א. 'מבחן ההישרדות' תחת סיבוב מהיר
מנועי ריחוף מגנטיים, עם יתרונותיהם של פעולה ללא מגע, יעילות גבוהה ומהירויות סיבוב גבוהות במיוחד, מאומצים יותר ויותר בציוד מתקדם כגון מפוחים תעשייתיים, מדחסים וגלגלי תנופה לאחסון אנרגיה. עם זאת, כאשר מהירות הסיבוב מגיעה לעשרות אלפי סיבובים לדקה או אפילו יותר, המגנטים הקבועים על הרוטור נתונים ל'מבחן הישרדות' חמור.
היכן טמונה הבעיה?
מנועי ריחוף מגנטיים משתמשים בדרך כלל ב-NdFeB מחוטא כחומר המגנט הקבוע. למרות ש-NdFeB מציע תכונות מגנטיות מצוינות - כולל תוצר אנרגיה מגנטית גבוהה מאוד וכפייה - יש לו חולשה קריטית: חוזק הלחיצה שלו גדול בהרבה מחוזק המתיחה שלו . Sintered NdFeB, המיוצר באמצעות מטלורגיית אבקה, יש בדרך כלל חוזק מתיחה של לא יותר מ-80 MPa. במהירויות גבוהות, הכוח הצנטריפוגלי יוצר מתח מתיחה משמעותי בתוך המגנט הקבוע - בתנאי פעולה של 18,000 סל'ד, הלחץ הצנטריפוגלי ב-NdFeB יכול לעלות על 160 MPa, כמעט כפול מגבלת החוזק שלו..
זה כמו חבל עשוי מחומר שביר: הוא עומד בדחיסה ללא בעיה, אבל נשבר בקלות תחת מתח. כאשר המנוע מסתובב במהירות גבוהה, המגנטים הקבועים נתונים לכוחות מתיחה כאשר הם 'מושלכים החוצה.' ברגע שחורג מהמגבלה, פלדת המגנט תיסדק, תתנפץ או אפילו תגרום לרוטור להתפוצץ.
II. שרוול סיבי פחמן: 'שריון הדוק' לפלדת המגנט
כיצד נוכל להגן על המגנטים הקבועים השבירים מפני פיצוח בכוח צנטריפוגלי? הפתרון היעיל ביותר הקיים כיום הוא הוספת שרוול סיבי פחמן מעל המגנטים הקבועים.
לסיבי פחמן חוזק מתיחה של מעל 5000 MPa, החורג בהרבה ממגבלת החוזק של NdFeB. חשוב מכך, בהשוואה לשרוולי מתכת מסורתיים כגון סגסוגת טיטניום, שרוול סיבי הפחמן מציע שלושה יתרונות עיקריים:
קל משקל וחוזק גבוה - החוזק הספציפי (יחס חוזק לצפיפות) של סיבי פחמן גבוה בהרבה מזה של מתכות, כך שחומר דק וקל יותר יכול לספק חוזק הגנה מספיק.
ללא אובדן זרם מערבולת - סיבי פחמן הם מוליך גרוע, כך שהוא אינו מייצר הפסדי זרם מערבולת בתדר גבוה כמו שרוולי מתכת, ובכך נמנע איבוד מתח נוסף ובעיות חימום.
התפשטות תרמית נמוכה - לסיבי פחמן מקדם התפשטות תרמית נמוך, המבטיח יציבות מימדית טובה בתנאי הפעלה בטמפרטורה גבוהה.
III. סוד הליבה למניעת סדקים: טרום לחץ
האם הוספת שרוול סיבי פחמן אומר שהכל נפתר? לֹא בְּדִיוּק.
נקודת המפתח היא שגם השרוול וגם המגנטים הקבועים עוברים התפשטות רדיאלית עקב כוח צנטריפוגלי במהלך סיבוב במהירות גבוהה. אם השרוול פשוט 'מותקן' מעל המגנטים, יופיע פער ביניהם - מכיוון שהעיוות הרדיאלי של השרוול גדול יותר מזה של המגנטים. ברגע שנוצר פער, השרוול מאבד את המגבלה שלו על המגנטים, ופלדת המגנט עדיין תיסדק.
הפתרון הוא להפעיל 'קדם לחץ' מתמשך על המגנטים הקבועים.
על ידי יצירת התאמת הפרעה בין השרוול למגנטים (כלומר, הקוטר הפנימי של השרוול קטן מעט מקוטר החיצוני של המגנטים), השרוול פועל כמו 'חליפה צמודה' העוטפת בחוזקה את המגנטים, מפעילה לחץ לחיצה רדיאלי פנימה. כאשר הרוטור מסתובב במהירות גבוהה, לחץ קדם זה נוגד ביעילות את מתח המתיחה הנגרם על ידי כוח צנטריפוגלי.
מחקרים מראים שכאשר ההפרעה מגיעה ליותר מ-0.10 מ'מ, ניתן להפחית את המתח הצנטריפוגלי המרבי במגנטים הקבועים ממעל 160 מגפ'ס מתחת ל-70 מג'פ, הרבה מתחת לגבול החוזק שלהם. בתנאים קיצוניים (למשל, טמפרטורה גבוהה של 200 מעלות צלזיוס בתוספת סיבוב מהירות יתר), למרות שמתח החישוק בשרוול סיבי הפחמן עשוי לעלות למעל 1000 MPa, עדיין יש מרווח בטיחות מספיק ביחס למגבלת החוזק של חומר סיבי הפחמן של 1400 MPa.
