Nopeiden moottorien roottoreiden rasitusvahvistus: 'laskettavissa' - 'Oikein laskettava'

I. Miksi suurten nopeuksien moottoreiden on suoritettava stressivahvistus?

a suurnopeusmoottori, jonka pyörimisnopeus on 30 000 r/min, keskipakokiihtyvyys roottorin ulkohalkaisijalla voi saavuttaa kymmeniä tuhansia kertoja painovoimakiihtyvyyteen verrattuna. Tällaisissa äärimmäisissä käyttöolosuhteissa kestomagneettien kohtaama vetojännitys lähestyy tai jopa ylittää vetorajansa - ja NdFeB-kestomagneettien vetolujuus on tyypillisesti vain noin kymmenesosa niiden puristuslujuudesta. Kun vetojännitys ylittää rajan, kestomagneetit voivat murtua ja suurella nopeudella pyörivät palaset riittävät tuhoamaan koko moottorin millisekunnissa.

Samaan aikaan suurinopeuksisten moottoreiden nimellisnopeus lähestyy usein roottorin kriittistä nopeutta ja resonanssiriski kasvaa jyrkästi. Stressitarkistuksessa ei ole kyse vain 'rikkoutuuko se' vaan myös siitä, voidaanko roottorin jäykkyyssuunnittelulla välttää vaaralliset resonanssialueet.

Tästä syystä nopeiden moottoreiden suunnitteluprosessissa ensimmäinen askel sähkömagneettisen suunnittelun valmistumisen jälkeen on suorittaa pyörimisjännitysanalyysi, jossa tarkistetaan kehän jännitys ja von Misesin jännitysjakauma roottorin jokaisessa osassa ja verrataan niitä vastaavien materiaalien lujuusindekseihin.

II. Mitä voimia roottori kantaa?

Nopeiden moottoriroottoreiden jännityslähteet jakautuvat pääasiassa kolmeen luokkaan, jotka toimivat usein päällekkäin muodostaen monimutkaisen jännityskentän.

Keskipakovoima on tärkein kuorma. Kun roottori pyörii suurella nopeudella, jokaiseen massapisteeseen kohdistuu säteittäisesti ulospäin suunnattu keskipakovoima, jonka suuruus on verrannollinen pyörimisnopeuden neliöön:

F = ρω⊃2;r⊃2;

missä ρ on materiaalin tiheys, ω on kulmanopeus ja r on säteittäinen etäisyys. Mitä kauempana materiaali on pyörivästä akselista, sitä suuremman keskipakokuorman se kestää. Tämä tarkoittaa, että holkin ulkoreunan kehäjännitys on yleensä suurin koko roottorissa.

Interferenssisovituksen synnyttämä esijännitys — 'kaksiteräinen miekka'. Pinta-asennettavien kestomagneettimoottorien kestomagneeteilla on alhainen vetolujuus, eivätkä ne kestä keskipakovoimaa yksinään. Siksi kestomagneettien ulkopuolelle on asennettava erittäin luja holkki, joka puristaa kestomagneetteja esipuristuksen avulla häiriösovitteen avulla keskipakovetovoiman kompensoimiseksi pyörimisen aikana. Häiriön määrä ei kuitenkaan ole niin suuri kuin mahdollista: liiallinen häiriö aiheuttaa liiallista puristusjännitystä kestomagneetteihin, ja vaikka kestomagneeteilla on suurempi puristuskyky kuin vetokyky, se ei ole rajoittamaton.

Lämpöjännitys — helposti huomiotta jäävä 'piilotettu tappaja'. Moottorin käytön aikana lämpötilan nousu aiheuttaa eri komponenttien lämpölaajenemista, ja eri materiaaleilla on erilaiset lineaarilaajenemiskertoimet, joten tuloksena oleva lämpöjännitys voi olla huomattava. Muhvin ja kestomagneetin välisellä liitospinnalla lämpötilan muutokset muuttavat myös kosketuspaineen suuruutta: lämpötilan noustessa kosketuspaine kasvaa ja myös holkin jännitys kasvaa vastaavasti. Matalissa lämpötiloissa lineaarilaajenemiskertoimien eroa voidaan hyödyntää jopa prosessikaavion toteuttamisessa 'matalan lämpötilan kokoonpano, huoneen lämpötilan häiriöt'.

III. Varmennusmenetelmät: Analyyttinen menetelmä ja äärellisten elementtien menetelmä

3.1 Analyyttinen menetelmä: Terävä työkalu nopeaan estimointiin

Analyyttisen menetelmän ydinajatus on yksinkertaistaa jokainen roottorikomponentti paksuseinämäiseksi sylinteri- (tai paksuseinämäiseksi rengas-) malliksi ja muodostaa yhtenäinen matemaattinen malli jännityskentästä kaksiulotteisissa napakoordinaateissa. Akselin, kestomagneetin ja holkin osalta säteittäinen ja tangentiaalinen jännitys-venymäsuhteet on lueteltu erikseen, ja yhtälöt ratkaistaan ​​samanaikaisesti siirtymän jatkuvuusehdon ja voimatasapainoehdon kautta rajapinnassa.

