Մակերեւութային բարձր արագությամբ ռոտորի մագնիսների պահպանում. ինչու է «կպչուն կպահի» ամենավտանգավոր պատրանքը

Ա բարձր արագությամբ մշտական ​​մագնիսական շարժիչը, որն աշխատում է ավելի քան 20,000 պտույտ/րոպե արագությամբ, ռոտորի ծայրամասում գտնվող յուրաքանչյուր մագնիս կենտրոնախույս ուժ է զգում իր սեփական քաշից տասնյակ անգամներ: Եթե ​​դիզայները ենթադրում է, որ «ավելի լավ սոսինձը կպահի այն», ապա հաճախ արդյունքը լինում է այն, որ ամրության փորձարկման ինչ-որ պահի սոսինձի շերտը հանգիստ ճաքում է, մագնիսը դուրս է թռչում, և հաջորդաբար հաջորդում են ռոտոր-ստատորի շփումը, կարճ միացումները և մեքենայի ամբողջական խափանումը: Մակերեւույթի վրա տեղադրված բարձր արագությամբ ռոտորում  սոսինձը երբեք պահպանման հիմնական միջոցը չէ. այն միայն աջակցող խաղացող է դիրքավորման և թուլացման համար : Ինչն է իրականում որոշում, թե արդյոք մագնիսները «թռչում են, թե ոչ» համակարգային մակարդակի ինժեներական մոտեցում է, որը տարածվում է բեռի ուղիներից մինչև կառուցվածքային մանրամասներ:

Կենտրոնախույս ուժ և մագնիսների փխրունություն. անխուսափելի հակասություն

Մակերեւույթի վրա տեղադրված ռոտորում մշտական ​​մագնիսները ուղղակիորեն նստում են ռոտորի արտաքին մակերևույթի վրա, և կենտրոնախույս ուժն ամբողջությամբ կրում են հենց իրենք՝ մագնիսները և դրանցից դուրս պահող կառուցվածքը: Սինտերված NdFeB-ի ճակատագրական թուլությունն այն է, որ այն կարծր է և փխրուն. նրա առաձգական ուժը շատ ավելի ցածր է, քան սեղմման ուժը, և այն չափազանց զգայուն է տեղային թերությունների, միկրոճաքերի և հավաքման վնասների նկատմամբ: Ավելի լուրջ, կենտրոնախույս բեռը աճում է արագության քառակուսու հետ՝ կրկնապատկելով արագությունը, և բեռը դառնում է չորս անգամ մեծ: 40 մմ տրամագծով ռոտորի համար, որն աշխատում է 30000 ռ/րոպե արագությամբ, մակերեսի գծային արագությունը կազմում է մոտ 62,8 մ/վ: Սա արդեն կառուցվածքային վիճակ է, որին պետք է լրջորեն վերաբերվել, այլ ոչ թե սցենար, որը կարող է «ընտելացնել» միայն սոսինձով:

Սոսինձի կտրվածքի ուժի տվյալները սենյակային ջերմաստիճանում հաճախ տպավորիչ են թվում, բայց բարձր արագությամբ ռոտորի ներքին ջերմաստիճանը կարող է բարձրանալ մինչև 150°C կամ նույնիսկ ավելի բարձր շահագործման ընթացքում: Նման ջերմաստիճաններում սովորական կառուցվածքային սոսինձների մոդուլը կտրուկ իջնում ​​է, և երկարատև կենտրոնախույս կտրվածքի տակ սոսնձվող շերտը մտնում է սողացող-ճեղքման-անջատման վնասի կուտակային ճանապարհ: Ինժեներական փորձը ցույց է տալիս, որ զուտ սոսինձի վրա հիմնված կառույցները հազիվ կարող են աշխատել 10,000 պտույտ րոպեից ցածր, բայց 15,000 պտույտ/րոպե շեմն անցնելուց հետո սոսինձի շերտի երկարաժամկետ հուսալիությունը դառնում է անընդունելի: Սա ոչ թե այն պատճառով, որ սոսինձն ինքնին «վատ» է, այլ այն պատճառով, որ  սոսինձը տեղադրվել է այնպիսի դիրքում, որտեղ այն չպետք է կրի առաջնային բեռը:.

Պահպանող թեւ.

