I. 'Selviytymistesti' nopean kierron alla
Magneettisia levitaatiomoottoreita, joiden edut ovat kosketukseton toiminta, korkea hyötysuhde ja erittäin suuret pyörimisnopeudet, käytetään yhä enemmän huippuluokan laitteissa, kuten teollisuuspuhaltimissa, kompressoreissa ja energiaa varastoivissa vauhtipyörissä. Kuitenkin, kun pyörimisnopeus saavuttaa kymmeniä tuhansia kierroksia minuutissa tai jopa enemmän, roottorin kestomagneeteille tehdään ankara 'eloonjäämistesti'.
Missä ongelma piilee?
Magneettisissa levitaatiomoottoreissa käytetään yleisesti sintrattua NdFeB:tä kestomagneettimateriaalina. Vaikka NdFeB tarjoaa erinomaiset magneettiset ominaisuudet – mukaan lukien erittäin korkea magneettinen energiatuote ja koersitiivisuus – sillä on kriittinen heikkous: sen puristuslujuus on paljon suurempi kuin sen vetolujuus . Jauhemetallurgialla valmistetun sintratun NdFeB:n vetolujuus on tyypillisesti enintään 80 MPa. Suurilla nopeuksilla keskipakovoima synnyttää kestomagneetin sisällä merkittävää vetojännitystä – 18 000 rpm:n käyttöolosuhteissa NdFeB:n keskipakojännitys voi ylittää 160 MPa, mikä on lähes kaksinkertainen sen omaan lujuusrajaan..
Tämä on kuin hauraasta materiaalista valmistettu köysi: se kestää puristuksen ongelmitta, mutta katkeaa helposti jännityksen vaikutuksesta. Kun moottori pyörii suurella nopeudella, kestomagneetit altistuvat vetovoimille, kun ne 'heitetään ulospäin'. Kun raja ylittyy, magneettiteräs halkeilee, särkyy tai jopa aiheuttaa roottorin räjähtämisen.
II. Hiilikuituholkki: 'Tight Armor' magneettiteräkselle
Kuinka voimme suojata herkät kestomagneetit halkeilulta keskipakovoiman vaikutuksesta? Tehokkain saatavilla oleva ratkaisu nykyään on lisätä hiilikuituholkki kestomagneettien päälle.
Hiilikuidun vetolujuus on yli 5000 MPa, mikä ylittää huomattavasti NdFeB:n lujuusrajan. Vielä tärkeämpää on, että verrattuna perinteisiin metalliholkkiin, kuten titaaniseokseen, hiilikuituholkilla on kolme suurta etua:
Kevyt ja korkea lujuus – Hiilikuidun ominaislujuus (lujuus/tiheyssuhde) on paljon korkeampi kuin metallien, joten ohuemmalla ja kevyemmällä materiaalilla voi olla riittävä suojalujuus.
Ei pyörrevirtahäviötä – Hiilikuitu on huono johdin, joten se ei tuota suurtaajuisia pyörrevirtahäviöitä kuten metalliholkit, mikä välttää ylimääräiset tehohäviöt ja kuumenemisongelmat.
Alhainen lämpölaajeneminen – Hiilikuidulla on alhainen lämpölaajenemiskerroin, mikä varmistaa hyvän mittavakauden korkeissa lämpötiloissa.
III. Halkeilun eston ydinsalaisuus: Prestress
Tarkoittaako hiilikuituholkin lisääminen, että kaikki on ratkaistu? Ei aivan.
Keskeinen asia on, että sekä holkki että kestomagneetit laajenevat säteittäisesti keskipakovoiman vuoksi suuren pyörimisen aikana. Jos holkki yksinkertaisesti 'asetaan' magneettien päälle, syntyy rako niiden väliin – koska holkin säteittäinen muodonmuutos on usein suurempi kuin magneeteilla. Kun rako muodostuu, holkki menettää rajoituksensa magneetteihin ja magneettiteräs halkeilee silti.
Ratkaisu on soveltaa jatkuvaa 'esijännitystä' kestomagneetteihin.
Luomalla häiriösovituksen holkin ja magneettien välille (eli holkin sisähalkaisija on hieman pienempi kuin magneettien ulkohalkaisija), holkki toimii kuin 'tiukka puku', joka kietoutuu tiukasti magneettien ympärille ja kohdistaa sisäänpäin säteittäisen puristusjännityksen. Kun roottori pyörii suurella nopeudella, tämä esijännitys torjuu tehokkaasti keskipakovoiman aiheuttamaa vetojännitystä.
Tutkimukset osoittavat, että kun häiriö saavuttaa yli 0,10 mm, kestomagneettien maksimi keskipakojännitys voidaan vähentää yli 160 MPa:sta alle 70 MPa:iin, selvästi alle niiden vahvuusrajan. Äärimmäisissä olosuhteissa (esim. 200 °C korkea lämpötila plus ylinopeus), vaikka hiilikuituholkin vannejännitys voi nousta yli 1000 MPa:n, on silti riittävä turvamarginaali hiilikuitumateriaalin lujuusrajaan 1400 MPa nähden.
