب نادیده گرفته می شود این است که  فیبر کربن یک عایق نیست . یک غلاف CFRP در یک میدان مغناطیسی متناوب تلفات جریان گردابی ایجاد می‌کند و این تلفات به ساختار چیدمان، وضعیت تماس فیبر و سیستم رزین بستگی دارد. رسانایی حرارتی فیبر کربن نیز وابسته به جهت است، و مسیری که گرمای داخل روتور به بیرون منتقل می‌شود، پیچیده‌تر از غلاف فلزی است.

مزایای آستین های فلزی - آلیاژ تیتانیوم، اینکونل 718، فولاد ضد زنگ - در  همسانگرد بودن، هدایت حرارتی بهتر، و ارائه دقت ابعادی و قوام دسته ای بیشتر است . آلیاژ تیتانیوم چگالی متوسطی دارد و تعادل خوبی بین مقاومت و مقاومت در برابر دما دارد و آن را به یک مصالحه رایج در روتورهای پرسرعت تبدیل می‌کند. اینکونل 718 دارای استحکام فوق‌العاده‌تر در دمای بالا است، اما همچنین چگالی و تلفات جریان گردابی بالاتری دارد. هزینه یک غلاف فلزی رسانایی الکتریکی بالای آن است: هارمونیک های شکاف استاتور جریان های گردابی را در آستین القا می کنند و این تلفات مستقیماً روی بار حرارتی روتور قرار می گیرد که به نوبه خود فشار تماس حالت داغ تداخل را تغییر می دهد. در سال های اخیر، یک روند واضح بوده است  ساختار آستین مرکب : یک لایه آلیاژ تیتانیوم بیرونی بار حلقه اصلی را حمل می کند، در حالی که یک لایه فیبر کربن داخلی یا لایه کم تلفات تطابق حرارتی و توزیع تلفات را تنظیم می کند. در مقایسه برای موتورهای کلاس 45 کیلووات/45000 دور در دقیقه، افزایش دمای روتور در غلاف کامپوزیت کمتر از یک آستین دولایه تمام تیتانیومی بود که ایده 'حل تضادهای متعدد در لایه ها' را نشان می دهد.

حفظ انتهایی: 'آخرین دیوار حایل' که توسط طراحی های مبتنی بر چسب فراموش شده است

حتی با یک آستین، اگر هیچ مانع مکانیکی در جهت محوری وجود نداشته باشد، یک مسیر شکست مخفی باقی می‌ماند: تحت ارتعاش و چرخه حرارتی چرخش با سرعت بالا، آهن‌رباها ممکن است تغییر محوری جزئی داشته باشند، به تدریج به لایه چسب آسیب وارد کرده و سطوح تماس را پوشانده و در نهایت توزیع بار را بدتر می‌کند. نقش ساختار حفظ انتهایی این است که این مسیر را به طور کامل مسدود کند.

مستقیم ترین روش نصب  حلقه های نگهدارنده یا صفحات انتهایی  در دو سر روتور برای محدود کردن آهنرباها به صورت محوری است. در طرح های فشرده تر، یک پله حلقوی را می توان در انتهای هسته روتور ماشین کاری کرد، به طوری که پس از وارد شدن آهن ربا، سطح پله حفظ محوری را فراهم می کند. به طور متناوب، صفحات فشار/ویژگی های نگهدارنده را می توان بین آهنرباهای مجاور قرار داد تا هم موقعیت محیطی و هم محدودیت محوری را فراهم کند. برای ساختار روتور بیرونی، اختلاف ارتفاع بین ناحیه نصب آهنربا و ناحیه نگهدارنده روی دیواره داخلی درام ایجاد می‌شود و سطح انتهایی منطقه نصب آهنربا به طور طبیعی به یک لبه نگهدارنده محوری تبدیل می‌شود. منطق رایج این سازه ها این است که:  نگهداشت محوری به لایه چسب متکی نیست، بلکه مستقیماً توسط اجزای فلزی یا کامپوزیت تحمل می شود . تجربه دست اول از انجمن Simo نیز این را تایید می کند - پس از افزودن لبه های نگهدارنده فولاد ضد زنگ در هر دو انتهای آهنرباها، همان طرح چسب یک تست دوام 1000 ساعته را روی یک سروموتور 20000 دور در دقیقه بدون شل شدن کامل کرد، در حالی که قبلاً، زمانی که به طور مکرر روی چسب مغناطیسی تکیه می کرد، تکرار می شد.

