Ang Tatlong Pangunahing Hamon ng Magnetic levitation motor rotors At Kanilang Mga Solusyon

Ang mga magnetic bearing motor, na may mga pakinabang ng contactless operation, walang wear, at mataas na kahusayan, ay mabilis na pinapalitan ang mga tradisyonal na motor sa mga larangan tulad ng high-speed compressor, blower, at flywheel energy storage. Gayunpaman, kapag ang bilis ng pag-ikot ay umabot sa sampu-sampung libo o kahit na higit sa isang daang libong rebolusyon kada minuto, ang pagiging maaasahan ng rotor ang nagiging mapagpasyang salik para sa tagumpay ng produkto – ang vibration at abnormal na ingay, magnet detachment, at high-speed failure ay tatlong patuloy na problema na matagal nang gumugulo sa mga inhinyero sa industriya. Nagsisimula ang artikulong ito sa mga ugat, sinusuri ang mga pisikal na mekanismo sa likod ng mga isyung ito, at ipinakilala ang pinakaepektibong kasalukuyang solusyon – ang carbon fiber winding technology.

1. Panginginig ng boses at Abnormal na Ingay: Ang Invisible na 'Low-Frequency Killer'

1.1 Kababalaghan at Panganib

Sa panahon ng operasyon, ang mga magnetic bearing motor kung minsan ay nagpapakita ng abnormal na panginginig ng boses at ingay na hindi nakasalalay sa bilis ng pag-ikot. Hindi tulad ng hindi balanseng vibration na karaniwan sa ordinaryong umiikot na makinarya, ang vibration na ito ay hindi apektado ng antas ng bilis; nagpapatuloy ito kahit na sa isang matatag na bilis. Ang matagal na pagkakalantad sa naturang panginginig ng boses ay hindi lamang nagpapabilis sa pagkasira ng pagkapagod sa mga bearings at mga bahagi ng istruktura ngunit gumagawa din ng nakakainis na ingay, na seryosong nakakaapekto sa pagiging maaasahan ng kagamitan at karanasan ng gumagamit.

1.2 Pagsusuri sa Root Cause

Ipinapakita ng mga pag-aaral na ang low-frequency vibration ng Ang magnetic levitation motor rotor ay tinutukoy ng natural na frequency ng closed-loop control system at nasasabik ng panlabas na ingay. Sa madaling salita, ito ay hindi isang purong mekanikal na isyu ngunit isang kababalaghan ng pagkabit sa pagitan ng control system at ng mekanikal na istraktura.

Sa partikular, ang mga sumusunod na salik ay maaaring magdulot ng mababang dalas ng panginginig ng boses:

• Rotor unbalance : center-of-mass offset na dulot ng mga error sa machining at assembly;

• Bearing clearance : mismatch sa pagitan ng mga control parameter ng magnetic bearings at mga dynamic na katangian ng rotor;

• Mga intermediate na link sa control system : mga pagkaantala at nonlinearity sa pagkuha, pagproseso, at output ng signal.

1.3 Mga Solusyon

Para sa low-frequency na vibration, kasama sa mga pangunahing teknikal na diskarte ang:

(1) Dynamic na pagwawasto ng pagbabalanse : gumamit ng high-precision na kagamitan sa pagbabalanse upang itama ang rotor, pagdaragdag o pag-alis ng mga counterweight upang dalhin ang kawalan ng balanse sa loob ng pinapayagang hanay.

(2) Kontrolin ang pag-optimize ng algorithm : ang mga mananaliksik ay nagmungkahi ng mga diskarte sa kompensasyon ng vibration batay sa pinalawig na mga tagamasid ng estado. Ipinapakita ng mga eksperimental na resulta na sa ilalim ng parehong white noise excitation, ang maximum rotor vibration kasama ang compensator ay nababawasan ng humigit-kumulang 21% kumpara sa PID control lamang; sa 30,000 rpm, ang maximum na rotor vibration ay nababawasan ng 26.6%.

(3) Structural optimization : i-optimize ang disenyo ng rotor structure upang mapabuti ang higpit at damping na katangian ng rotor system.

2. Magnet Detachment: Ang 'Centrifugal Pain' sa Mataas na Bilis

2.1 Kababalaghan at Panganib

Ang magnet detachment ay isa sa mga pinaka-seryosong pagkabigo sa mga permanenteng magnet na motor. Sa bilis na sampu-sampung libong rpm, ang puwersa ng sentripugal sa mga magnet ay maaaring umabot ng libu-libong beses ng kanilang sariling timbang. Kapag ang isang magnet ay humiwalay sa ibabaw ng rotor, sa pinakamainam na ang pagganap ng motor ay bumaba nang husto; sa pinakamasama, maaari itong magdulot ng rotor jamming, stator bore scoring, at iba pang sakuna na kahihinatnan.