IV. Kuinka saavuttaa esistressi? Kaksi prosessireittiä
Tällä hetkellä on olemassa kaksi yleistä menetelmää esijännityksen saavuttamiseksi hiilikuituholkissa:
Reitti 1: Häiriökokoonpano
Hiilikuituholkki valmistetaan erikseen ja kootaan sitten roottoriin lämpö- tai kylmäliitoksella. Esimerkiksi roottorin jäähdyttäminen -190 °C:seen mahdollistaa holkin liukumisen hyvin pienellä aksiaalivoimalla; vaihtoehtoisesti voidaan käyttää aksiaalista puristussovitusmenetelmää, jonka puristusvoima on jopa 25 kN.
Tällä menetelmällä on kuitenkin haittoja: hiilikuitu on hauras ja sen sitkeys on huono, mikä tekee siitä alttiita vaurioille ja halkeamille häiriökokoonpanon aikana. Lisäksi kokoonpanoprosessi on monimutkainen ja häiriönhallinta vaikeaa.
Reitti 2: Korkeajännitekäämitys (parempi ratkaisu)
Hiilikuitu kierretään suoraan roottorin pinnalle, ja käämityksen aikana kuituihin kohdistuu suuri jännitys , jolloin jokainen kuitukerros kietoutuu tiukasti kestomagneettipinnan ympärille.
Tämän menetelmän hienovaraisuus on, että itse käämitysprosessi on esijännitysprosessi . Säätämällä kuidun kireyttä saadaan haluttu esijännityskenttä holkkiin, joka korvaa perinteisen mekaanisen häiriömenetelmän.
V. SDM:n hiilikuitukäämitysprosessi
Magneettisen levitaationopeuden nopeiden moottoriroottoreiden alalla Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. on hallinnut kypsän hiilikuitukäämitysprosessin . Sen tekniset ominaisuudet näkyvät pääasiassa seuraavista näkökohdista:
Korkean jännityksen kehäkäämitystekniikka. SDM käyttää prosessireittiä, jossa hiilikuitu kääritään suoraan kehän suuntaisesti roottorin pinnalle. Säätämällä tarkasti hiilikuituihin kohdistuvaa jännitystä kelauksen aikana, kuitukerrokset mukautuvat tiukasti kestomagneettien ulkopintaan. Tämä prosessi tarjoaa samanaikaisesti vaaditun esikiristysvoiman magneeteille samalla kun valmistetaan holkkia, jolloin vältetään perinteiseen interferenssikokoonpanoon liittyvät halkeamisriskit ja kokoonpanovaikeudet.
Tarkka jännitysaikataulun hallinta. SDM:n prosessissa käytetään joustavasti erilaisia jännityksensäätötapoja eri käyttövaatimusten mukaan. Vastatakseen erilaisiin jännityksen jakautumistarpeisiin – kuten 'löyhempi sisältä, tiukempi ulkoa' tai 'tiukempi sisältä, löysempi ulkoa' - he voivat valita jatkuvan jännityksen, vakiomomentin tai kartiomaisen jännityksen käämitystilan. Säätämällä käämitysjännitystä kerros kerrokselta saadaan kuitukerrosten jäännösjännitys jakautumaan tasaisesti ihanteelliseen tilaan.
Esikiristysvoiman määrällinen tarkastus. SDM on luonut täydellisen teknisen suljetun silmukan teoreettisesta laskennasta elementtisimulaatioon ja lopulta kokeelliseen verifiointiin. Kestomagneettien korkeajännitekierretyn hiilikuituholkin synnyttämän esikiristysvoiman keskimääräinen virhe kokeellisten testitulosten ja analyyttisten laskelmien välillä on 8,56 % ja keskimääräinen virhe suhteessa elementtisimulaatioon on 7,88 % – tämä tarkkuus takaa täysin esijännityksen luotettavuuden.
Integroitu koko prosessiominaisuus. SDM:llä on täydelliset tekniset valmiudet hiilikuitumateriaalien valinnasta, rakennesuunnittelusta ja sähkömagneettisesta suunnittelusta valukokoonpanoprosesseihin, laitteiden valmistukseen sekä tarkastukseen ja testaukseen. Yrityksen pääkonttori sijaitsee Hangzhoussa, ja sillä on teollisuusalan integroitu layout, jonka avulla se voi tarjota asiakkaille koko ketjun ratkaisun magneeteista roottorikokoonpanoihin.
Juuri tällä hienostuneella hiilikuitukäämitysprosessilla SDM:n magneettisen levitaationopeuden moottoriroottorit voivat tehokkaasti estää magneettiteräksen halkeilua nopeissa keskipakoolosuhteissa, mikä varmistaa roottorin turvallisen, vakaan ja luotettavan toiminnan vaativissa olosuhteissa, joissa kierrosnopeus on kymmeniä tuhansia kierroksia minuutissa.