نقش گلدان: یکپارچگی، اما نه یک دارو

گلدان اپوکسی اغلب برای تثبیت چندین آهنربا در یک واحد حلقوی استفاده می شود و خطر عدم تراز شدن یا افتادن آهنرباها را کاهش می دهد. گلدان در واقع می تواند میرایی ارتعاش را بهبود بخشد، توزیع بار را یکنواخت تر کند، و تا حدی رسانه های محیطی را ایزوله کند. اما محدودیت های مشخصی نیز دارد. انقباض، حفره های باقیمانده و هدایت حرارتی رزین گلدان سه محدودیت مهندسی اجتناب ناپذیر هستند: حفره ها نقاط ضعف موضعی در عایق الکتریکی و هدایت حرارتی ایجاد می کنند و تحت بار گریز از مرکز متناوب به محل شروع ترک تبدیل می شوند. اگر درمان گرمازا و انقباض به درستی کنترل نشود، تنش پسماند در داخل رزین باقی می ماند. در شکاف های کوچک، توزیع ناهموار رزین به طور مستقیم قدرت تثبیت را کاهش می دهد و در بدترین حالت باعث شل شدن آهنربا می شود. نقش مناسب گلدان به عنوان یک  محدودیت کمکی و یک روش یکپارچه سازی است : می تواند قوام و دوام سیستم را زمانی که آستین و گیره انتهایی مسیر بارگذاری اولیه را تشکیل داده اند بهبود بخشد، اما نباید به عنوان راه حلی تلقی شود که به طور مستقل بار گریز از مرکز را حمل می کند.

قابلیت اطمینان اغلب با جزئیات فرآیند تعیین می شود

هنگامی که طرح ساختاری مشخص شد، جزئیات لایه چسب و فرآیند مونتاژ تعیین می کند که آیا طرح نظری می تواند تحقق یابد یا خیر. یک قانون مهندسی که بارها تأیید شده است این است:  چسب را روی کل سطح پشت آهنربا نزنید . با ماشینکاری شیارهای سرریز چسب به اندازه 0.1 میلی متر در پشت آهنربا یا سطح هسته روتور، چسب اضافی هنگام اعمال فشار در امتداد شیارها خارج می شود و به هوا نیز اجازه خروج می دهد. سپس می‌توان ضخامت خط پیوند را در یک محدوده قابل کنترل کنترل کرد، نقص‌های خالی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و سطح پیوند مؤثر و قوام در واقع بهبود می‌یابد. انتخاب چسب نیز نباید تنها بر اساس مقاومت برشی در دمای اتاق باشد. یک چسب ساختاری اپوکسی اصلاح شده که مدول برشی کافی را در دمای 150 درجه سانتیگراد حفظ کند، حداقل نیاز برای کاربردهای روتور با سرعت بالا است.

فرآیندهای مونتاژ آستین نیز در حال تکامل هستند. آستین های فیبر کربن سنتی به تناسب تداخلی یا اتصالات سرد متکی هستند. اتصالات سرد از نیتروژن مایع برای خنک کردن مجموعه شفت یا آهنربا برای مونتاژ استفاده می کند و تأیید شده است که تأثیر منفی قابل توجهی بر عملکرد آهنربا یا استحکام باند ندارد. جهت جدیدتر،  روتورهای پلیمری تقویت‌شده با فیبر کربن با فشار مناسب است : یک فرآیند اختصاصی پرس فیت، پیش بارگذاری بالایی را در دمای اتاق بدون چسب و بدون ایجاد تنش حرارتی ایجاد می‌کند، و برای روتورهایی با قطرهای 30 تا 300 میلی‌متر مناسب است، و اعمال 'تداخل' و 'دما را جدا می‌کند. اهمیت چنین فرآیندهایی این است که آسیب های جانبی به خواص مواد را در طول مونتاژ کاهش می دهند و پیش بارگذاری آستین را قابل پیش بینی تر و تکرارپذیرتر می کنند.

نتیجه گیری

منطق اصلی حفظ آهنربا در روتورهای پرسرعت نصب شده روی سطح را می توان در یک جمله خلاصه کرد:  اجازه ندهید هیچ اتصال واحدی بر اساس 'چسبندگی' بار گریز از مرکز را تحمل کند که قرار است تحمل نکند . آستین یک پیش بار شعاعی محاسبه شده را فراهم می کند، ساختار انتهایی خروجی را برای مهاجرت محوری می بندد و گلدان و چسب موقعیت، میرایی و یکپارچگی را در مکان های مناسب خود انجام می دهند، در حالی که پنجره های تداخل، تطابق حرارتی، از دست دادن و فرآیند به طور مکرر در سطح سیستم تکرار می شوند. هیچ راه حلی برای حفظ یکبار برای روتورهای پرسرعت وجود ندارد - فقط قضاوت مهندسی است که دفاع لایه‌ای را در طول مسیر بار ایجاد می‌کند و به رفتار واقعی مواد در هر رابط احترام می‌گذارد.