I. 'Uji Kelangsungan Hidup' dalam Rotasi Kecepatan Tinggi
Motor levitasi magnetik, dengan keunggulan pengoperasian tanpa kontak, efisiensi tinggi, dan kecepatan putaran yang sangat tinggi, semakin banyak digunakan pada peralatan kelas atas seperti blower industri, kompresor, dan roda gila penyimpan energi. Namun, ketika kecepatan putaran mencapai puluhan ribu putaran per menit atau bahkan lebih tinggi, magnet permanen pada rotor akan menjalani “uji ketahanan” yang berat.
Dimana letak masalahnya?
Motor levitasi magnetik umumnya menggunakan NdFeB sinter sebagai bahan magnet permanen. Meskipun NdFeB menawarkan sifat magnetik yang sangat baik – termasuk produk energi magnetik dan koersivitas yang sangat tinggi – NdFeB memiliki kelemahan kritis: kekuatan tekannya jauh lebih besar daripada kekuatan tariknya . NdFeB yang disinter, diproduksi melalui metalurgi serbuk, biasanya memiliki kekuatan tarik tidak lebih dari 80 MPa. Pada kecepatan tinggi, gaya sentrifugal menghasilkan tegangan tarik yang signifikan di dalam magnet permanen – dalam kondisi pengoperasian 18.000 rpm, tegangan sentrifugal di NdFeB dapat melebihi 160 MPa, hampir dua kali lipat batas kekuatannya sendiri.
Ini seperti tali yang terbuat dari bahan yang rapuh: ia tahan terhadap kompresi tanpa masalah, namun mudah putus karena tekanan. Saat motor berputar dengan kecepatan tinggi, magnet permanen akan terkena gaya tarik saat 'dilempar ke luar.' Setelah batas terlampaui, baja magnet akan retak, pecah, atau bahkan menyebabkan rotor meledak.
II. Selongsong Serat Karbon: 'Armor Ketat' untuk Baja Magnet
Bagaimana kita dapat melindungi magnet permanen yang rapuh agar tidak retak akibat gaya sentrifugal? Solusi paling efektif yang ada saat ini adalah menambahkan selongsong serat karbon di atas magnet permanen.
Serat karbon memiliki kekuatan tarik lebih dari 5000 MPa, jauh melebihi batas kekuatan NdFeB. Yang lebih penting lagi, dibandingkan dengan selongsong logam tradisional seperti paduan titanium, selongsong serat karbon menawarkan tiga keunggulan utama:
Ringan dan berkekuatan tinggi – Kekuatan spesifik (rasio kekuatan terhadap kepadatan) serat karbon jauh lebih tinggi dibandingkan logam, sehingga material yang lebih tipis dan ringan dapat memberikan kekuatan pelindung yang cukup.
Tidak ada arus eddy yang hilang – Serat karbon merupakan konduktor yang buruk, sehingga tidak menghasilkan kehilangan arus eddy frekuensi tinggi seperti selongsong logam, sehingga menghindari kehilangan daya tambahan dan masalah pemanasan.
Ekspansi termal rendah – Serat karbon memiliki koefisien ekspansi termal yang rendah, memastikan stabilitas dimensi yang baik dalam kondisi pengoperasian suhu tinggi.
AKU AKU AKU. Rahasia Inti Anti-Retak: Pra Stres
Apakah menambahkan selongsong serat karbon berarti semuanya teratasi? Kurang tepat.
Poin utamanya adalah selongsong dan magnet permanen mengalami pemuaian radial akibat gaya sentrifugal selama putaran kecepatan tinggi. Jika selongsong tersebut hanya 'dipasang' di atas magnet, akan muncul celah di antara keduanya – karena deformasi radial selongsong sering kali lebih besar daripada deformasi radial magnet. Setelah celah terbentuk, selongsong kehilangan batasannya pada magnet, dan baja magnet masih akan retak.
Solusinya adalah dengan menerapkan “pratekanan” terus menerus pada magnet permanen.
Dengan menciptakan kecocokan interferensi antara selongsong dan magnet (yaitu, diameter bagian dalam selongsong sedikit lebih kecil dari diameter luar magnet), selongsong bertindak seperti 'setelan ketat' yang membungkus magnet dengan erat, menerapkan tegangan tekan radial ke dalam. Ketika rotor berputar dengan kecepatan tinggi, tegangan awal ini secara efektif melawan tegangan tarik yang disebabkan oleh gaya sentrifugal.
Penelitian menunjukkan bahwa ketika interferensi mencapai lebih dari 0,10 mm, tegangan sentrifugal maksimum pada magnet permanen dapat dikurangi dari lebih dari 160 MPa menjadi di bawah 70 MPa, jauh di bawah batas kekuatannya. Dalam kondisi ekstrim (misalnya, suhu tinggi 200 °C ditambah putaran kecepatan berlebih), meskipun tegangan lingkaran pada selongsong serat karbon dapat meningkat hingga di atas 1000 MPa, masih terdapat batas keamanan yang memadai dibandingkan dengan batas kekuatan bahan serat karbon sebesar 1400 MPa.