Esimerkkinä 250 kW, 25 kr/min nopea kestomagneettimoottori: kestomagneetin ulkosäde on 44 mm, paksuus 8 mm, hiilikuituholkin paksuus 2 mm ja häiriö holkin ja kestomagneetin välillä on 0,3 mm. 1,2-kertaisella nimellisnopeudella (30 kr/min) analyyttisellä menetelmällä laskettu roottorin säteittäinen siirtymä, säteittäinen jännitys ja tangentiaalinen jännitysjakauma ovat erittäin yhdenmukaisia ​​elementtianalyysin tulosten kanssa.

Analyyttisen menetelmän etuja ovat sen nopea laskentanopeus ja selkeä fyysinen merkitys, mikä tekee siitä erityisen sopivan parametrien skannaukseen ja optimointiiteraatioon suunnittelun alkuvaiheessa. Sen rajoitukset ovat kuitenkin myös ilmeisiä: monimutkaisten geometristen muotojen (kuten sisäroottoreiden magneettisen siltarakenteen) ja anisotrooppisten materiaalien epälineaarisen käyttäytymisen käsittely on vaikeaa.

3.2 Äärillisten elementtien menetelmä: mittari tarkan varmentamiseen

Elementtimenetelmä (FEM) pystyy käsittelemään mielivaltaisia ​​geometrisia muotoja, useita materiaaliyhdistelmiä ja monimutkaisia ​​reunaehtoja, ja se on 'kultastandardi' jännityksen todentamisessa.

Avain mallintamiseen on kosketuspintojen käsittelyssä. Muhvin ja kestomagneetin välistä häiriösovitusta simuloidaan yleensä elementtianalyysissä kosketinelementeillä, ja koskettimen jäykkyys, kitkakerroin ja häiriön määrä on asetettava oikein. Anisotrooppisille materiaaleille, kuten hiilikuidulle, on myös syötettävä kimmomoduuli ja Poissonin suhde kumpaankin suuntaan.

Varmennusehtojen valinta on yhtä tärkeää. Insinöörikäytännössä seuraavat yhdistelmät on yleensä tarkistettava:

• Hihan lujuus : von Misesin jännitys korkeassa lämpötilassa + 1,2 kertaa nimellisnopeus;

• Kestomagneettien vetolujuus : suurin pääjännitys alhaisessa lämpötilassa + 1,2 kertaa nimellisnopeus;

• Kosketuspaine : pienin kosketuspaine matalassa lämpötilassa + 1,2 kertaa nimellisnopeus, jotta varmistetaan, että holkki ei irtoa kestomagneetista.

Nämä kolme tarkastustyyppiä kattavat ankarimman käyttöolosuhteiden yhdistelmän, eikä yhtäkään niistä voi jättää väliin.

IV. Hihan muotoilu: Rotorin 'turvavyö'

Holkki on nopean kestomagneettimoottorin roottorin kriittisin suojakomponentti. Tällä hetkellä valtavirran holkkimateriaalit jakautuvat kahteen pääluokkaan:

Metalliholkeilla  (titaaniseos, Inconel-seos jne.) on hyvä sähkönjohtavuus ja ne aiheuttavat pyörrevirtahäviöitä vaihtomagneettikentässä, mikä vähentää moottorin tehokkuutta; niiden korkea lämmönjohtavuus on kuitenkin edullinen lämmön haihduttamiselle. Metalliholkit sopivat paremmin skenaarioihin, joissa on vaativat ilmavälivaatimukset ja rajalliset lämmönpoistoolosuhteet.

Hiilikuitukomposiittiholkit  ovat tällä hetkellä yleisin valinta nopeille moottoreille. Niiden vetolujuus voi olla yli 3500 MPa (ryhmän standardien edellyttämällä tavalla), niiden tiheys on vain noin neljäsosa titaaniseoksesta, eivätkä ne ole johtavia eivätkä aiheuta pyörrevirtahäviöitä. Kuitenkin hiilikuituholkkien anisotropia tuo lisää monimutkaisuutta jännitysanalyysiin, mikä edellyttää kolmiulotteisen elastisuusteorian käyttöä analyysissä.

Holkin suunnittelun ydinristiriita on paksuudessa: mitä paksumpi holkki, sitä voimakkaampi kestomagneetin rajoitus ja pienempi roottorin jännitys; mutta holkin paksuuden kasvu lisää vastaavaa ilmaväliä ja heikentää sähkömagneettista suorituskykyä. Siksi holkkien suunnittelu on pohjimmiltaan monitavoitteenen optimointiongelma – on välttämätöntä löytää optimaalinen tasapaino rakenteellisen lujuuden ja sähkömagneettisen suorituskyvyn välillä.

