Жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторларының кернеуін тексеру: 'Есептей білу'-ден 'Дұрыс есептеуге'

I. Неліктен жоғары жылдамдықты қозғалтқыштар кернеуді тексеруден өтуі керек?

үшін а айналу жылдамдығы 30 000 р/мин жоғары жылдамдықты қозғалтқыш , ротордың сыртқы диаметріндегі центрифугалық үдеу гравитациялық үдеуден ондаған мың есе жетуі мүмкін. Осындай экстремалды жұмыс жағдайында тұрақты магниттердің созылу кернеуі олардың созылу шегіне жақындайды немесе тіпті одан да асып кетеді - және NdFeB тұрақты магниттерінің созылу күші әдетте олардың қысу беріктігінің оннан бір бөлігін ғана құрайды. Созылу кернеуі шектен асқанда, тұрақты магниттер сынуы мүмкін, ал жоғары жылдамдықты айналатын фрагменттері миллисекундтар ішінде бүкіл қозғалтқышты жоюға жеткілікті.

Сонымен қатар, жоғары жылдамдықты қозғалтқыштардың номиналды жылдамдығы жиі ротордың критикалық жылдамдығына жақындайды және резонанс қаупі күрт артады. Стрессті тексеру 'оның сынуы' туралы ғана емес, сонымен қатар ротордың қаттылығының дизайны қауіпті резонанстық диапазондарды болдырмайтындығына қатысты.

Осы себепті, жоғары жылдамдықты қозғалтқыштарды жобалау процесінде электромагниттік жобаны аяқтағаннан кейін бірінші қадам айналмалы кернеуді талдау, ротордың әрбір бөлігіндегі айналмалы кернеу мен фон Мизес кернеуінің таралуын тексеру және оларды сәйкес материалдардың беріктік көрсеткіштерімен салыстыру болып табылады.

II. Ротор қандай күштерді көтереді?

Жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторларының кернеу көздері негізінен күрделі кернеу өрісін құрайтын суперпозицияда әрекет ететін үш санатқа бөлінеді.

Орталықтан тепкіш күш - ең маңызды жүктеме. Ротор жоғары жылдамдықпен айналғанда, әрбір массалық нүктеге радиалды сыртқа бағытталған орталықтан тепкіш күш әсер етеді және оның шамасы айналу жылдамдығының квадратына пропорционал:

F = ρω⊃2;r⊃2;

мұндағы ρ – материалдың тығыздығы, ω – бұрыштық жылдамдық, r – радиалды қашықтық. Материал айналатын біліктен неғұрлым алыс болса, соғұрлым ол көтеретін орталықтан тепкіш жүктеме көп болады. Бұл гильзаның сыртқы жиегіндегі айналмалы кернеу әдетте бүкіл ротордағы ең жоғары екенін білдіреді.

Интерференциялық қондыру нәтижесінде пайда болатын алдын ала кернеу — 'екі жүзді қылыш'. Жер бетінде орнатылған тұрақты магнитті қозғалтқыштардың тұрақты магниттері төмен созылу беріктігіне ие және тек орталықтан тепкіш күшке төтеп бере алмайды. Сондықтан, айналу кезінде центрден тепкіш созылу күшін өтеу үшін тұрақты магниттерге кедергі арқылы алдын ала қысуды қолданатын тұрақты магниттердің сыртына жоғары берік гильза орнатылуы керек. Дегенмен, кедергі мөлшері мүмкіндігінше үлкен емес: шамадан тыс кедергі тұрақты магниттерге шамадан тыс қысу кернеуін енгізеді және тұрақты магниттер созу қабілетінен күштірек қысу қабілетіне ие болғанымен, ол шексіз емес.

