I. A 'Túlélési teszt' a nagy sebességű forgás alatt
Az érintésmentes működés, a nagy hatásfok és a rendkívül nagy forgási sebesség előnyeivel rendelkező mágneses levitációs motorokat egyre gyakrabban alkalmazzák olyan csúcskategóriás berendezésekben, mint az ipari fúvók, kompresszorok és energiatároló lendkerekek. Ha azonban a forgási sebesség eléri a percenkénti több tízezer fordulatszámot, vagy még ennél is magasabb, a rotor állandó mágneseit súlyos 'túlélési tesztnek' vetik alá.
Hol van a probléma?
A mágneses levitációs motorok általában szinterezett NdFeB-t használnak állandó mágnesként. Bár az NdFeB kiváló mágneses tulajdonságokkal rendelkezik – beleértve a nagyon magas mágneses energiaterméket és a koercitivitást –, van egy kritikus gyengesége: nyomószilárdsága sokkal nagyobb, mint a szakítószilárdsága . A porkohászattal előállított szinterezett NdFeB szakítószilárdsága általában nem haladja meg a 80 MPa-t. Nagy fordulatszámon a centrifugális erő jelentős húzófeszültséget generál az állandó mágnes belsejében – 18 000 ford./perc üzemi körülmények között az NdFeB centrifugális feszültsége meghaladhatja a 160 MPa-t, ami közel kétszerese a saját erőhatárának..
Ez olyan, mint egy törékeny anyagból készült kötél: gond nélkül ellenáll a nyomásnak, de feszültség hatására könnyen eltörik. Amikor a motor nagy sebességgel forog, az állandó mágnesek húzóerőnek vannak kitéve, miközben 'kifelé dobódnak'. Ha a határértéket túllépik, a mágnesacél megreped, összetörik, vagy akár a rotor szétrepedését okozza.
II. Szénszálas hüvely: 'Szűk páncél' a mágnesacélhoz
Hogyan védhetjük meg a törékeny állandó mágneseket a centrifugális erő hatására bekövetkező repedéstől? A ma elérhető leghatékonyabb megoldás egy hozzáadása szénszálas hüvely az állandó mágnesekre.
A szénszál szakítószilárdsága meghaladja az 5000 MPa-t, ami messze meghaladja az NdFeB szilárdsági határát. Ennél is fontosabb, hogy a hagyományos fémhüvelyekhez, például a titánötvözethez képest a szénszálas hüvelynek három fő előnye van:
Könnyű és nagy szilárdság – A szénszál fajlagos szilárdsága (szilárdság-sűrűség aránya) jóval nagyobb, mint a fémeké, így a vékonyabb és könnyebb anyag elegendő védőszilárdságot biztosíthat.
Nincs örvényáram-veszteség – A szénszál rossz vezető, ezért nem hoz létre nagyfrekvenciás örvényáram-veszteséget, mint a fémhüvelyek, így elkerülhető a további teljesítményveszteség és fűtési problémák.
Alacsony hőtágulás – A szénszál alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkezik, ami jó méretstabilitást biztosít magas hőmérsékletű üzemi körülmények között.
III. A repedésgátló fő titka: Stressz előtt
A szénszálas hüvely hozzáadása azt jelenti, hogy minden megoldódott? Nem egészen.
A lényeg az, hogy mind a hüvely, mind az állandó mágnesek radiális táguláson mennek keresztül a nagy sebességű forgás során fellépő centrifugális erő hatására. Ha a hüvelyt egyszerűen a mágnesek fölé 'illesztjük', rés keletkezik közöttük – mivel a hüvely radiális deformációja gyakran nagyobb, mint a mágneseké. Amint rés képződik, a hüvely elveszti a mágnesekre nehezedő kényszert, és a mágnesacél továbbra is megreped.
A megoldás az állandó mágnesek folyamatos 'előfeszítése' alkalmazása.
Azáltal, hogy a hüvely és a mágnesek között interferencia-illesztést hoz létre (azaz a hüvely belső átmérője valamivel kisebb, mint a mágnesek külső átmérője), a hüvely úgy működik, mint egy 'szoros ruha', amely szorosan körbeveszi a mágneseket, és befelé sugárirányú nyomófeszültséget fejt ki. Amikor a rotor nagy sebességgel forog, ez az előfeszültség hatékonyan ellensúlyozza a centrifugális erő okozta húzófeszültséget.
A kutatások azt mutatják, hogy ha az interferencia meghaladja a 0,10 mm-t, az állandó mágnesekben a maximális centrifugális feszültség 160 MPa feletti értékről 70 MPa alá, jóval a szilárdsági határuk alá csökkenthető. Szélsőséges körülmények között (pl. 200 °C-os magas hőmérséklet plusz fordulatszám túllépése) bár a szénszálas hüvelyben lévő karikafeszültség 1000 MPa fölé emelkedhet, a szénszálas anyag 1400 MPa-os szilárdsági határához képest még mindig van elegendő biztonsági ráhagyás.
IV. Hogyan érhetjük el az előfeszültséget? Két folyamatút
Jelenleg két fő módszer létezik a szénszálas hüvely előfeszítésének elérésére:
1. út: interferencia szerelvény
A szénszálas hüvelyt külön gyártják, majd termikus vagy hideg illesztéssel a rotorra szerelik. Például, ha a rotort –190 °C-ra hűtjük, a hüvely nagyon kis tengelyirányú erővel csúsztatható fel; alternatívaként akár 25 kN nyomóerővel axiális présillesztési módszer is alkalmazható.
Ennek a módszernek azonban vannak hátrányai: a szénszál törékeny és gyenge szívósságú, ezért hajlamos a sérülésekre és repedésekre az interferenciás összeszerelés során. Ezenkívül az összeszerelési folyamat bonyolult és az interferencia-szabályozás nehézkes.
2. út: Nagyfeszültségű tekercselés (a jobb megoldás)
A szénszálat közvetlenül a rotor felületére tekercslik fel, és a tekercselési folyamat során nagy feszültség éri a szálkábeleket, így minden szálréteg szorosan körbeveszi az állandó mágnes felületét.
Ennek a módszernek az a finomsága, hogy maga a tekercselési folyamat a feszültség előtti alkalmazási folyamat . A szálfeszesség szabályozásával a kívánt előfeszítési mezőt a hüvelyre lehet helyezni, felváltva a hagyományos mechanikai interferencia módszert.
V. Az SDM szénszálas tekercselési eljárása
A mágneses lebegésű, nagy sebességű motorrotorok területén a Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. egy érett sajátított el szénszálas tekercselési eljárást . Műszaki jellemzői elsősorban a következő szempontokban tükröződnek:
Nagyfeszültségű kerületi tekercselési technológia. Az SDM azt a folyamatot alkalmazza, hogy a szénszálat közvetlenül a kerület mentén a forgórész felületére tekerje fel. A tekercselés során a szénszálas kócokra kifejtett feszültség pontos szabályozásával a szálrétegek szorosan illeszkednek az állandó mágnesek külső felületéhez. Ez az eljárás egyidejűleg biztosítja a szükséges előfeszítő erőt a mágneseknek a hüvely gyártása során, elkerülve a hagyományos interferencia-összeszereléssel járó repedésveszélyt és összeszerelési nehézségeket.
Pontos feszültség ütemezés. Az SDM folyamata rugalmasan alkalmaz különböző feszültségszabályozási módokat a különféle működési követelményeknek megfelelően. A különböző feszültségeloszlási igények kielégítésére – például 'lazább belül, feszesebb kívül' vagy 'feszesebb belül, lazább kívül' - választhatnak állandó feszültséget, állandó nyomatékot vagy kúpos feszültségű tekercselési módokat. A tekercselés feszültségének rétegenkénti szabályozásával a szálrétegekben a maradék feszültség egyenletesen eloszlathatóvá tehető az ideális állapotba.
Az előfeszítő erő mennyiségi ellenőrzése. Az SDM egy teljes műszaki zárt hurkot hozott létre, az elméleti számítástól a végeselemes szimulációig, végül a kísérleti ellenőrzésig. Az állandó mágneseken a nagyfeszültségű tekercselt szénszálas hüvely által keltett előfeszítő erő esetében a kísérleti vizsgálati eredmények és az analitikai számítások közötti átlagos hiba 8,56%, a végeselemes szimulációhoz viszonyított átlagos hiba pedig 7,88% – ez a pontossági szint teljes mértékben garantálja az előfeszítés tervezésének megbízhatóságát.
Integrált teljes folyamatképesség. A szénszálas anyagok kiválasztásától a szerkezeti tervezésen és az elektromágneses tervezésen át a fröccsöntési összeszerelési folyamatokig, a berendezések gyártásáig, valamint az ellenőrzésig és tesztelésig az SDM teljes körű műszaki képességekkel rendelkezik. A vállalat központja Hangzhouban található, és ipari kereskedelmi integrált elrendezéssel rendelkezik, amely lehetővé teszi, hogy a mágnesektől a rotor szerelvényekig teljes láncú megoldást kínáljon ügyfeleinek.
Pontosan ezzel a kifinomult szénszálas tekercselési eljárással az SDM mágneses lebegtetésű, nagy sebességű motorrotorjai hatékonyan akadályozhatják meg a mágneses acél repedését nagy fordulatszámú centrifugális körülmények között, biztosítva a rotor biztonságos, stabil és megbízható működését igényes, több tízezer fordulat/perc fordulatszámú körülmények között is.