2.2 Pagsusuri sa Root Cause

Maaaring maiugnay ang magnet detachment at edge lifting sa limang pangunahing salik:

(1) Hindi sapat na lakas : ang lakas ng paggugupit ng malagkit ay mas mababa kaysa sa sentripugal o puwersa ng epekto sa magnet, kaya hindi mahawakan ang bono.

(2) Mataas at mababang temperatura na pagkabigo : ang pandikit ay nagiging malutong sa mababang temperatura o nabigo sa mataas na temperatura, na lubhang nakakabawas sa pagganap ng pagbubuklod. Ang mga ordinaryong pandikit ay karaniwang may operating temperature sa paligid ng 120°C, habang ang panloob na pagtaas ng temperatura ng motor ay kadalasang lumalampas sa saklaw na ito.

(3) Hindi tugma sa mga koepisyent ng pagpapalawak ng thermal : ang mga pagkakaiba ng thermal expansion sa pagitan ng magnet (hal., NdFeB) at ang materyal na rotor (hal., aluminyo na haluang metal) ay malaki, at ang mga pagbabago sa temperatura ay nagbubunsod ng panloob na stress na pumuputol sa malagkit na layer.

(4) High-frequency vibration : ang pang-matagalang high-frequency vibration ay patuloy na binibigyang-diin ang malagkit na layer, na nagpapabilis ng pagkapagod.

(5) Kaagnasan sa kapaligiran : kahalumigmigan, init, spray ng asin, atbp., Inaatake ang malagkit na layer at pahinain ang bono.

Bilang karagdagan, ang hindi wastong disenyo ng segmentasyon ng mga magnet ay maaaring magpalala sa problema. Kapag ang isang solong segment ng magnet ay masyadong malaki ang lugar na nakikipag-ugnayan sa rotor, ang pagbabalot ng carbon fiber sa labas ay madaling pumutok sa magnet; kahit na hindi ito pumutok sa panahon ng paikot-ikot, maaari itong pumutok pagkatapos ng ilang operasyon.

2.3 Mga Solusyon

(1) I-optimize ang proseso ng adhesive bonding : pumili ng mga structural adhesive na may mahusay na pagganap, tiyaking malinis ang mga ibabaw ng bonding, at mahigpit na kontrolin ang mga kondisyon ng paggamot.

(2) Magnet segmentation design : hatiin ang mga magnet sa pahalang na direksyon sa mas maliliit na segment upang mabawasan ang lugar ng bawat piraso at mabawasan ang panganib ng pag-crack.

(3) Physical constraint reinforcement  – ​​ito ang pinakapangunahing solusyon: magdagdag ng high-strength sleeve sa labas ng magnets upang magbigay ng pisikal na pagpigil laban sa centrifugal force. Ang carbon fiber winding ay kasalukuyang kinikilala bilang ang pinakamahusay na paraan ng reinforcement.

3. High-Speed ​​Failure: Kapag ang Rotor 'Hindi Makakapit'

3.1 Kababalaghan at Panganib

Kapag ang bilis ng motor ay lumalapit o lumampas sa structural limit ng rotor, ang rotor ay nahaharap sa sakuna na pagkabigo. Kasama sa mga karaniwang pagpapakita ang rotor deformation, permanent magnet fragmentation, sleeve rupture, at rotor drop. Kapag nagkaroon ng high speed failure, hindi lamang ang kagamitan ay na-scrap, ngunit maaari rin itong magdulot ng malubhang aksidente sa kaligtasan.

3.2 Pagsusuri sa Root Cause

Ang pangunahing sanhi ng pagkabigo ng high-speed ay ang  kontradiksyon sa pagitan ng puwersa ng sentripugal at lakas ng materyal.

Kunin ang mga permanenteng magnet ng NdFeB bilang isang halimbawa. Bagama't mayroon silang napakataas na produkto ng magnetic na enerhiya at coercivity, na ginagawa silang pinakamahusay na gumaganap na permanenteng materyal na magneto ngayon, mababa ang kanilang tensile strength (<80 MPa), at sila ay sensitibo sa temperatura na may mahinang thermal stability. Sa bilis na sampu-sampung libong rpm, ang sentripugal na diin sa mga permanenteng magnet ay lumampas sa kanilang sariling limitasyon ng lakas, kaya ang panlabas na manggas ay mahalaga para sa proteksyon.

