Үрлегіштер, ауа компрессорлары және тоңазытқыш компрессорлары сияқты жоғары сапалы айналмалы машиналар әлемінде магнитті мойынтіректері бар жоғары жылдамдықты қозғалтқыштар нағыз 'майсыз революция' жүргізеді. Беріліс қорабы, механикалық үйкеліс жоқ, майлау майы жоқ. Айналмалы ядроның жалғыз құрамдас бөлігі магнит өрісінде көтеріледі және минутына ондаған мың айналым жылдамдығына жете алады. Дегенмен, мұндай күрделі жүйенің жылдам әрі тұрақты жұмыс істеуі үшін үш маңызды параметрдің сәйкестігі - жылдамдық, қуат және ұстағыш гильза - өте маңызды. Магниттік мойынтіректерді / жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторларын таңдау логикасын және негізгі ойларды жүйелі түрде зерттейік.
I. Біріншіден, магниттік мойынтірек / жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторының не екенін түсініңіз
Магниттік мойынтірек (сондай-ақ магниттік мойынтірек деп аталады) ротордың контактісіз көтерілуіне қол жеткізу үшін басқарылатын электромагниттік күшті пайдаланатын жоғары өнімді тірек құрылғысы болып табылады. Ол дәстүрлі шарикті мойынтіректерден, жылжымалы мойынтіректерден және майлы пленкалы мойынтіректерден түбегейлі ерекшеленеді: магниттік мойынтіректер нөлдік контакті және нөлдік үйкеліспен тұрақты ротордың көтерілуіне қол жеткізу үшін датчиктермен және жабық контурлы басқару жүйесімен бірге электромагниттік күшті пайдаланады.
Магниттік мойынтірек қозғалтқышының ішінде бірнеше орын ауыстыру сенсорлары ротордың радиалды және осьтік позицияларын нақты уақытта бақылайды. Контроллер орын ауыстыру сигналдарын өңдейді және магниттік мойынтіректердің катушкаларына басқару токтарын жібереді, роторды үнемі көтеріп тұратын электромагниттік күштерді тудырады. Бұл кезде ротордың басқа құрамдас бөліктерімен байланысы болмайды. Контроллер одан әрі статорға жиілікпен басқарылатын ток береді, бұл роторды жоғары жылдамдықпен айналдыруға әкелетін айналмалы магнит өрісін шығарады.
Бұл технология көптеген бұзатын артықшылықтар береді: үйкеліс жоқ, майланбайды, нөлдік тозу, 100% майсыз жұмыс істеуге мүмкіндік береді . Дәстүрлі беріліс жетек жүйелерімен салыстырғанда ол жоғары жылдамдықты, ұзағырақ қызмет ету мерзімін және техникалық қызмет көрсету шығындарын азайтады. Желдеткіш пен компрессор қолданбаларында орам көлемі 60-70%-ға қысқаруы мүмкін, ал энергияны үнемдеу 30%-дан асады. Дәл осы артықшылықтар қоршаған ортаны қорғауда, қорғаныста, аэроғарыш өнеркәсібінде, азық-түлік және фармацевтикалық өңдеуде және маховиктің энергиясын сақтауда магнитті мойынтіректері бар жоғары жылдамдықты қозғалтқыштарды кеңінен қолдануды ынталандырады.
II. Жылдамдық: дұрыс жылдамдық қаншалықты жылдам?
2.1 «Төбенің» жылдамдығы қандай?
Магниттік мойынтіректер технологиясының арқасында ротордың жылдамдығы механикалық мойынтіректердің физикалық шектеулерімен шектелмейді. Бүгінгі таңда магнитті мойынтіректері бар жоғары жылдамдықты қозғалтқыштардың жұмыс жылдамдығының диапазоны өте кең: шағын қуатты машиналар 30 000-нан 50 000 айн / мин дейін жетуі мүмкін; орташа қуатты машиналар (жүздеген киловатт) әдетте 15 000 - 30 000 айн / мин диапазонында жұмыс істейді; және жоғары қуатты машиналар (мегаватт класы) әдетте 10 000 және 20 000 айн / мин аралығында жұмыс істейді. Мысалы, CRRC Yongji Electric әзірлеген магнитті мойынтіректері бар үрлегіш жетек қозғалтқышы 22 000 айн / мин жылдамдыққа жетеді, ал CompAir Quantima магнитті мойынтіректері бар орталықтан тепкіш ауа компрессоры 60 000 айн / мин дейін жұмыс істейді.