Բարձր արագությամբ մակերևութային ռոտորների պահպանման ամենակարևոր լուծումը մագնիսներից դուրս պաշտպանիչ թևն է և մագնիսների վրա շառավղային նախալեռ կիրառումը միջամտության տեղադրման միջոցով, որպեսզի մագնիսները մնան սեղմման կամ վերահսկվող սթրեսի տակ կանգառում, բարձր արագությամբ՝ սառը վիճակում և բարձր արագությամբ՝ տաք վիճակում, այլ ոչ թե «կենտրոնացված ուժով»: Թևերի ձևավորման առանցքը «կեղև ավելացնելը» չէ, այլ  միջամտության ճշգրիտ ընտրությունը . չափազանց քիչ միջամտություն, և շփման ճնշումը բարձր արագությամբ իջնում ​​է մինչև զրոյի, ինչի հետևանքով մագնիսները անջատվում են ռոտորի միջուկից; չափազանց մեծ միջամտություն, և թևի սեփական օղակի լարվածությունը գերազանցում է իր սահմանը, կամ մագնիսների վրա չափազանց մեծ ճնշումը առաջացնում է տեղային կոտրվածք:

Թևի նյութի ընտրության ժամանակ ածխածնի մանրաթելային կոմպոզիտների և մետաղական համաձուլվածքների միջև փոխզիջումն ուղղակիորեն որոշում է ռոտորի կորուստը, ջերմաստիճանի բարձրացումը և հզորության խտության սահմանը:

Ածխածնի մանրաթելից կոմպոզիտային թևերի գրավչությունը կայանում է նրանում, որ դրանք  չափազանց բարձր հատուկ օղակի ամրության  և ցածր խտության մեջ են: Նրանք կարող են ավելի բարակ լինել, քան մետաղական թևերը՝ ավելի շատ տարածք ազատելով օդի բացվածքի համար և օգնելով բարելավել հոսանքի խտությունը: Բայց կոմպոզիտները անիզոտրոպ են. նրանց օղակի ամրությունը կախված է մանրաթելի ոլորման կողմնորոշումից և գործընթացի որակից, իսկ դրանց ձախողման եղանակները ներառում են մանրաթելի կոտրվածք, մատրիցային ճեղքվածք և շերտազատում: Ստուգման և ընդունման տրամաբանությունը լրիվ տարբերվում է մետաղական մասերի տրամաբանությունից։ Մեկ այլ փաստ, որը հաճախ անտեսվում է, այն է, որ  ածխածնի մանրաթելը մեկուսիչ չէ : CFRP թեւը առաջացնում է պտտվող հոսանքի կորուստ փոփոխական մագնիսական դաշտում, և կորուստը կախված է դասավորության կառուցվածքից, մանրաթելերի շփման վիճակից և խեժի համակարգից; այն չի կարող պարզեցվել որպես «զրոյական կորուստ»: Ածխածնային մանրաթելի ջերմային հաղորդունակությունը նույնպես կախված է ուղղությունից, և այն ուղին, որով ռոտորի ներսում ջերմությունը փոխանցվում է դեպի դուրս, ավելի բարդ է, քան մետաղական թևով:

Մետաղական թևերի՝ տիտանի համաձուլվածքի, Inconel 718, չժանգոտվող պողպատի առավելությունները կայանում են նրանում, որ դրանք  իզոտրոպիկ են, ունեն ավելի լավ ջերմային հաղորդունակություն և ավելի հասուն չափերի ճշգրտություն և խմբաքանակի հետևողականություն : Տիտանի համաձուլվածքն ունի չափավոր խտություն և լավ հավասարակշռություն ամրության և ջերմաստիճանի դիմադրության միջև, ինչը սովորական փոխզիջում է դարձնում բարձր արագությամբ ռոտորների համար. Inconel 718-ն ունի ավելի ակնառու բարձր ջերմաստիճանի ուժ, բայց նաև ավելի բարձր խտություն և պտտվող հոսանքի կորուստ: Մետաղական թևի արժեքը նրա բարձր էլեկտրական հաղորդունակությունն է. ստատորի բնիկի ներդաշնակությունը թևում առաջացնում է պտտվող հոսանքներ, և այդ կորուստը ուղղակիորեն դրվում է ռոտորի ջերմային բեռի վրա, որն իր հերթին փոխում է ինտերֆերենցիայի տեղակայման տաք վիճակի շփման ճնշումը: Վերջին տարիներին հստակ միտում է եղել  կոմպոզիտային թևի կառուցվածքը . արտաքին տիտանի համաձուլվածքի շերտը կրում է օղակի հիմնական բեռը, մինչդեռ ներքին ածխածնային մանրաթելից կամ ցածր կորստի շերտը կարգավորում է ջերմային համապատասխանությունը և կորուստների բաշխումը: 45 կՎտ/45,000 պտ/րոպե դասի շարժիչների համեմատությամբ, կոմպոզիտային թևի ռոտորի կողմից ջերմաստիճանի բարձրացումն ավելի ցածր էր, քան ամբողջովին տիտանային երկշերտ թևի բարձրացումը՝ ցույց տալով «շերտերում բազմաթիվ հակասություններ լուծելու» գաղափարը։

Վերջի պահպանում. 'Վերջին հենապատը' մոռացված սոսինձի վրա հիմնված դիզայնով

Նույնիսկ թեւով, եթե առանցքի ուղղությամբ մեխանիկական խոչընդոտ չկա, մնում է թաքնված ձախողման ուղին. թրթռման և ջերմային ցիկլերի տակ բարձր արագությամբ պտտվող մագնիսները կարող են ենթարկվել թեթև առանցքային միգրացիայի՝ աստիճանաբար վնասելով կպչուն շերտը և կրելով կոնտակտային մակերեսները, և, ի վերջո, բաշխվածության նախնական բաշխումը վատթարանում է: Վերջի պահպանման կառուցվածքի դերն այս ճանապարհն ամբողջությամբ փակելն է:

Ամենաուղղակի մոտեցումը  ամրացնող օղակներ կամ ծայրային թիթեղներ տեղադրելն է՝ մագնիսները առանցքային սահմանափակելու համար:  ռոտորի երկու ծայրերում Ավելի կոմպակտ ձևավորումներում ռոտորի միջուկի վերջում կարող է մշակվել օղակաձև քայլ, այնպես որ մագնիսները տեղադրվելուց հետո աստիճանի մակերեսը ապահովում է առանցքային պահպանում. Այլապես, ճնշման թիթեղները/պահող տարրերը կարող են տեղադրվել հարակից մագնիսների միջև՝ ապահովելու և՛ շրջագծային դիրքավորումը, և՛ առանցքային սահմանափակումը: Արտաքին ռոտորային կառուցվածքի համար մագնիսի մոնտաժման գոտու և թմբուկի ներքին պատի պահպանման գոտու միջև բարձրության տարբերություն է ձևավորվում, իսկ մագնիսի ամրացման գոտու վերջնական երեսը բնականաբար դառնում է առանցքային պահող շրթունք: Այս կառույցների ընդհանուր տրամաբանությունը հետևյալն է.  առանցքային պահպանումը չի հիմնվում սոսինձի շերտի վրա, այլ ուղղակիորեն կրում է մետաղական կամ կոմպոզիտային բաղադրիչները : Simo Forum-ի առաջին փորձը նույնպես հաստատում է դա. մագնիսների երկու ծայրերում չժանգոտվող պողպատից ամրացնող շրթունքներ ավելացնելուց հետո, նույն սոսինձի սխեման ավարտեց 1000-ժամյա ամրության թեստը 20,000 պտ/րոպե արագությամբ սերվոշարժիչի վրա՝ առանց թուլանալու, մինչդեռ նախկինում, երբ հենվում էր զուտ սոսինձի վրա, տեղի էր ունենում մի քանի անգամ մագնիսական տեղահանում:

Պուտինգի դերը. ինտեգրում, բայց ոչ համադարման

Epoxy potting-ը հաճախ օգտագործվում է մի քանի մագնիսներ օղակաձև միավորի մեջ համախմբելու համար՝ նվազեցնելով առանձին մագնիսների սխալ դասավորվածության կամ ընկնելու վտանգը: Ծաղկամանն իսկապես կարող է բարելավել թրթռումների մեղմացումը, բեռի բաշխումը ավելի միատեսակ դարձնել և որոշ չափով մեկուսացնել շրջակա միջավայրը: Բայց դա նաև հստակ սահմաններ ունի։ Բուժման կծկումը, մնացորդային դատարկությունները և խեժի ջերմահաղորդականությունը երեք անխուսափելի ինժեներական սահմանափակումներ են. դատարկությունները ստեղծում են լոկալ թույլ կետեր էլեկտրական մեկուսացման և ջերմահաղորդման մեջ և դառնում են ճաքերի առաջացման վայրեր՝ փոփոխական կենտրոնախույս բեռի ներքո. եթե էկզոտերմիկ բուժումը և նեղացումը պատշաճ կերպով չեն վերահսկվում, մնացորդային սթրեսը մնում է խեժի ներսում: Փոքր բացվածքներում խեժի անհավասար բաշխումն ուղղակիորեն նվազեցնում է ամրացման ուժը և, վատագույն դեպքում, դառնում է մագնիսի թուլացման պատճառ: Փաթեթի պատշաճ դերը որպես  օժանդակ սահմանափակում և ինտեգրման մեթոդ է . այն կարող է բարելավել համակարգի հետևողականությունը և ամրությունը, երբ թեւն ու վերջի պահպանումն արդեն ձևավորել են բեռի առաջնային ուղին, բայց այն չպետք է դիտարկվի որպես ինքնուրույն կենտրոնախույս բեռ կրող լուծում:

Հուսալիությունը հաճախ որոշվում է գործընթացի մանրամասներով

Կառուցվածքային սխեման որոշվելուց հետո սոսնձի շերտի և հավաքման գործընթացի մանրամասները որոշում են, թե տեսական դիզայնը կարող է իրականացվել: Ինժեներական կանոնը, որը բազմիցս ստուգվել է, հետևյալն է.  սոսինձ մի քսեք մագնիսի հետևի ամբողջ մակերեսի վրա : Սոսինձի արտահոսքի ակոսները 0,1 մմ-ի չափով մեքենայացնելով մագնիսի հետևի մասում կամ ռոտորի միջուկի մակերեսին, ճնշում գործադրելիս ավելցուկային սոսինձը դուրս է մղվում ակոսների երկայնքով՝ թույլ տալով, որ օդը նույնպես դուրս գա: Այնուհետև կապի գծի հաստությունը կարող է վերահսկվել վերահսկելի միջակայքում, դատարկ թերությունները զգալիորեն կրճատվում են, և կապի արդյունավետ տարածքը և հետևողականությունը իրականում բարելավվում են: Սոսինձի ընտրությունը նույնպես չպետք է հիմնված լինի միայն սենյակային ջերմաստիճանի կտրման ուժի վրա. փոփոխված էպոքսիդային կառուցվածքային սոսինձը, որը պահպանում է բավարար կտրվածքի մոդուլը 150°C ջերմաստիճանում, նվազագույն պահանջն է բարձր արագությամբ ռոտորների կիրառման համար:

Թևերի հավաքման գործընթացները նույնպես զարգանում են: Ավանդական ածխածնային մանրաթելից թևերը հիմնված են միջամտության կամ սառը տեղադրման վրա; Սառը կցամասը օգտագործում է հեղուկ ազոտ՝ լիսեռը կամ մագնիսը հավաքելու համար սառեցնելու համար և հաստատվել է, որ այն էական բացասական ազդեցություն չունի մագնիսի աշխատանքի կամ կապի ամրության վրա: Ավելի նոր ուղղություն է  սեղմված ածխածնային մանրաթելերով ամրացված պոլիմերային թևը . հատուկ սեղմման գործընթացը ստեղծում է բարձր նախաբեռվածություն սենյակային ջերմաստիճանում առանց սոսինձի և առանց ջերմային սթրեսի, և հարմար է 30-ից 300 մմ տրամագծով ռոտորների համար՝ անջատելով «միջամտության» կիրառումը և «ջերմաստիճանից»: Նման գործընթացների նշանակությունը կայանում է նրանում, որ դրանք նվազեցնում են հավաքման ընթացքում նյութական հատկություններին հասցված կողմնակի վնասը և դարձնում թևի նախաբեռնումը ավելի կանխատեսելի և կրկնվող:

Եզրակացություն

Մագնիսների պահպանման հիմնական տրամաբանությունը մակերևույթի վրա տեղադրված բարձր արագությամբ ռոտորներում կարելի է ամփոփել մեկ նախադասությամբ.  թույլ մի տվեք, որ 'կպչունության' վրա հիմնված որևէ միացում կրի այն կենտրոնախույս բեռը, որը նախատեսված է չկրել : Թևն ապահովում է հաշվարկված շառավղային նախաբեռվածություն, ծայրամասային կառուցվածքը փակում է առանցքային միգրացիայի համար ելքը, և կաթսան և սոսինձը կատարում են դիրքավորում, խոնավացում և ինտեգրում իրենց պատշաճ տեղերում, մինչդեռ միջամտությունը, ջերմային համապատասխանությունը, կորուստը և պրոցեսի պատուհանները բազմիցս կրկնվում են համակարգի մակարդակում: Չկա «մեկ և ընդմիշտ» պահպանման լուծում գերարագ ռոտորների համար. միայն ինժեներական դատողություն, որը կառուցում է շերտավոր պաշտպանություն բեռնվածքի ուղու երկայնքով և հարգում է նյութերի իրական պահվածքը յուրաքանչյուր միջերեսում: