Բարձր արագությամբ շարժիչի ռոտորների լարվածության ստուգում.

I. Ինչու՞ պետք է գերարագ շարժիչները ենթարկվեն սթրեսի ստուգման:

Համար ա 30,000 ռ/րոպե պտտման արագությամբ գերարագ շարժիչ , ռոտորի արտաքին տրամագծով կենտրոնախույս արագացումը կարող է հասնել գրավիտացիոն արագացման տասնյակ հազարավոր անգամ: Նման ծայրահեղ աշխատանքային պայմաններում մշտական ​​մագնիսների առաձգական լարվածությունը կմոտենա կամ նույնիսկ կգերազանցի նրանց առաձգական սահմանը, և NdFeB մշտական ​​մագնիսների առաձգական ուժը սովորաբար կազմում է նրանց սեղմման ուժի միայն մեկ տասներորդը: Երբ առաձգական լարվածությունը գերազանցում է սահմանը, մշտական ​​մագնիսները կարող են կոտրվել, և բարձր արագությամբ պտտվող բեկորները բավարար են ամբողջ շարժիչը միլիվայրկյանների ընթացքում ոչնչացնելու համար:

Միևնույն ժամանակ, բարձր արագությամբ շարժիչների անվանական արագությունը հաճախ մոտենում է ռոտորի կրիտիկական արագությանը, և ռեզոնանսի վտանգը կտրուկ բարձրանում է: Սթրեսի ստուգումը վերաբերում է ոչ միայն «կխախտվի արդյոք այն», այլ նաև այն մասին, թե արդյոք ռոտորի կոշտության դիզայնը կարող է խուսափել վտանգավոր ռեզոնանսային միջակայքներից:

Այդ իսկ պատճառով, գերարագ շարժիչների նախագծման գործընթացում էլեկտրամագնիսական նախագծումն ավարտելուց հետո առաջին քայլը պտտվող լարվածության վերլուծություն կատարելն է, ռոտորի յուրաքանչյուր մասում շրջագծային լարվածության և ֆոն Միզեսի սթրեսի բաշխման ստուգումը և դրանք համապատասխան նյութերի ամրության ինդեքսների հետ համեմատելը:

II. Ի՞նչ ուժեր է կրում ռոտորը:

Բարձր արագությամբ շարժիչի ռոտորների լարվածության աղբյուրները հիմնականում բաժանվում են երեք կատեգորիայի, որոնք հաճախ գործում են սուպերպոզիցիայով՝ կազմելով բարդ լարվածության դաշտ։

Կենտրոնախույս ուժ - ամենակարևոր բեռը: Երբ ռոտորը պտտվում է մեծ արագությամբ, յուրաքանչյուր զանգվածային կետ ենթարկվում է կենտրոնախույս ուժի, որն ուղղված է շառավղով դեպի դուրս, և դրա մեծությունը համաչափ է պտտման արագության քառակուսու վրա.

F = ρω⊃2;r⊃2;

որտեղ ρ-ն նյութի խտությունն է, ω-ն անկյունային արագությունն է, իսկ r-ը շառավղային հեռավորությունն է: Որքան հեռու է նյութը պտտվող լիսեռից, այնքան մեծ է այն կրում կենտրոնախույս բեռը: Սա նշանակում է, որ թևի արտաքին եզրին շրջագծային լարվածությունը սովորաբար ամենաբարձրն է ամբողջ ռոտորում:

Նախալարվածությունը, որը առաջանում է միջամտության հարմարանքից . «երկսայրի սուր»: Մակերեւույթի վրա տեղադրված մշտական ​​մագնիսական շարժիչների մշտական ​​մագնիսներն ունեն ցածր առաձգական ուժ և չեն կարող դիմակայել միայնակ կենտրոնախույս ուժին: Հետևաբար, մշտական ​​մագնիսների արտաքին մասում պետք է տեղադրվի բարձր ամրության թեւ՝ պտտման ժամանակ կենտրոնախույս առաձգական ուժը փոխհատուցելու համար մշտական ​​մագնիսների վրա նախնական սեղմում կիրառելով միջամտության հարմարանքով: Այնուամենայնիվ, միջամտության քանակն այնքան էլ մեծ չէ, որքան հնարավոր է. չափազանց մեծ միջամտությունը կբերի չափազանց սեղմման լարվածություն մշտական ​​մագնիսների մեջ, և չնայած մշտական ​​մագնիսներն ունեն ավելի ուժեղ սեղմման հզորություն, քան առաձգական հզորությունը, այն անսահմանափակ չէ:

Ջերմային լարվածություն . «թաքնված մարդասպան»՝ հեշտությամբ անտեսվող: Շարժիչի շահագործման ընթացքում ջերմաստիճանի բարձրացումը առաջացնում է տարբեր բաղադրիչների ջերմային ընդլայնում, և տարբեր նյութեր ունեն գծային ընդարձակման տարբեր գործակիցներ, ուստի արդյունքում առաջացող ջերմային սթրեսը կարող է զգալի լինել: Թևի և մշտական ​​մագնիսի միջև զուգավորվող մակերեսի վրա ջերմաստիճանի փոփոխությունները կփոխեն նաև շփման ճնշման մեծությունը. երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, շփման ճնշումը մեծանում է, և թևի լարվածությունը նույնպես համապատասխանաբար բարձրանում է: Ցածր ջերմաստիճանի պայմաններում գծային ընդլայնման գործակիցների տարբերությունը նույնիսկ կարող է օգտագործվել «ցածր ջերմաստիճանի հավաքում, սենյակային ջերմաստիճանի միջամտության» գործընթացի սխեման իրագործելու համար։

III. Ստուգման մեթոդներ՝ վերլուծական մեթոդ և վերջավոր տարրերի մեթոդ

3.1 Վերլուծական մեթոդ. արագ գնահատման սուր գործիք

Վերլուծական մեթոդի հիմնական գաղափարը ռոտորի յուրաքանչյուր բաղադրիչի պարզեցումն է հաստ պատերով գլան (կամ հաստ պատերով օղակի) մոդելի և լարման դաշտի միասնական մաթեմատիկական մոդելի ստեղծումը երկչափ բևեռային կոորդինատներում: Առանցքի, մշտական ​​մագնիսի և թևի համար շառավղային և շոշափող լարվածություն-լարված հարաբերությունները թվարկված են առանձին, և հավասարումները լուծվում են միաժամանակ տեղաշարժման շարունակականության պայմանի և ուժի հավասարակշռության պայմանի միջոցով միջերեսում:

Որպես օրինակ վերցնելով 250 կՎտ, 25 կր/րոպ արագությամբ մշտական ​​մագնիսի շարժիչը. մշտական ​​մագնիսի արտաքին շառավիղը 44 մմ է, հաստությունը՝ 8 մմ, ածխածնային մանրաթելերի թևի հաստությունը՝ 2 մմ, իսկ թևի և մշտական ​​մագնիսի միջև միջամտությունը՝ 0,3 մմ։ Անալիտիկ մեթոդով հաշվարկված ռոտորի շառավղային տեղաշարժը, շառավղային լարվածությունը և շոշափելի լարվածության բաշխումը գնահատված արագությունից 1,2 անգամ (30 kr/min) խիստ համահունչ են վերջավոր տարրերի վերլուծության արդյունքներին:

Վերլուծական մեթոդի առավելություններն են դրա արագ հաշվարկման արագությունը և հստակ ֆիզիկական նշանակությունը, ինչը հատկապես հարմար է դարձնում պարամետրերի սկանավորման և օպտիմալացման կրկնության համար վաղ նախագծման փուլում: Այնուամենայնիվ, դրա սահմանափակումները նույնպես ակնհայտ են. դժվար է կարգավորել բարդ երկրաչափական ձևերը (ինչպես, օրինակ, ներքին ռոտորների մագնիսական կամրջի կառուցվածքը) և անիզոտրոպ նյութերի ոչ գծային վարքագիծը:

3.2 Վերջավոր տարրերի մեթոդ. ճշգրիտ ստուգման չափանիշ

Վերջավոր տարրերի մեթոդը (FEM) կարող է կարգավորել կամայական երկրաչափական ձևերը, բազմաթիվ նյութերի համակցությունները և բարդ սահմանային պայմանները և հանդիսանում է «ոսկե ստանդարտ» սթրեսի ստուգման համար:

Մոդելավորման բանալին գտնվում է շփման մակերեսների մշակման մեջ: Թևի և մշտական ​​մագնիսի միջև միջամտությունը սովորաբար մոդելավորվում է վերջավոր տարրերի վերլուծության մեջ՝ օգտագործելով կոնտակտային տարրեր, և շփման կոշտությունը, շփման գործակիցը և միջամտության քանակը պետք է ճիշտ սահմանվեն: Անիզոտրոպ նյութերի համար, ինչպիսիք են ածխածնային մանրաթելերը, անհրաժեշտ է նաև մուտքագրել առաձգական մոդուլը և Պուասոնի հարաբերակցությունը յուրաքանչյուր ուղղությամբ:

Հավասարապես կարևոր է ստուգման պայմանների ընտրությունը: Ինժեներական պրակտիկայում սովորաբար անհրաժեշտ է ստուգել հետևյալ համակցությունները.