Ang tradisyonal na solusyon ay ang paggamit ng mga non-magnetic na manggas ng metal (tulad ng Inconel 718 o titanium alloy). Gayunpaman, ang mga manggas ng metal ay may nakamamatay na disbentaha:  eddy current losses . Kung mas mataas ang conductivity ng manggas, mas malaki ang nabuong eddy currents, at mas seryoso ang eddy current loss, na nagiging sanhi ng pagtaas ng temperatura ng rotor, na lalong nagpapalubha sa panganib ng demagnetization ng mga permanenteng magnet.

3.3 Mga Solusyon

Ang mga carbon fiber composite sleeve  ay kasalukuyang kinikilala bilang ang pinakamahusay na solusyon.

Ang mga bentahe ng mga manggas ng carbon fiber ay:

• Mababang kondaktibiti : halos walang pagkawala ng eddy current ang mga ito, na nagreresulta sa pinakamababang pagtaas ng temperatura ng rotor;

• Mataas na lakas : ang tiyak na lakas ng carbon fiber ay mas mataas kaysa sa mga metal, na nagbibigay ng mas malakas na pagpigil na may mas magaan na timbang;

• Mataas na modulus : sa pamamagitan ng pag-optimize ng mga materyales ng resin at mga proseso ng paikot-ikot, ang elastic modulus ay maaaring tumaas mula sa tradisyonal na 130-160 GPa hanggang sa higit sa 200 GPa.

4. Ang Ultimate Solution: Carbon Fiber Winding Technology

Upang sabay na malutas ang tatlong pangunahing problema ng ingay ng vibration, magnet detachment, at high-speed failure, ang carbon fiber winding ay isang kailangang-kailangan na core technology. Ang prinsipyo nito ay ang pagpapaikot ng high-strength na carbon fiber composite na materyal sa paligid ng mga permanenteng magnet, na bumubuo ng mahigpit na 'armor' sa rotor na nagbibigay ng tuluy-tuloy na radial constraint laban sa centrifugal force na nabuo ng high-speed rotation.

4.1 Dalawang Pangunahing Proseso

Sa kasalukuyan, mayroong dalawang pangunahing diskarte para sa paggawa ng mga rotor ng carbon fiber:

Paraan ng press-fitting : gawin muna ang carbon fiber sleeve, pagkatapos ay pindutin ito sa rotor o gumamit ng shrink-fitting. Sa shrink-fitting, ang rotor ay pinalamig sa -190°C, at ang manggas ay maaaring i-install na may napakakaunting axial force. Ang paraan ng press-fitting ay medyo mature, ngunit nangangailangan ito ng lubos na tumpak na kontrol ng interference fit – masyadong maraming interference ay maaaring pumutok sa mga magnet, habang ang masyadong maliit ay nagbibigay ng hindi sapat na pagpigil.

Direktang paraan ng paikot-ikot : windang ang carbon fiber nang direkta sa ibabaw ng permanenteng magnet, pagkatapos ay gamutin ito. Ang pamamaraang ito ay nangangailangan ng lubos na mahigpit na kontrol sa winding tension, curing temperature, interlayer bonding, at iba pang mga parameter ng proseso, ngunit makakamit nito ang higit na pare-parehong prestress at mas mataas na paggamit ng materyal.

4.2 Pangunahing Mga Kahirapan sa Teknikal

(1) Pre-stress control : isang naaangkop na paunang tensyon ay dapat ilapat sa panahon ng paikot-ikot upang ang carbon fiber ay magsagawa ng tuluy-tuloy na pre-compression sa mga magnet pagkatapos ng paggamot. Ang sobrang pag-igting ay maaaring pumutok sa mga magnet, habang ang hindi sapat na pag-igting ay hindi makapagbibigay ng sapat na pagpigil.

(2) Thermal matching : ang thermal expansion coefficients ng carbon fiber composite, ang mga permanenteng magnet, at ang shaft material ay kailangang tiyak na itugma upang maiwasan ang labis na panloob na stress dahil sa mga pagbabago sa temperatura.

(3) Pagsusuri ng stress: ang software sa pagtatasa ng may hangganan na elemento (hal., MSC Patran/Nastran) ay dapat gamitin upang tumpak na pag-aralan ang stress at deformation ng istruktura ng rotor, na tinutukoy ang pinakamainam na kapal ng paikot-ikot na layer, anggulo, at mga parameter ng proseso.