2.2 Критикалық жылдамдық – таңдаудағы ең оңай тұзақ
Жоғары жылдамдық әрқашан жақсы емес. Таңдау кезінде негізгі ұғымға ерекше назар аудару керек: сыни жылдамдық . Ротордың айналу жылдамдығы белгілі бір мәнге жеткенде, орталықтан тепкіш күш қатты бүйірлік тербелістерді қоздырады және амплитудасы күрт артады — бұл 'критикалық жылдамдық'. Егер жұмыс жылдамдығы критикалық жылдамдықпен сәйкес келсе немесе оған тым жақын болса, резонанс пайда болады, бұл біліктің сынуына және істен шығуына әкелуі мүмкін.
Сондықтан ротордың дыбыстық дизайны жұмыс жылдамдығының сыни жылдамдықтың барлық реттерінен алыс болуын қамтамасыз етуі керек . Инженерлік тәжірибеде ротордың бірінші иілу сыни жылдамдығы әдетте барлық жұмыс ауқымында сәйкес қауіпсіздік маржасын сақтау үшін максималды жұмыс жылдамдығынан («субкритикалық дизайн») айтарлықтай жоғары болуы талап етіледі. Магниттік мойынтіректердің бір роторының талдауы оның бірінші иілу сыни жылдамдығы 57 595 айн/мин екенін көрсетті, бұл 30 000 айн/мин жұмыс жылдамдығынан әлдеқайда жоғары, бұл қауіпсіз және сенімді дизайнды растайды. Магниттік мойынтіректердің тірек қаттылығы сыни жылдамдыққа да әсер етеді: жоғары қаттылық қатты дене режимдерімен байланысты сыни жылдамдықтарды арттырады, бірақ иілу режимдеріне салыстырмалы түрде қарапайым әсер етеді.
2.3 Сызықтық жылдамдық—басқа критерий
Айналым/минут санынан басқа, ротордың механикалық жүктеме шегін нақты анықтайтын нәрсе сызықтық жылдамдық болып табылады . Сызықтық жылдамдық = π × ротордың сыртқы диаметрі × айналу жылдамдығы. Ол тұрақты магнит пен тіреуіш жең төзе алатын орталықтан тепкіш күштің шамасын тікелей басқарады. Таңдау кезінде тек 'ол қаншалықты жылдам айналады' дегенге назар аудармаңыз; әрқашан ротор диаметрімен бірге алынған сызықтық жылдамдықтың материалды және құрылымдық шектеулер шегінде қауіпсіз жатуын бағалаңыз.
III. Қуат: кішіден үлкенге дейін қалай таңдауға болады?
3.1 Номиналды қуат қандай жылдамдық пен жұмыс жағдайларына сәйкес келеді?
Магнитті мойынтіректері бар жоғары жылдамдықты қозғалтқыштар өте кең қуат спектрін қамтиды, шағын үрлегіштерге арналған бірнеше ондаған киловатттан мегаватт класындағы үлкен компрессорлық пойыздарға дейін, барлығының дәлелденген шешімдері бар. Қуатты таңдаудың кілті қолданба талап ететін ағын жылдамдығын және қысымды (немесе қысымды) нақты анықтау болып табылады.
Мысал ретінде үрлеу құрылғысын алатын болсақ, магниттік мойынтірек қозғалтқышының белгілі бір үлгісі үрлегіш сипаттамаларына сәйкес жобаланған, ротордың электромагниттік схемасы да, сәйкесінше магниттік мойынтіректердің параметрлері де анықталған. Ауа компрессоры секторында Honglu Technology компаниясы 1 МВт магнитті мойынтіректері бар орталықтан тепкіш ауа компрессорын – Қытайдағы бірінші мегаватт класындағы магнитті подшипникті ауа компрессорын – шынымен 100% майсыз жұмыс істеуге қол жеткізді.