IV. איך להשיג טרום לחץ? שני מסלולי תהליך
נכון לעכשיו, ישנן שתי שיטות מיינסטרים להשגת לחץ קדם בשרוול סיבי פחמן:
כביש 1: מכלול הפרעות
שרוול סיבי הפחמן מיוצר בנפרד ולאחר מכן מורכב על הרוטור על ידי התאמה תרמית או קרה. לדוגמה, קירור הרוטור ל-190 מעלות צלזיוס מאפשר החלקה על השרוול בכוח צירי קטן מאוד; לחלופין, ניתן להשתמש בשיטת התאמת לחיצה צירית עם כוח לחיצה של עד 25 קילוואן.
עם זאת, לשיטה זו יש חסרונות: סיבי פחמן הם שבירים ובעלי קשיחות ירודה, מה שהופך אותם לנטייה לנזק ולסדקים במהלך הרכבת הפרעות. יתרה מכך, תהליך ההרכבה מורכב ובקרת הפרעות קשה.
כביש 2: סלילה במתח גבוה (הפתרון הטוב יותר)
סיבי פחמן מלופפים ישירות על משטח הרוטור, ובמהלך תהליך הסלילה מופעל מתח גבוה על גררי הסיבים, מה שגורם לכל שכבת סיבים לעטוף בחוזקה את משטח המגנט הקבוע.
העדינות של שיטה זו היא שתהליך הסלילה עצמו הוא תהליך היישום לפני הלחץ . על ידי שליטה במתח הסיבים, ניתן לכפות על השרוול את שדה הלחץ הרצוי, המחליף את שיטת ההפרעות המכאניות המסורתיות.
V. תהליך סיפוף סיבי פחמן של SDM
בתחום של ריחוף מגנטי רוטורים של מנועים מהירים, Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd שלטה בתהליך סלילה בוגר של סיבי פחמן . התכונות הטכניות שלו באות לידי ביטוי בעיקר בהיבטים הבאים:
טכנולוגיית סלילה היקפית במתח גבוה. SDM מאמצת את מסלול התהליך של סלילה ישירה של סיבי פחמן בהיקפית על פני הרוטור. על ידי שליטה מדויקת במתח המופעל על גררי סיבי הפחמן במהלך הסלילה, שכבות הסיבים מותאמות היטב למשטח החיצוני של המגנטים הקבועים. תהליך זה מספק בו זמנית את כוח ההידוק מראש הנדרש למגנטים תוך ייצור השרוול, תוך הימנעות מסיכוני הסדקים וקשיי ההרכבה הקשורים להרכבת הפרעות מסורתית.
בקרת לוח זמנים מדוייקת של מתח. התהליך של SDM משתמש בגמישות במצבי בקרת מתח שונים בהתאם לדרישות ההפעלה השונות. כדי לענות על צרכים שונים של חלוקת מתחים - כגון 'רופף יותר בפנים, הדוק בחוץ' או 'הדוק יותר בפנים, משוחרר בחוץ' - הם יכולים לבחור מצבי מתח קבוע, מומנט קבוע או מתח מתחדד. על ידי שליטה במתח המתפתל שכבה אחר שכבה, ניתן להפוך את המתח השיורי בשכבות הסיבים לפזר אחיד למצב אידיאלי.
אימות כמותי של כוח הידוק מראש. SDM הקימה לולאה סגורה טכנית מלאה, מחישוב תיאורטי ועד סימולציית אלמנטים סופיים, ולבסוף לאימות ניסיוני. עבור כוח ההידוק המוקדם שנוצר על ידי שרוול סיבי הפחמן הכרוך במתח גבוה על המגנטים הקבועים, השגיאה הממוצעת בין תוצאות ניסוי לחישובים אנליטיים היא 8.56%, והשגיאה הממוצעת ביחס להדמיית אלמנטים סופיים היא 7.88% - רמת דיוק זו מבטיחה באופן מלא את האמינות של תכנון טרום הלחץ.
יכולת משולבת של תהליך מלא. החל מבחירת חומרי סיבי פחמן, עיצוב מבני ותכנון אלקטרומגנטי ועד לתהליכי הרכבה של דפוס, ייצור ציוד, בדיקה ובדיקה, ל-SDM יש יכולת טכנית מלאה. מטה החברה נמצא בהאנגג'ואו ויש לה פריסה משולבת בסחר בתעשייה, המאפשרת לה לספק ללקוחות פתרון שרשרת מלאה ממגנטים ועד מכלולי רוטור.
בדיוק עם תהליך סלילה מעודן זה של סיבי פחמן, רוטורים המנועים המהירים בריחוף מגנטי של SDM יכולים למנוע ביעילות פיצוח פלדה מגנטית בתנאים צנטריפוגליים במהירות גבוהה, מה שמבטיח פעולה בטוחה, יציבה ואמינה של הרוטור בתנאים תובעניים של עשרות אלפי סיבובים לדקה.