Ipinakita ng mga pag-aaral na ang isang magnetic levitation motor rotor na may carbon fiber reinforcement ring ay maaaring matugunan ang mga kinakailangan sa lakas at pagpapapangit sa mataas na bilis na 72,000 rpm.

5. Proseso ng Carbon Fiber Winding ng SDM

Sa larangan ng carbon fiber winding para sa magnetic bearing / high-speed motor rotors,  ang SDM  ay isa sa ilang mga domestic na kumpanya na nakakabisado sa pangunahing teknolohiya.

Sa larangan ng magnetic bearing / high speed motor rotors, ang carbon fiber winding process ng SDM ay nagtatampok ng mga sumusunod na natatanging katangian:

(1) Full-chain manufacturing capability : ang kumpanya ay nagtataglay ng one-stop full-chain na kakayahan sa pagmamanupaktura mula sa mga magnetic na materyales (soft magnetic + hard magnetic) hanggang sa mga bahagi ng stator/rotor ng motor, at pagkatapos ay sa mga solver sensor micromotor system. Nangangahulugan ito na mula sa pagpili ng magnet at disenyo ng rotor hanggang sa paikot-ikot na carbon fiber at panghuling pagsubok, lahat ay ginagawa sa loob ng bahay, na tinitiyak ang napakataas na kontrol sa kalidad.

(2) Fourth-generation rare-earth permanent magnet R&D : ang kumpanya ay patuloy na namumuhunan sa pagbuo ng pang-apat na henerasyon na rare-earth permanent magnet na materyales, na nagbibigay ng mas mahusay na mga substrate ng magnet para sa carbon fiber winding. Ang kalidad ng mga magnet mismo - kabilang ang tensile strength, thermal stability, at dimensional accuracy - direktang tumutukoy sa panghuling pagganap ng carbon fiber winding.

(3) Precision machining capability : ang kumpanya ay gumagamit ng precision machining process tulad ng CNC cylindrical grinding upang matiyak ang dimensional accuracy ng rotors at sleeves. Carbon fiber winding ay nangangailangan ng napakataas na roundness at coaxiality ng rotor substrate; anumang bahagyang error sa machining ay lalakas sa mataas na bilis.

(4) Na-optimize na disenyo ng pag-segment ng magnet : Idinisenyo ng SDM ang mga magnet segment na may buong pagsasaalang-alang sa mga katangian ng carbon fiber winding, makatwirang pagse-segment ang mga magnet upang matiyak ang sapat na magnetic performance habang iniiwasan ang panganib sa pag-crack na dulot ng napakalaking indibidwal na mga lugar ng magnet - direktang tinutugunan ng diskarteng ito ng disenyo ang mga sakit na punto ng proseso ng paikot-ikot.

(5) Synergistic optimization ng winding process at materials : sa pamamagitan ng tuluy-tuloy na pagsasaliksik sa resin materials at optimization ng winding process, ang kumpanya ay patuloy na nadagdagan ang elastic modulus ng carbon fiber composite, pinaliit ang eddy current losses habang tinitiyak ang lakas, kaya sa panimula nalutas ang problema ng labis na pagtaas ng temperatura na nauugnay sa mga manggas ng metal.

Konklusyon

Ang ingay ng vibration, magnet detachment, at high-speed failure ng magnetic levitation motor rotor ay mahalagang pagpapakita ng kontradiksyon sa pagitan ng centrifugal force at mga materyales, istraktura, at mga control system sa mataas na bilis ng pag-ikot. Ang carbon fiber winding technology, sa pamamagitan ng pagbibigay ng malakas, mababang pagkawala ng pisikal na pagpigil, ay naging pinakamainam na solusyon sa tatlong pangunahing hamon na ito.

Ang SDM, kasama ang 16 na taong karanasan nito sa industriya ng magnetic materials, full-chain manufacturing capability, fourth-generation rare-earth magnet R&D strength, at refined carbon fiber winding process, ay nagbibigay ng lalong maaasahang mga rotor solution para sa magnetic bearing / high-speed na motor. Sa hinaharap, sa patuloy na pag-unlad sa mga materyales ng carbon fiber at paikot-ikot na mga teknolohiya, ang mga limitasyon ng bilis at pagiging maaasahan ng mga magnetic bearing motor ay itutulak pa.