3.2 Қуат-жылдамдықты сәйкестендіру ережесі
Берілген момент үшін қозғалтқыштың шығыс қуаты жылдамдыққа пропорционалды - бұл жоғары жылдамдықты конструкциялардың негізгі қозғаушы күші. Дегенмен, жоғары қуат ротордың тоғының көбірек жүктелуін білдіреді, бұл құйынды ток жоғалтулары мен термиялық проблемаларды тудырады.
Жалпы нұсқаулық ретінде: Шағын қуатты (≤100 кВт) шағын компрессорлар, вакуумдық сорғылар және т.б. үшін жоғары жылдамдықпен (40 000–60 000 айн/мин) жұптастыруға болады. Орташа қуат (100–500 кВт) жиі 15 000–30 000 айн/мин, үрлегіштер үшін жұпталады. кВт) әдетте ірі өнеркәсіптік ауа компрессорлары мен технологиялық компрессорлар үшін 10 000–20 000 айн/мин бақыланатын жылдамдықтарға ие. Мегаватт класындағы машиналар ротордың беріктігі мен жүйе тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін жылдамдықты одан әрі төмендетеді.
3.3 Тиімділік индексі
Олар механикалық үйкеліс шығындарын жояды, магнитті мойынтіректері бар жоғары жылдамдықты қозғалтқыштар әдетте өте жоғары жүйе тиімділігін көрсетеді. CRRC Yongji Electric өнімдері ≥96% тиімділікке жетуі мүмкін және ауыспалы жиілікте жұмыс істегенде, дәстүрлі Roots үрлегіштерімен салыстырғанда энергияны 30%-ға дейін үнемдеуге қол жеткізе алады. Таңдау кезінде жеткізушіден анықтама ретінде номиналды жағдайларда тиімділік қисығын беруін сұрауға болады.
IV. Бекіткіш жең: Ротордың 'Қауіпсіздік белдігі' қалай сәйкестендіріледі?
Бұл таңдау процесінің ең оңай еленбейтін, бірақ ең маңызды бөлігі. Тұрақты магнитті материалдардың (мысалы, агломерленген NdFeB) «Ахиллес өкшесі» бар: олар өте жоғары қысу беріктігін ұсынады, бірақ қысу беріктігінің тек оннан бір бөлігін құрайтын созылу беріктігін ұсынады (әдетте ≤80 МПа). Жоғары жылдамдықпен айналу кезінде орасан зор орталықтан тепкіш күш тұрақты магнитте үлкен созылу кернеуін тудырады. Қорғаныс болмаса, магнит бұзылады.
Сондықтан тұрақты магниттің сыртқы бетіне беріктігі жоғары қорғаныс гильзасын (ұстағыш жең) орнату керек. Манжет пен магнит арасындағы интерференциялық қондыру арқылы магнитке жоғары жылдамдықпен айналу кезінде центрден тепкіш күш әсерінен туындайтын созылу кернеуінің орнын толтыратын белгілі бір қысу алдындағы кернеу қолданылады.
4.1 Үш ұстағыш жең материалдарын бір-бірімен салыстыру
Қазіргі инженерлік тәжірибеде үш тіреуіш материал басым: суперқорытпа, титан қорытпасы және көміртекті талшықпен күшейтілген композит.
Суперқорытпа (мысалы, GH4169) : Жоғары серпімділік модулі, бірдей өлшемдер мен кедергілерді орнату үшін үлкен алдын ала кернеуді тудырады; жинақтауды жеңілдететін және кедергіні дәл бақылауға мүмкіндік беретін шөгілетін арматура кезінде температураны төмендетуге мүмкіндік беретін үлкен термиялық кеңею коэффициенті. Кемшілігі - жоғары тығыздық пен өлі салмақ, бұл үлкен өздігінен индукцияланған центрифугалық күшке әкеледі. Сонымен қатар, ол ротордың қатты қызуын тудыруы мүмкін жоғары жиілікті құйынды ток шығындарын тудырады. 300 кВт, 15 000 айн/мин қозғалтқышты модельдеу зерттеуі де болат қорытпасының жеңінің астында қозғалтқыштың елеулі жылу мәселелеріне тап болатынын растады.
Титан қорытпасы (мысалы, TC4) : Төмен тығыздық, сондықтан гильзаның центрифугалық жүктемесі аз; жылу кеңеюінің төмен коэффициенті, яғни ротор қызған кезде гильзаның тұрақты магнитке қысымы шын мәнінде артып, кез келген 'термиялық қопсыту' тенденциясын жояды. Дегенмен, TC4 титан қорытпасы көміртекті талшыққа қарағанда үлкен бастапқы кедергіні қажет етеді.
Көміртекті талшықты күшейтілген композит : ең жоғары беріктік пен салмақ арақатынасын ұсынады, сондықтан жеңді жұқа етіп жасауға болады. Көміртекті талшық негізінен электр өткізбейтін және айналу кезінде құйынды токтың жоғалуын тудырмайды. Кемшіліктер жылу өткізгіштігінің нашарлығы болып табылады, бұл магниттің жылу диссипациясына зиян келтіреді; күрделірек құрастыру процесі; кедергіні дәл бақылаудың қиындығы; және көміртекті талшықтың сынғыш материал екендігі, ол шөгілетін арматура кезінде зақымданулар пайда болуы мүмкін.
Таңдау ережесі : Жоғары жылдамдықты, шағын диаметрлі тұрақты магнит роторлары негізінен легірленген жеңдерді пайдаланады (металды шөгу процесі жетілген және сенімді); үлкен диаметрлі, жоғары сызықтық жылдамдықты тұрақты магнитті роторлар негізінен көміртекті талшықты жеңдерді пайдаланады (мұнда жеңіл салмақ, жоғары беріктік артықшылығы маңызды және жеңді жұқа етіп жасауға болады).
4.2 Жеңнің қалындығы және кедергінің сәйкестігі — дәл есептелуі керек екі сан
Қалың жең әрқашан жақсы емес, сонымен қатар жұқа жең міндетті түрде үнемді емес. Жеңнің қалыңдығы мен кедергі мөлшері бір-бірімен тығыз байланысты:
Жең тым қалың: ротордың жылу диссипациясын нашарлатады және гильзаның өзінен тепкіш жүктемені арттырады;
Жең тым жұқа: тұрақты магнитті шамадан тыс созылу кернеуі қаупінде қалдырып, тиісті қорғанысты қамтамасыз ете алмайды;
Кедергі тым үлкен: құрастыруды қиындатады және тіпті көміртекті талшықты материалдарды зақымдауы немесе жарып жіберуі мүмкін;
Кедергі тым аз: алдын ала кернеу жеткіліксіз және жоғары жылдамдықта қорғаныс істен шығуы мүмкін.
Мысал ретінде үлкен жоғары жылдамдықты тұрақты магнит қозғалтқышының роторын зерттеуді алсақ: тұрақты магниттің созылу кернеуінің беріктік талаптарына сәйкестігін қамтамасыз ету үшін 10 мм жеңге 1 мм-ден астам кедергі қажет; 12 мм жеңге шамамен 0,7–0,8 мм кедергі қажет; ал 14 мм жеңге тек 0,5–0,6 мм кедергі қажет.
Енді нақты дизайн жағдайын қараңыз: 200 кВт, 18 000 айн/мин тұрақты магнитті мойынтіректері бар қозғалтқыш роторы үшін, сайып келгенде, жең мен тұрақты магнит арасындағы 0,12 мм кедергісі бар, қабырғасының қалыңдығы 3 мм болатын көміртекті талшықты тірек жеңі қабылданды. Кедергі 0,1 мм-ден асқан кезде ротордың қауіпсіз жұмысына кепілдік берілді — көміртекті талшық қабатындағы максималды кернеу шамамен 284 МПа болды, бұл өз күшінің шегінен төмен болды және NdFeB магнитіндегі максималды кернеу де қауіпсіз диапазонға дейін төмендеді.
Төтенше жұмыс жағдайлары үшін кедергі дизайны температураның әсерін де ескеруі керек. 60 000 айн/мин жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторының талдауы жылдамдық пен температураның жоғарылауымен материалдың деформациясына байланысты гильза мен тұрақты магнит арасындағы нақты кедергі төмендейтінін көрсетті, жинақталған азаю 0,06–0,08 мм жетеді. Сондықтан жылу шығындарының орнын толтыру үшін адекватты бастапқы кедергі сақталуы керек. Жеңге арналған ең маңызды кернеу жағдайы әдетте мұқият тексерілуі керек 'суық айналу' корпусында болады.
4.3 Құйынды токтың жоғалуы — «Жасырын температура айырмашылығы» материалды таңдағанда елемеу мүмкін емес
Манжет материалын таңдау ротордың құйынды ток шығындарына да тікелей әсер етеді, бұл өз кезегінде магниттің жұмыс температурасына және магнитсіздену қаупіне әсер етеді. 55 кВт, 24 000 айн/мин жоғары жылдамдықты тұрақты магнитті қозғалтқышты зерттеу легирленген гильзаларды, көміртекті талшықтарды және көміртекті талшықтың композициялық ерітіндісін және мыс қорғаныс қабатын салыстырды. Нәтижелер мысдан қорғайтын қабаты бар композиттік схема барлық жағдайларда ең жақсы емес екенін көрсетті; ол жоғары ток гармоникалық мазмұны немесе жоғары электр жиілігі сияқты белгілі бір жағдайларда ғана құйынды токтың ең төменгі жалпы шығынын береді. Бұл жеңді түпкілікті таңдау нақты жұмыс жағдайының гармоникалық сипаттамаларын қамтитын жан-жақты салыстыруға негізделуі керек дегенді білдіреді — қарапайым эмпирикалық формулалар сынсыз қолданылмауы керек.
V. Speed-Power-Sleeve: сәйкес құрылым мен таңдау процесі
Жоғарыдағы үш параметрді біріктіру арқылы біз келесі сәйкестік шеңберін қорытындылай аламыз:
Жоғары жылдамдық + шағын және орташа қуат : Көміртекті талшықты жең бірінші таңдау болып табылады, оның жеңіл салмағын, жоғары беріктігін және құйынды ток жоғалуының болмауын пайдаланады; жылу диссипациясының дизайнына назар аудару керек.
Орташа жылдамдық + жоғары қуат : легирленген жеңдер (суперқорытпа немесе титан қорытпасы) жетілген және сенімдірек. Құйынды ток жоғалтулары үлкенірек болғанымен, олар жақсы жылу диссипациясын және басқарылатын құрастыру процестерін ұсынады.
Өте жоғары қуат (МВт класы) : Құрылымдық тұтастықты қамтамасыз ету үшін жиі жылдамдықты азайтуды талап етеді; жең шешімін модельдеу тексеруімен қолдау көрсетілетін интеграцияланған тәсіл арқылы таңдау керек.
Ұсынылатын таңдау ағыны:
Жұмыс жағдайын анықтаңыз : Ағын жылдамдығын, қысымды/қысымды, жұмыс ортасын және т.б. анықтаңыз және білікті біліктің қажетті қуатын есептеңіз.
Жылдамдық ауқымын таңдаңыз : Жүктеме сипаттамалары негізінде жұмыс жылдамдығы диапазонын орнатыңыз және критикалық жылдамдықты талдау арқылы резонанстық аймақтарды болдырмауға көз жеткізіңіз (Кэмпбелл диаграммасын пайдалану қажет).
Алдын ала ротор дизайны : Ротордың сыртқы диаметрін, тұрақты магнит өлшемдерін және құрылымдық пішінін (беткейге орнатылған/цилиндрлік/ішкі бөлікке орнатылған) анықтаңыз.
Бастапқы жең шешімі : Жылдамдық-диаметр комбинациясы (сызықтық жылдамдық) негізінде жең материалының түрін таңдаңыз және қажетті жең қалыңдығын және кедергісін есептеңіз.