• Թևի ամրությունը . ֆոն Միզեսի սթրեսը բարձր ջերմաստիճանում + 1,2 անգամ գնահատված արագություն;

• Մշտական ​​մագնիսի առաձգական ուժ . առավելագույն հիմնական սթրես ցածր ջերմաստիճանում + 1,2 անգամ գնահատված արագություն;

• Կոնտակտային ճնշում . նվազագույն կոնտակտային ճնշում ցածր ջերմաստիճանում + 1,2 անգամ գնահատված արագություն, ապահովելու համար, որ թեւը չի բաժանվում մշտական ​​մագնիսից:

Ստուգման այս երեք տեսակները ներառում են գործառնական պայմանների ամենադժվար համակցությունը, և դրանցից ոչ մեկը չի կարող բաց թողնել:

IV. Թևի ձևավորում՝ The Rotor's 'Satbelt'

Թևը գերարագ մշտական ​​մագնիսական շարժիչի ռոտորի ամենակարևոր պաշտպանիչ բաղադրիչն է: Ներկայումս հիմնական նյութերը բաժանվում են երկու հիմնական կատեգորիայի.

Մետաղական թևերը  (տիտանի խառնուրդ, Inconel համաձուլվածք և այլն) ունեն լավ էլեկտրական հաղորդունակություն և կառաջացնեն պտտվող հոսանքի կորուստներ փոփոխական մագնիսական դաշտում՝ նվազեցնելով շարժիչի արդյունավետությունը; Այնուամենայնիվ, նրանց բարձր ջերմային հաղորդունակությունը օգտակար է ջերմության տարածման համար: Մետաղական թևերն ավելի հարմար են օդային բացերի պահանջարկ ունեցող սցենարների համար և ջերմության ցրման սահմանափակ պայմաններով:

Ածխածնային մանրաթելից կոմպոզիտային թևերը  ներկայումս հիմնական ընտրությունն են բարձր արագությամբ շարժիչների համար: Նրանց առաձգական ուժը կարող է հասնել ավելի քան 3500 ՄՊա (ինչպես պահանջվում է խմբի ստանդարտներով), դրանց խտությունը տիտանի համաձուլվածքի միայն մեկ քառորդն է, և դրանք ոչ հաղորդիչ են և չեն առաջացնում պտտվող հոսանքի կորուստներ: Այնուամենայնիվ, ածխածնային մանրաթելերի թեւերի անիզոտրոպիան լրացուցիչ բարդություն է բերում սթրեսի վերլուծությանը, որը պահանջում է վերլուծության համար օգտագործել եռաչափ առաձգականության տեսություն:

Թևերի ձևավորման հիմնական հակասությունը կայանում է նրանում, որ հաստությունը. որքան հաստ է թևը, այնքան ուժեղ է սահմանափակումը մշտական ​​մագնիսում և որքան ցածր է ռոտորի լարվածությունը. բայց թևի հաստության աճը կբարձրացնի համարժեք օդային բացը և կթուլացնի էլեկտրամագնիսական աշխատանքը: Հետևաբար, թևերի ձևավորումը, ըստ էության, օպտիմիզացման բազմաբնույթ խնդիր է. անհրաժեշտ է գտնել օպտիմալ հավասարակշռություն կառուցվածքային ամրության և էլեկտրամագնիսական կատարողականության միջև:

V. Ինչպե՞ս պետք է ընտրվի անվտանգության գործոնը:

Անվտանգության գործոնի արժեքը ուղղակիորեն որոշում է, թե արդյոք ստուգման եզրակացությունը հուսալի է: Եթե ​​արժեքը չափազանց փոքր է, ապա դա ռիսկային է. եթե այն չափազանց մեծ է, դա հանգեցնում է դիզայնի չափից դուրս ավելորդության և դեգրադացված աշխատանքի:

Ինժեներական պրակտիկայում բարձր արագությամբ շարժիչի ռոտորի ստուգման անվտանգության գործոնը սովորաբար որոշվում է հետևյալ սկզբունքների համաձայն.

• Թևի նյութ . ելնելով ելքի ուժից կամ առաձգական ուժից, անվտանգության գործակիցը վերցվում է 1,5–2,0: Օրինակ, երբ որոշակի գերարագ մշտական ​​մագնիսական շարժիչի թևի առավելագույն լարվածությունը 967 ՄՊա է, 2-ից ավելի անվտանգության գործակիցը համարվում է ընդունելի:

• Մշտական ​​մագնիս . քանի որ NdFeB-ը փխրուն նյութ է, և նրա առաձգական ուժի ցրվածությունը համեմատաբար մեծ է, սովորաբար ընդունվում է 2.0–3.0 անվտանգության գործակից: Դիզայնի որոշ դեպքերում մշտական ​​մագնիսի անվտանգության գործակիցը կարող է հասնել ավելի քան 6-ի` թողնելով մեծ մարժան:

