I. Il 'Test di sopravvivenza' con rotazione ad alta velocità
I motori a levitazione magnetica, con i loro vantaggi di funzionamento senza contatto, alta efficienza e velocità di rotazione estremamente elevate, vengono sempre più adottati in apparecchiature di fascia alta come soffianti industriali, compressori e volani di accumulo di energia. Tuttavia, quando la velocità di rotazione raggiunge le decine di migliaia di giri al minuto o anche di più, i magneti permanenti del rotore vengono sottoposti ad un severo 'test di sopravvivenza'.
Dove sta il problema?
I motori a levitazione magnetica utilizzano comunemente NdFeB sinterizzato come materiale magnetico permanente. Sebbene NdFeB offra eccellenti proprietà magnetiche – tra cui un prodotto di energia magnetica e una coercività molto elevate – ha un punto debole critico: la sua resistenza alla compressione è di gran lunga maggiore della sua resistenza alla trazione . Il NdFeB sinterizzato, prodotto tramite metallurgia delle polveri, ha tipicamente una resistenza alla trazione non superiore a 80 MPa. Ad alte velocità, la forza centrifuga genera uno stress di trazione significativo all'interno del magnete permanente: in condizioni operative di 18.000 giri/min, lo stress centrifugo nel NdFeB può superare i 160 MPa, quasi il doppio del proprio limite di forza.
È come una corda fatta di un materiale fragile: resiste alla compressione senza problemi, ma si rompe facilmente sotto tensione. Quando il motore ruota ad alta velocità, i magneti permanenti sono soggetti a forze di trazione mentre vengono 'lanciati verso l'esterno'. Una volta superato il limite, l'acciaio del magnete si spezzerà, si frantumerà o addirittura farà scoppiare il rotore.
II. Custodia in fibra di carbonio: una 'armatura resistente' per l'acciaio magnetico
Come possiamo proteggere i fragili magneti permanenti dalle rotture sotto la forza centrifuga? La soluzione più efficace oggi disponibile è quella di aggiungere un manicotto in fibra di carbonio sopra i magneti permanenti.
La fibra di carbonio ha una resistenza alla trazione di oltre 5000 MPa, superando di gran lunga il limite di resistenza del NdFeB. Ancora più importante, rispetto ai tradizionali manicotti metallici come la lega di titanio, il manicotto in fibra di carbonio offre tre vantaggi principali:
Leggero ed elevata resistenza – La resistenza specifica (rapporto resistenza/densità) della fibra di carbonio è molto superiore a quella dei metalli, quindi un materiale più sottile e leggero può fornire una resistenza protettiva sufficiente.
Nessuna perdita di correnti parassite : la fibra di carbonio è un cattivo conduttore, quindi non genera perdite di correnti parassite ad alta frequenza come i manicotti metallici, evitando così ulteriori perdite di potenza e problemi di riscaldamento.
Bassa espansione termica – La fibra di carbonio ha un basso coefficiente di espansione termica, garantendo una buona stabilità dimensionale in condizioni operative ad alta temperatura.
III. Il segreto principale dell'anti-cracking: il pre-stress
Aggiungere una manica in fibra di carbonio significa che tutto è risolto? Non proprio.
Il punto chiave è che sia il manicotto che i magneti permanenti subiscono un'espansione radiale dovuta alla forza centrifuga durante la rotazione ad alta velocità. Se il manicotto viene semplicemente 'montato' sopra i magneti, tra loro si formerà uno spazio vuoto, perché la deformazione radiale del manicotto è spesso maggiore di quella dei magneti. Una volta che si forma uno spazio vuoto, il manicotto perde il suo vincolo sui magneti e l'acciaio del magnete continuerà a rompersi.
La soluzione è applicare un 'pre-stress' continuo ai magneti permanenti.
Creando un'interferenza tra il manicotto e i magneti (ovvero, il diametro interno del manicotto è leggermente più piccolo del diametro esterno dei magneti), il manicotto agisce come una 'tuta attillata' che avvolge strettamente i magneti, applicando uno stress di compressione radiale verso l'interno. Quando il rotore ruota ad alta velocità, questa pretensione contrasta efficacemente la sollecitazione di trazione causata dalla forza centrifuga.
La ricerca mostra che quando l'interferenza raggiunge più di 0,10 mm, la massima sollecitazione centrifuga nei magneti permanenti può essere ridotta da oltre 160 MPa a meno di 70 MPa, ben al di sotto del loro limite di forza. In condizioni estreme (ad esempio, temperatura elevata di 200 °C più rotazione eccessiva), sebbene la sollecitazione circolare nel manicotto in fibra di carbonio possa aumentare fino a oltre 1.000 MPa, esiste ancora un margine di sicurezza sufficiente rispetto al limite di resistenza del materiale in fibra di carbonio di 1.400 MPa.
IV. Come raggiungere il pre-stress? Due percorsi di processo
Attualmente, esistono due metodi principali per ottenere la pretensione in un manicotto in fibra di carbonio:
Percorso 1: Assemblea di interferenza
Il manicotto in fibra di carbonio viene prodotto separatamente e poi assemblato sul rotore mediante raccordo termico o a freddo. Ad esempio, il raffreddamento del rotore a –190 °C consente di far scorrere il manicotto con una forza assiale minima; in alternativa è possibile utilizzare il metodo di pressfitting assiale con una forza di pressatura fino a 25 kN.
Tuttavia, questo metodo presenta degli inconvenienti: la fibra di carbonio è fragile e ha scarsa tenacità, rendendola soggetta a danni e crepe durante l’assemblaggio con interferenza. Inoltre, il processo di assemblaggio è complesso e il controllo delle interferenze è difficile.
Itinerario 2: Avvolgimento ad alta tensione (la soluzione migliore)
La fibra di carbonio viene avvolta direttamente sulla superficie del rotore e durante il processo di avvolgimento viene applicata un'elevata tensione ai fasci di fibre, facendo sì che ogni strato di fibra avvolga strettamente la superficie del magnete permanente.
La sottigliezza di questo metodo è che il processo di avvolgimento stesso è il processo di applicazione della pretensione . Controllando la tensione delle fibre, è possibile imporre al manicotto il campo di precompressione desiderato, sostituendo il tradizionale metodo di interferenza meccanica.
V. Processo di avvolgimento della fibra di carbonio di SDM
Nel campo dei rotori dei motori ad alta velocità a levitazione magnetica, Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. ha padroneggiato un processo di avvolgimento in fibra di carbonio maturo . Le sue caratteristiche tecniche si riflettono principalmente nei seguenti aspetti:
Tecnologia di avvolgimento circonferenziale ad alta tensione. SDM adotta il percorso del processo di avvolgimento diretto della fibra di carbonio circonferenzialmente sulla superficie del rotore. Controllando con precisione la tensione applicata ai fasci di fibra di carbonio durante l'avvolgimento, gli strati di fibra si adattano perfettamente alla superficie esterna dei magneti permanenti. Questo processo fornisce contemporaneamente la forza di pre-serraggio richiesta ai magneti durante la fabbricazione del manicotto, evitando i rischi di crepe e le difficoltà di assemblaggio associati al tradizionale assemblaggio con interferenza.
Controllo preciso del programma di tensione. Il processo di SDM impiega in modo flessibile diverse modalità di controllo della tensione in base alle varie esigenze operative. Per soddisfare le diverse esigenze di distribuzione delle sollecitazioni, ad esempio 'più allentato all'interno, più stretto all'esterno' o 'più stretto all'interno, più allentato all'esterno', possono scegliere le modalità di avvolgimento a tensione costante, coppia costante o tensione conica. Controllando la tensione dell'avvolgimento strato per strato, la tensione residua negli strati di fibra può essere distribuita uniformemente in uno stato ideale.
Verifica quantitativa della forza di pre-serraggio. SDM ha stabilito un ciclo chiuso tecnico completo, dal calcolo teorico alla simulazione degli elementi finiti e infine alla verifica sperimentale. Per la forza di pre-serraggio generata dal manicotto in fibra di carbonio avvolto ad alta tensione sui magneti permanenti, l'errore medio tra i risultati dei test sperimentali e i calcoli analitici è dell'8,56% e l'errore medio relativo alla simulazione degli elementi finiti è del 7,88%: questo livello di precisione garantisce pienamente l'affidabilità del progetto di pre-tensione.
Funzionalità integrata dell'intero processo. Dalla selezione dei materiali in fibra di carbonio, alla progettazione strutturale e alla progettazione elettromagnetica fino ai processi di assemblaggio di stampaggio, produzione di apparecchiature, ispezione e test, SDM possiede una capacità tecnica completa. L'azienda ha sede a Hangzhou e dispone di un layout integrato per il commercio industriale, che le consente di fornire ai clienti una soluzione a catena completa, dai magneti ai gruppi rotore.
È proprio con questo raffinato processo di avvolgimento in fibra di carbonio che i rotori dei motori ad alta velocità a levitazione magnetica di SDM possono prevenire efficacemente la rottura dell'acciaio del magnete in condizioni centrifughe ad alta velocità, garantendo un funzionamento sicuro, stabile e affidabile del rotore nelle condizioni impegnative di decine di migliaia di giri al minuto.