Жылулық кернеу — оңай назардан тыс қалмайтын 'жасырын өлтіруші'. Қозғалтқыштың жұмысы кезінде температураның жоғарылауы әртүрлі құрамдас бөліктердің термиялық кеңеюін тудырады және әртүрлі материалдардың сызықтық кеңею коэффициенттері әртүрлі, сондықтан пайда болатын жылу кернеуі айтарлықтай болуы мүмкін. Манжет пен тұрақты магнит арасындағы түйісетін бетінде температураның өзгеруі контакт қысымының шамасын да өзгертеді: температура көтерілген кезде жанасу қысымы артады, ал жең кернеуі де сәйкесінше артады. Төмен температура жағдайында сызықтық кеңею коэффициенттеріндегі айырмашылық тіпті 'төмен температурада жинақтау, бөлме температурасындағы кедергі' технологиялық схемасын жүзеге асыру үшін пайдаланылуы мүмкін.

III. Тексеру әдістері: Аналитикалық әдіс және ақырлы элементтер әдісі

3.1 Аналитикалық әдіс: Жылдам бағалауға арналған өткір құрал

Аналитикалық әдістің негізгі идеясы ротордың әрбір құрамдас бөлігін қалың қабырғалы цилиндр (немесе қалың қабырғалы сақина) үлгісіне оңайлату және екі өлшемді полярлық координаттардағы кернеу өрісінің бірыңғай математикалық моделін құру болып табылады. Білік, тұрақты магнит және гильза үшін радиалды және тангенциалды кернеу-деформация қатынастары бөлек тізімделеді және теңдеулер бір уақытта орын ауыстырудың үздіксіздік шарты мен интерфейстегі күш тепе-теңдік шарты арқылы шешіледі.

Мысал ретінде 250 кВт, 25 кр/мин жоғары жылдамдықты тұрақты магнитті қозғалтқышты алсақ: тұрақты магниттің сыртқы радиусы 44 мм, қалыңдығы 8 мм, көміртекті талшықты жең қалыңдығы 2 мм, гильза мен тұрақты магнит арасындағы интерференция 0,3 мм. 1,2 еселенген номиналды жылдамдықта (30 кр/мин) ротордың радиалды орын ауыстыруы, радиалды кернеу және аналитикалық әдіспен есептелген тангенциалды кернеудің таралуы соңғы элементтерді талдау нәтижелеріне өте сәйкес келеді.

Аналитикалық әдістің артықшылығы оның жылдам есептеу жылдамдығы және анық физикалық мағынасы болып табылады, бұл оны әсіресе дизайнның бастапқы кезеңінде параметрлерді сканерлеу және оңтайландыру итерациясына қолайлы етеді. Дегенмен, оның шектеулері де айқын: күрделі геометриялық пішіндерді (мысалы, ішкі роторлардың магниттік көпір құрылымы) және анизотропты материалдардың сызықты емес мінез-құлқын өңдеу қиын.

3.2 Ақырлы элементтер әдісі: Дәл тексеруге арналған өлшем

Ақырлы элементтер әдісі (FEM) ерікті геометриялық фигураларды, бірнеше материал комбинацияларын және күрделі шекаралық шарттарды өңдей алады және кернеуді тексеру үшін 'алтын стандарт' болып табылады.

Модельдеудің кілті жанасу беттерін өңдеуде жатыр. Желдеткіш пен тұрақты магнит арасындағы кедергі сәйкестігі әдетте түйіспелі элементтерді пайдалану арқылы соңғы элементтерді талдауда имитацияланады және контакт қаттылығын, үйкеліс коэффициентін және кедергі мөлшерін дұрыс орнату қажет. Көміртекті талшық сияқты анизотропты материалдар үшін серпімділік модулі және әр бағыттағы Пуассон қатынасы да енгізілуі керек.

Тексеру шарттарын таңдау да бірдей маңызды. Инженерлік тәжірибеде әдетте келесі комбинацияларды тексеру қажет:

• Жеңнің беріктігі : von Mises кернеуі жоғары температурада + 1,2 есе номиналды жылдамдық;

• Тұрақты магниттің созылу күші : төмен температурадағы максималды негізгі кернеу + 1,2 есе номиналды жылдамдық;

• Байланыс қысымы : жеңнің тұрақты магниттен бөлінбеуін қамтамасыз ету үшін төмен температурада минималды контакт қысымы + номиналды жылдамдықтың 1,2 есе жоғары.

Тексерудің бұл үш түрі жұмыс жағдайларының ең ауыр комбинациясын қамтиды және олардың ешқайсысын да өткізіп жіберуге болмайды.

IV. Жең дизайны: Ротордың 'Қауіпсіздік белдігі'

Жең - жоғары жылдамдықты тұрақты магнит қозғалтқышының роторының ең маңызды қорғаныс компоненті. Қазіргі уақытта негізгі жең материалдары екі негізгі санатқа бөлінеді:

Металл гильзалар  (титан қорытпасы, Инконель қорытпасы және т.б.) жақсы электрөткізгіштікке ие және айнымалы магнит өрісінде құйынды ток шығындарын тудырады, қозғалтқыштың тиімділігін төмендетеді; дегенмен олардың жоғары жылу өткізгіштігі жылуды тарату үшін тиімді. Металл гильзалар ауа саңылаулары талап етілетін талаптар мен жылуды таратудың шектеулі жағдайлары бар сценарийлер үшін қолайлы.

Көміртекті талшықты композициялық жеңдер  қазіргі уақытта жоғары жылдамдықты қозғалтқыштар үшін негізгі таңдау болып табылады. Олардың созылу беріктігі 3500 МПа-дан астамға жетуі мүмкін (топтық стандарттар бойынша талап етілгендей), олардың тығыздығы титан қорытпасының төрттен бір бөлігін ғана құрайды және олар ток өткізбейді және құйынды ток шығындарын тудырмайды. Дегенмен, көміртекті талшықты жеңдердің анизотропиясы талдау үшін үш өлшемді икемділік теориясын пайдалануды талап ететін стрессті талдауға қосымша күрделілік әкеледі.

Манжет дизайнындағы негізгі қайшылық қалыңдықта жатыр: жең неғұрлым қалың болса, соғұрлым тұрақты магнитке шектеу күшейеді және ротордың кернеуі соғұрлым төмен болады; бірақ жең қалыңдығының ұлғаюы эквивалентті ауа аралығын арттырады және электромагниттік өнімділікті әлсіретеді. Сондықтан, жең дизайны негізінен көп мақсатты оңтайландыру мәселесі болып табылады - құрылымдық беріктік пен электромагниттік өнімділік арасындағы оңтайлы теңгерімді табу қажет.

V. Қауіпсіздік факторын қалай таңдау керек?

Қауіпсіздік коэффициентінің мәні тексеру қорытындысының сенімділігін тікелей анықтайды. Егер мән тым аз болса, бұл тәуекелді; егер ол тым үлкен болса, ол дизайнның шамадан тыс артық болуына және өнімділіктің төмендеуіне әкеледі.

Инженерлік тәжірибеде жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторын тексеру үшін қауіпсіздік коэффициенті әдетте келесі принциптерге сәйкес анықталады:

• Жеңдер материалы : аққыштық немесе созылу күші негізінде 1,5–2,0 қауіпсіздік коэффициенті алынады. Мысалы, белгілі бір ультра жоғары жылдамдықты тұрақты магнитті қозғалтқыштың жеңінің максималды кернеуі 967 МПа болғанда, 2-ден жоғары қауіпсіздік коэффициенті қолайлы болып саналады.

• Тұрақты магнит : NdFeB сынғыш материал болғандықтан және оның созылу беріктігінің дисперсиясы салыстырмалы түрде үлкен болғандықтан, әдетте 2,0–3,0 қауіпсіздік коэффициенті алынады. Кейбір конструкциялық жағдайларда тұрақты магниттің қауіпсіздік коэффициенті 6-дан астамға жетуі мүмкін, бұл жеткілікті маржаны қалдырады.

• Білік : білік материалдары әдетте легірленген болат болып табылады, жақсы беріктігі және жоғары беріктігі бар және кернеу деңгейі рұқсат етілген мәннен әлдеқайда төмен, сондықтан шамамен 1,5 қауіпсіздік коэффициенті жеткілікті.

• Байланыс қысымы : гильза мен тұрақты магниттің ең жоғары жылдамдықта бөлінбеуін қамтамасыз ету үшін ең төменгі контакт қысымы әдетте бірнеше мегапаскальдан кем болмауы керек. Белгілі бір жобалық жағдайда ең төменгі контакт қысымы номиналды жылдамдықтың төменгі шегінде 5,4 МПа кем емес және жоғарғы шекте 2,7 МПа кем болмауы талап етіледі.

VI. Тексеруден валидацияға дейін

Стрессті тексеру, сайып келгенде, 'қағаздық есептеу' болып табылады. Инженерлік тәжірибеде тексеру нәтижелері эксперименттер арқылы да расталуы керек.

Жалпы валидация әдістеріне мыналар жатады:

Айналмалы тестілеу  ең тікелей валидация әдісі болып табылады. Конструкциялық ақаулардың орын алуын бақылау үшін ротор шамадан тыс жылдамдық жағдайына (әдетте номиналды жылдамдықтан 1,2 есе) дейін үдетіледі. Кейбір зерттеулерде нақты істен шығу кезінде ротордың мінез-құлық сипаттамаларын байқау үшін көміртекті талшықты жең 30 000 айн/мин жылдамдықпен істен шығатын прототиптер арнайы әзірленген.

Деформацияны өлшеу  айналу кезінде нақты уақытта негізгі позициялардағы штамм деректерін түсіре алады. Тенометрлер мен телеметрия жүйелерін пайдалана отырып, ротордың негізгі позицияларындағы деформацияны 18 000 айн/мин немесе одан да жоғары жылдамдықта өлшеуге болады, ал корреляцияны тексеру соңғы элементтерді есептеу нәтижелерімен орындалуы мүмкін.

Статикалық созылу сынағы  жанама, бірақ қауіпсіз валидация әдісі болып табылады. Ротордың өзегінде статикалық созылу сынақтарын орындау арқылы жоғары жылдамдықтағы айналу қаупін болдырмауға болады және аналитикалық модельдің дәлдігін және соңғы элементтер нәтижелерін жанама түрде тексеруге болады.

Қорытынды

Жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторының кернеуін тексеру серпімділікті, материалтануды және сандық есептеуді біріктіретін жүйелі инженерлік тапсырма болып табылады. Орталықтан тепкіш күштің, кедергі күші мен жылу кернеуінің үстеме әсерлерін түсінуден бастап, сәйкес тексеру әдістері мен қауіпсіздік факторларын таңдауға дейін, эксперименттер арқылы конструкцияның сенімділігін тексеруге дейін әрбір қадам қозғалтқыштың экстремалды жағдайларда минутына ондаған мың айналымдармен тұрақты жұмыс істей алатындығына байланысты.

Жаңа энергетикалық көліктерге арналған жетек қозғалтқыштарының жылдамдығы 20 000 айн/мин асатындықтан және маховиктердің энергия сақтау қозғалтқыштарының жылдамдығы 70 000 айн/мин жақындаған сайын ротор кернеуін тексерудің дәлдігі мен тиімділігіне қойылатын талаптар арта береді. Көміртекті талшықты композициялық жеңдер, көп қабатты жең құрылымдары және мультифизикалық муфталарды оңтайландыру сияқты жаңа технологиялар жоғары жылдамдықты қозғалтқыштардың өнімділік шекараларын үнемі кеңейтіп отырады және кернеуді тексеру әрқашан барлық осы инновациялар үшін қауіпсіздіктің түпкі сызығы болып табылады.