IV. Bagaimana Mencapai Pra-stres? Dua Rute Proses
Saat ini, ada dua metode utama untuk mencapai pratekan pada selongsong serat karbon:
Rute 1: Majelis Interferensi
Selongsong serat karbon diproduksi secara terpisah dan kemudian dipasang ke rotor dengan pemasangan termal atau dingin. Misalnya, mendinginkan rotor hingga –190 °C memungkinkan selongsong digeser dengan gaya aksial yang sangat kecil; sebagai alternatif, metode pemasangan tekan aksial dengan gaya tekan hingga 25 kN dapat digunakan.
Namun metode ini memiliki kelemahan: serat karbon rapuh dan memiliki ketangguhan yang buruk, sehingga rentan terhadap kerusakan dan retak selama perakitan interferensi. Selain itu, proses perakitannya rumit dan pengendalian interferensinya sulit.
Rute 2: Belitan Tegangan Tinggi (solusi yang lebih baik)
Serat karbon dililitkan langsung ke permukaan rotor, dan selama proses penggulungan, tegangan tinggi diterapkan pada penarik serat, membuat setiap lapisan serat membungkus erat permukaan magnet permanen.
Kehalusan metode ini adalah bahwa proses penggulungan itu sendiri merupakan proses penerapan pratekanan . Dengan mengontrol tegangan serat, medan pratekan yang diinginkan dapat diterapkan pada selongsong, menggantikan metode interferensi mekanis tradisional.
V. Proses Penggulungan Serat Karbon SDM
Di bidang rotor motor berkecepatan tinggi levitasi magnetik, Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. telah menguasai proses penggulungan serat karbon yang matang . Fitur teknisnya terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut:
Teknologi belitan melingkar tegangan tinggi. SDM mengadopsi rute proses penggulungan langsung serat karbon secara melingkar ke permukaan rotor. Dengan mengontrol secara tepat tegangan yang diterapkan pada penarik serat karbon selama penggulungan, lapisan serat akan menyatu dengan permukaan luar magnet permanen. Proses ini secara bersamaan memberikan gaya pra-pengetatan yang diperlukan pada magnet saat membuat selongsong, menghindari risiko retak dan kesulitan perakitan yang terkait dengan perakitan interferensi tradisional.
Kontrol jadwal ketegangan yang tepat. Proses SDM secara fleksibel menggunakan mode kontrol tegangan yang berbeda sesuai dengan berbagai kebutuhan pengoperasian. Untuk memenuhi kebutuhan distribusi tegangan yang berbeda – seperti “bagian dalam lebih longgar, bagian luar lebih rapat” atau “bagian dalam lebih rapat, bagian luar lebih longgar” – mereka dapat memilih mode tegangan konstan, torsi konstan, atau tegangan tirus. Dengan mengontrol tegangan belitan lapis demi lapis, tegangan sisa pada lapisan serat dapat didistribusikan secara merata ke keadaan ideal.
Verifikasi kuantitatif kekuatan pra-pengetatan. SDM telah membuat loop tertutup teknis yang lengkap, mulai dari penghitungan teoretis hingga simulasi elemen hingga, dan terakhir hingga verifikasi eksperimental. Untuk gaya pra-pengetatan yang dihasilkan oleh lilitan selongsong serat karbon tegangan tinggi pada magnet permanen, kesalahan rata-rata antara hasil pengujian eksperimen dan perhitungan analitis adalah 8,56%, dan kesalahan rata-rata relatif terhadap simulasi elemen hingga adalah 7,88% – tingkat akurasi ini sepenuhnya menjamin keandalan desain pratekan.
Kemampuan proses penuh yang terintegrasi. Dari pemilihan bahan serat karbon, desain struktural, dan desain elektromagnetik hingga proses perakitan cetakan, pembuatan peralatan, serta inspeksi dan pengujian, SDM memiliki kemampuan teknis yang lengkap. Perusahaan ini berkantor pusat di Hangzhou dan memiliki tata letak perdagangan industri yang terintegrasi, memungkinkannya menyediakan solusi rantai lengkap kepada pelanggan mulai dari magnet hingga rakitan rotor.
Justru dengan proses penggulungan serat karbon yang disempurnakan inilah rotor motor levitasi magnetik berkecepatan tinggi milik SDM dapat secara efektif mencegah retaknya baja magnet dalam kondisi sentrifugal berkecepatan tinggi, memastikan pengoperasian rotor yang aman, stabil, dan andal dalam kondisi yang menuntut puluhan ribu putaran per menit.