V. Miten turvallisuustekijä tulisi valita?

Turvallisuustekijän arvo määrittää suoraan sen, onko varmennuspäätelmä luotettava. Jos arvo on liian pieni, se on riskialtista; jos se on liian suuri, se johtaa liialliseen suunnittelun redundanssiin ja heikentyneeseen suorituskykyyn.

Insinöörikäytännössä nopean moottorin roottorin tarkastuksen turvallisuustekijä määritetään yleensä seuraavien periaatteiden mukaisesti:

• Holkin materiaali : myötörajan tai vetolujuuden perusteella turvatekijäksi otetaan 1,5–2,0. Esimerkiksi kun tietyn erittäin nopean kestomagneettimoottorin holkin maksimijännitys on 967 MPa, yli 2 turvatekijää pidetään hyväksyttävänä.

• Kestomagneetti : koska NdFeB on hauras materiaali ja sen vetolujuuden dispersio on suhteellisen suuri, turvatekijäksi otetaan yleensä 2,0–3,0. Joissakin suunnittelutapauksissa kestomagneetin varmuuskerroin voi nousta yli 6:een, mikä jättää runsaasti marginaalia.

• Akseli : akselin materiaalit ovat yleensä seosterästä, jolla on hyvä sitkeys ja korkea lujuus, ja jännitystaso on paljon alle sallitun arvon, joten noin 1,5 turvakerroin on riittävä.

• Kosketuspaine : sen varmistamiseksi, että holkki ja kestomagneetti eivät eroa suurimmalla nopeudella, vähimmäiskosketuspaineen on yleensä oltava vähintään useita megapascaleja. Tietyssä suunnittelutapauksessa minimikosketuspaineen on oltava vähintään 5,4 MPa nimellisnopeuden alarajalla ja vähintään 2,7 MPa ylärajalla.

VI. Vahvistamisesta validointiin

Stressiverifiointi on viime kädessä 'paperilaskentaa'. Insinöörikäytännössä varmennustulokset on myös validoitava kokein.

Yleisiä validointimenetelmiä ovat:

Rotaatiotestaus  on suorin validointimenetelmä. Roottori kiihdytetään ylinopeustilaan (yleensä 1,2 kertaa nimellisnopeus) sen havaitsemiseksi, tapahtuuko rakenteellinen vika. Joissakin tutkimuksissa on erityisesti suunniteltu prototyyppejä, joissa hiilikuituholkki rikkoutuu nopeudella 30 000 r/min, jotta voidaan tarkkailla roottorin käyttäytymisominaisuuksia todellisen vian aikana.

Venymämittaus  voi kerätä venymätietoja avainasennoista reaaliajassa pyörimisen aikana. Venymäantureiden ja telemetriajärjestelmien avulla venymä avainroottorin asennoissa voidaan mitata 18 000 r/min tai jopa suuremmilla nopeuksilla, ja korrelaatiovalidointi voidaan suorittaa elementtilaskentatuloksilla.

Staattinen vetokoe  on epäsuora mutta turvallinen validointimenetelmä. Suorittamalla staattisia vetokokeita roottorin sydämelle voidaan välttää nopean pyörimisen vaara ja epäsuorasti todentaa analyyttisen mallin ja elementtitulosten tarkkuus.

Johtopäätös

Suurinopeuksisen moottorin roottorin jännityksen todentaminen on systemaattinen suunnittelutehtävä, joka yhdistää elastisuuden, materiaalitieteen ja numeerisen laskennan. Keskipakovoiman, häiriövoiman ja lämpöjännityksen päällekkäisten vaikutusten ymmärtämisestä sopivien varmistusmenetelmien ja turvallisuustekijöiden valintaan, suunnittelun luotettavuuden validointiin kokeilujen avulla, jokainen vaihe liittyy siihen, pystyykö moottori toimimaan vakaasti äärimmäisissä olosuhteissa, joissa kierrosnopeus on kymmeniä tuhansia kierroksia minuutissa.

Kun uusien energiaajoneuvojen käyttömoottoreiden nopeus ylittää 20 000 r/min ja vauhtipyörän energiavarastomoottorien nopeus lähestyy 70 000 r/min, roottorin jännityksen todentamisen tarkkuus- ja tehokkuusvaatimukset kasvavat edelleen. Uudet tekniikat, kuten hiilikuitukomposiittiholkit, monikerroksiset holkkirakenteet ja monifysikaalisten kytkimien optimointi, laajentavat jatkuvasti nopeiden moottoreiden suorituskyvyn rajoja, ja jännitysten todentaminen on aina turvallisuuden ydin kaikille näille innovaatioille.