FEA тексеруі : Барлық құрамдас бөліктердің қауіпсіздік шегінде болуын қамтамасыз ету үшін суық іске қосу, номиналды жұмыс, шектен тыс шамадан тыс жылдамдық және жоғары температура жағдайында кернеу талдауын және құйынды ток жоғалуын талдауды бөлек орындаңыз.
Сақтық мойынтіректердің конфигурациясы : Жүйені сенімді резервтік мойынтіректермен жабдықтауды ұмытпаңыз — олар электр қуатының өшуі немесе жүйенің дұрыс жұмыс істемеуі жағдайында ротор үшін 'қауіпсіздік жастығы' ретінде әрекет етеді. Оларды ротордың салмағына, жылдамдығына және әсер ету жүктемелеріне сәйкес таңдаңыз.
Эксперименттік тексеру : Соңында, прототипті динамикалық теңдестіру сынақтары және іске қосу эксперименттері арқылы есептеулердің дәлдігін растаңыз.
VI. Жалпы қате түсініктер және қателіктерден аулақ болу
1-қате түсінік: 'Жоғары жылдамдық әрқашан жақсы'
Магниттік мойынтіректер шынымен механикалық мойынтіректердің жылдамдық шектеулерін алып тастаса да, ротордың маңызды жылдамдықтары мен материалдың беріктігі әлі де физикалық жоғарғы шектерді қояды. Критикалық жылдамдықты тексерусіз жоғары жылдамдықты соқырлықпен орындау әдеттен тыс дірілге және ең нашар жағдайда біліктің сынуына әкелуі мүмкін.
2-жаңа түсінік: 'Қалың жең әрқашан қауіпсіз'
Тым қалың жең өзінің орталықтан тепкіш жүктемесін арттырады және жылуды таратуға кедергі келтіреді; тым үлкен кедергі көміртекті талшықты крекингке немесе құрастыру сәтсіздігіне әкелуі мүмкін. Оңтайлы мәндерді нақты СЭҚ есептеулері арқылы анықтау керек.
3-жаңа түсінік: 'Көміртекті талшық әрқашан қорытпадан жоғары'
Көміртекті талшықтардың жеңдері құйынды ток жоғалтпайды және жеңіл және күшті болғанымен, олар жылуды нашар таратады және күрделі өңдеуден зардап шегеді. Жақсы салқындату жағдайлары бар және құрастырудың қарапайымдылығы маңызды болып табылатын қолданбалар үшін легірленген жең жиі прагматикалық таңдау болып табылады. Ешқандай материал әмбебап 'жақсы' емес - бұл оның нақты жұмыс жағдайларына сәйкес келетін-келмейтіні туралы ғана.
4-қате түсінік: 'Сіз жай ғана эмпирикалық кедергі мәнін пайдалана аласыз'
Әрбір ротор өлшемдердің, жылдамдықтың және материалдардың бірегей комбинациясы бар. Кедергі әрбір жағдайда аналитикалық есептеулер және СЭҚ модельдеу арқылы анықталуы керек. Басқа жобадан 'эмпирикалық мәнді' соқыр түрде көшіру жеткіліксіз қорғанысқа немесе құрастыру сәтсіздігіне әкеледі.
Магниттік мойынтіректерді / жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторын таңдау - көптеген параметрлерді үйлестірілген оңтайландыруды қажет ететін жүйелі инженерлік тапсырма. Жылдамдық жабдықтың жоғарғы өнімділік шекарасын анықтайды, қуат қолдану ауқымын анықтайды, ал тірек жең жүйенің қауіпсіздік негізін белгілейді. Бұл үш фактор бірін-бірі шектейді және шарттайды; ғылыми есептеулер мен модельдеу арқылы оңтайлы тепе-теңдікті анықтау арқылы ғана магниттік мойынтірек технологиясы өзінің бірегей артықшылықтарын «нөлдік үйкеліс, жоғары жылдамдық және ұзақ қызмет ету» арқылы қамтамасыз ете алады.
