I. 高速回転下での「生存テスト」
磁気浮上モーターは、非接触操作、高効率、極めて高い回転速度という利点を備え、産業用送風機、コンプレッサー、エネルギー貯蔵フライホイールなどのハイエンド機器に採用されることが増えています。しかし、回転速度が毎分数万回転以上になると、ローターの永久磁石は厳しい「耐久テスト」を受けます。
問題はどこにあるのでしょうか?
磁気浮上モーターは通常、永久磁石材料として焼結 NdFeB を使用します。 NdFeB は、非常に高い磁気エネルギー積や保磁力など、優れた磁気特性を備えていますが、重大な弱点があります。それは、 圧縮強度が引張強度よりもはるかに大きいということです。粉末冶金によって製造される焼結 NdFeB の引張強度は、通常 80 MPa 以下です。高速では、遠心力によって永久磁石内部に大きな引張応力が発生します。18,000 rpm の動作条件下では、NdFeB の遠心応力は 160 MPa を超える可能性があり、 これは自身の強度限界のほぼ 2 倍です.
これは脆い素材で作られたロープのようなものです。圧縮には問題なく耐えられますが、張力がかかると簡単に切れてしまいます。モーターが高速で回転すると、永久磁石は「外側に投げ出される」ときに引張力を受けます。限界を超えると、磁石鋼に亀裂が入ったり、粉々になったり、場合によってはローターが破裂したりすることがあります。
II.カーボンファイバースリーブ: マグネットスチールの「タイトアーマー」
壊れやすい永久磁石を遠心力による亀裂から守るにはどうすればよいでしょうか?現在利用可能な最も効果的な解決策は、 カーボンファイバーのスリーブを追加することです。 永久磁石の上に
カーボンファイバーの引張強度は5000MPaを超え、NdFeBの強度限界をはるかに超えています。さらに重要なのは、チタン合金などの従来の金属スリーブと比較して、カーボンファイバースリーブには 3 つの大きな利点があります。
軽量かつ高強度 – カーボンファイバーの比強度（強度対密度比）は金属よりもはるかに高いため、より薄くて軽い素材でも十分な保護強度を提供できます。
渦電流損失なし – カーボンファイバーは導体として劣るため、金属スリーブのような高周波渦電流損失が発生しないため、追加の電力損失や発熱の問題が回避されます。
低熱膨張 – カーボンファイバーは熱膨張係数が低いため、高温動作条件下でも優れた寸法安定性を確保します。
Ⅲ．亀裂防止の核となる秘密: プレストレス
カーボンファイバースリーブを追加すれば、すべてが解決するということでしょうか?完全ではありません。
重要な点は、高速回転時に遠心力によりスリーブと永久磁石の両方が径方向に膨張することです。スリーブを単に磁石の上に「取り付ける」だけでは、スリーブの半径方向の変形が磁石の半径方向の変形よりも大きいことが多いため、それらの間に隙間が生じます。ギャップが形成されると、スリーブは磁石に対する拘束を失い、磁石鋼には依然として亀裂が入ります。
解決策は、永久磁石に継続的な「プレストレス」を適用することです。
スリーブと磁石の間に締まり嵌めを作成することにより (つまり、スリーブの内径が磁石の外径よりわずかに小さい)、スリーブは磁石の周りをしっかりと包み込む「タイト スーツ」のように機能し、半径方向内向きの圧縮応力を加えます。ローターが高速で回転すると、このプレストレスが 遠心力によって生じる引張応力を効果的に打ち消します。.
研究によると、しめしろが 0.10 mm 以上に達すると、永久磁石の最大遠心応力が 160 MPa 以上から 70 MPa 未満まで、強度限界を大幅に下回るまで減少することが示されています。極端な条件下（例: 200 °C の高温と過速度回転）では、カーボンファイバースリーブのフープ応力が 1000 MPa を超えて上昇する可能性がありますが、カーボンファイバー素材の強度限界である 1400 MPa に対しては十分な安全マージンがまだあります。
IV.プレストレスを達成するにはどうすればよいですか? 2つのプロセスルート
現在、カーボンファイバースリーブにプレストレスを与えるには 2 つの主流の方法があります。
ルート 1: 干渉アセンブリ
カーボンファイバースリーブは個別に製造され、熱嵌合または冷間嵌合によってローターに取り付けられます。たとえば、ローターを –190 °C に冷却すると、非常に小さな軸力でスリーブをスライドさせることができます。あるいは、最大 25 kN の押圧力で軸方向に圧入する方法も使用できます。
ただし、この方法には欠点があります。カーボンファイバーは脆くて靭性に劣るため、干渉組み立て中に損傷や亀裂が発生しやすくなります。また、組立工程が複雑で干渉制御が難しい。
ルート 2: 高圧巻線 (より良い解決策)
カーボンファイバーはローター表面に直接巻き付けられており、巻き取りプロセス中にファイバートウに 高い張力 がかかり、ファイバーの各層が永久磁石の表面にしっかりと巻きつきます。
この方法の微妙な点は、 巻線プロセス自体がプレストレス適用プロセスであることです。ファイバーの張力を制御することで、従来の機械的干渉法に代わって、スリーブに所望のプレストレス場を加えることができます。
V. SDMのカーボンファイバー巻き取り工程
磁気浮上高速モーターローターの分野では、 杭州 SDM マグネティックス有限公司は成熟した を習得しました カーボンファイバー巻線プロセス。その技術的特徴は主に次の側面に反映されています。
ハイテンション全周巻き技術。 SDMはローター表面にカーボン繊維を直接周方向に巻き付ける加工ルートを採用。巻き取り中に炭素繊維トウにかかる張力を正確に制御することにより、繊維層が永久磁石の外面にしっかりと適合します。このプロセスは、スリーブの製造中に必要な事前締め付け力を磁石に同時に提供し、従来の干渉組み立てに伴う亀裂のリスクや組み立ての困難を回避します。
正確な張力スケジュール制御。 SDM のプロセスは、さまざまな動作要件に応じて、さまざまな張力制御モードを柔軟に採用します。 「内側は緩く、外側はきつく」または「内側はきつく、外側は緩め」など、さまざまな応力分布のニーズを満たすために、一定張力、一定トルク、またはテーパー張力巻線モードを選択できます。巻取り張力を層ごとに制御することで、繊維層内の残留応力を理想的な状態に均一に分散させることができます。
仮締め力を定量的に検証。 SDM は、理論計算から有限要素シミュレーション、そして最終的には実験検証に至る、完全な技術的な閉ループを確立しました。永久磁石に高圧で巻かれたカーボンファイバースリーブによって生成される予締め付け力の場合、実験的テスト結果と解析計算の間の平均誤差は 8.56%、有限要素シミュレーションに対する平均誤差は 7.88% です。このレベルの精度により、予応力設計の信頼性が完全に保証されます。
統合されたフルプロセス機能。 SDMは炭素繊維の材料選定、構造設計、電磁設計から成形組立工程、装置製造、検査・試験までの一貫した技術力を有しています。同社は杭州に本社を置き、業界貿易を統合したレイアウトを採用しており、磁石からローターアセンブリまでのフルチェーンソリューションを顧客に提供できます。
SDM の磁気浮上高速モーターローターは、まさにこの洗練されたカーボンファイバー巻線プロセスによって、高速遠心条件下での磁石鋼の亀裂を効果的に防止し、毎分数万回転という厳しい条件下でのローターの安全、安定、信頼性の高い動作を保証します。