• Լիսեռ . լիսեռի նյութերը սովորաբար լեգիրված պողպատից են, լավ ամրությամբ և բարձր ամրությամբ, իսկ լարվածության մակարդակը շատ ցածր է թույլատրելի արժեքից, ուստի բավարար է մոտ 1,5 անվտանգության գործակիցը:

• Կոնտակտային ճնշում . ապահովելու համար, որ թեւը և մշտական ​​մագնիսը չբաժանվեն ամենաբարձր արագությամբ, սովորաբար պահանջվում է, որ շփման նվազագույն ճնշումը լինի ոչ պակաս, քան մի քանի մեգապասկալ: Որոշակի նախագծման դեպքում նվազագույն կոնտակտային ճնշումը պետք է լինի ոչ պակաս, քան 5,4 ՄՊա անվանական արագության ստորին սահմանում և ոչ պակաս, քան 2,7 ՄՊա վերին սահմանում:

VI. Ստուգումից մինչև վավերացում

Սթրեսի ստուգումը, ի վերջո, «թղթային հաշվարկ է»: Ինժեներական պրակտիկայում ստուգման արդյունքները նույնպես պետք է հաստատվեն փորձերի միջոցով:

Վավերացման ընդհանուր մեթոդները ներառում են.

Պտտման փորձարկումը  վավերացման ամենաուղղակի մեթոդն է: Ռոտորը արագացվում է մինչև գերարագության պայմանը (սովորաբար 1,2 անգամ ավելի քան գնահատված արագությունը)՝ դիտարկելու, թե արդյոք կառուցվածքային խափանում է տեղի ունենում: Որոշ ուսումնասիրություններ հատուկ նախագծել են նախատիպեր, որոնցում ածխածնային մանրաթելերի թեւը ձախողվում է 30,000 ռ/րոպե արագությամբ, որպեսզի դիտարկվեն ռոտորի վարքագծային բնութագրերը փաստացի խափանման ժամանակ:

Լարվածության չափումը  կարող է գրավել լարվածության տվյալները առանցքային դիրքերում իրական ժամանակում ռոտացիայի ընթացքում: Օգտագործելով լարման չափիչներ և հեռաչափական համակարգեր, լարումը ռոտորի առանցքային դիրքերում կարող է չափվել 18000 ռ/րոպե կամ նույնիսկ ավելի բարձր արագությամբ, իսկ հարաբերակցության վավերացումը կարող է իրականացվել վերջավոր տարրերի հաշվարկման արդյունքներով:

Ստատիկ առաձգական փորձարկումը  անուղղակի, բայց անվտանգ վավերացման մեթոդ է: Ռոտորի միջուկի վրա ստատիկ առաձգական փորձարկումներ կատարելով՝ կարելի է խուսափել բարձր արագությամբ պտույտի վտանգից, և անուղղակիորեն ստուգել անալիտիկ մոդելի և վերջավոր տարրերի արդյունքների ճշգրտությունը:

Եզրակացություն

Բարձր արագությամբ շարժիչի ռոտորի լարվածության ստուգումը համակարգված ինժեներական խնդիր է, որը միավորում է առաձգականությունը, նյութերի գիտությունը և թվային հաշվարկը: Կենտրոնախույս ուժի, միջամտության ուժի և ջերմային սթրեսի վրա դրված ազդեցությունների ըմբռնումից մինչև համապատասխան ստուգման մեթոդների և անվտանգության գործոնների ընտրություն, դիզայնի հուսալիության հաստատում փորձերի միջոցով, յուրաքանչյուր քայլ կապված է այն բանի հետ, թե արդյոք շարժիչը կարող է կայուն աշխատել րոպեում տասնյակ հազարավոր պտույտների ծայրահեղ պայմաններում:

Քանի որ նոր էներգիայի մեքենաների շարժիչ շարժիչների արագությունը գերազանցում է 20,000 ռ/րոպե, իսկ թռչող անիվի էներգիայի պահպանման շարժիչների արագությունը մոտենում է 70,000 ռ/րոպե, ռոտորի լարվածության ստուգման ճշգրտության և արդյունավետության պահանջները շարունակում են աճել: Նոր տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են ածխածնային մանրաթելից կոմպոզիտային թևերը, բազմաշերտ թևերի կառուցվածքները և բազմաֆիզիկական զուգավորման օպտիմիզացումը, անընդհատ ընդլայնում են բարձր արագությամբ շարժիչների աշխատանքի սահմանները, և սթրեսի ստուգումը միշտ անվտանգության հիմնական գիծն է այս բոլոր նորարարությունների համար: