Беткейге орнатылған жоғары жылдамдықты ротор магнитінің сақталуы: неліктен «желім оны ұстайды» - бұл ең қауіпті иллюзия

а тұрақты магнитті жоғары жылдамдықты қозғалтқыш , ротордың шетіндегі әрбір магнит өз салмағынан ондаған есе көп орталықтан тепкіш күшті сезінеді. 20 000 айн/мин астам жылдамдықпен жұмыс істейтін Дизайнер 'жақсы желім оны ұстайды' деп болжаса, нәтиже көбіне төзімділікті сынау кезінде жабысқақ қабат тыныш жарылып, магнит ұшады және ротор-статордың үйкелісі, қысқа тұйықталу және машинаның толық істен шығуы ретімен орындалады. Беткейде орнатылған жоғары жылдамдықты роторда  желім ешқашан негізгі ұстау құралы болып табылмайды; бұл тек позициялау және демпфинг үшін қолдаушы ойыншы . Магниттердің 'ұшатын-ұшпауын' шынымен анықтайтын нәрсе - бұл жүктеме жолдарынан құрылымдық бөлшектерге дейін созылатын жүйелік деңгейдегі инженерлік тәсіл.

Орталықтан тепкіш күш және магнит сынғыштығы: сөзсіз қайшылық

Беткі роторда тұрақты магниттер тікелей ротордың сыртқы бетінде отырады, ал орталықтан тепкіш күшті толығымен магниттердің өздері және олардың сыртындағы ұстағыш құрылым көтереді. Агломерленген NdFeB-нің өлімге әкелетін әлсіздігі оның қатты және сынғыштығы болып табылады — оның созылу беріктігі оның қысу беріктігінен әлдеқайда төмен және ол жергілікті ақауларға, микрожарықтарға және жинақтың зақымдалуына өте сезімтал. Нақтырақ айтсақ, центрифугалық жүктеме жылдамдықтың квадратымен өседі: жылдамдық екі есе артады, ал жүк төрт есе үлкен болады. 30 000 айн/мин жылдамдықпен жұмыс істейтін диаметрі 40 мм ротор үшін беттік сызықтық жылдамдық шамамен 62,8 м/с құрайды. Бұл қазірдің өзінде байыпты емделуі керек құрылымдық жағдай - тек желіммен 'жеңілдетуге' болатын сценарий емес.

Бөлме температурасында жабысқақ ығысу беріктігі туралы деректер жиі әсерлі көрінеді, бірақ жұмыс кезінде жоғары жылдамдықты ротордың ішкі температурасы 150 ° C дейін немесе одан да жоғары көтерілуі мүмкін. Мұндай температураларда қарапайым құрылымдық желімдердің модулі күрт төмендейді, ал ұзақ мерзімді ортадан тепкіш ығысу кезінде жабысқақ қабат сусымалы-крекинг-байланысты жоюдың жинақталған зақымдалу жолына түседі. Инженерлік тәжірибе көрсеткендей, тек желімге негізделген құрылымдар 10 000 айн / мин төмен әрең жұмыс істей алады, бірақ 15 000 айн / мин шегінен өткеннен кейін, жабысқақ қабаттың ұзақ мерзімді сенімділігі қолайсыз болады. Бұл желімнің өзі 'нашар' болғандықтан емес,  желім негізгі жүктемені көтермейтін жерге орналастырылған..

Бекіткіш жең: центрифугалық жүк таяқшасын жоғары беріктігі бар материалдарға беру

Жоғары жылдамдықты беткі роторлар үшін ең негізгі ұстап тұру шешімі магниттердің сыртында қорғаныс гильзасын орнату және кедергі фигурасы арқылы магниттерге радиалды алдын ала жүктемені қолдану болып табылады, осылайша магниттер тоқтап тұрған кезде, суық күйде жоғары жылдамдықта және ыстық күйде жоғары жылдамдықта қысылып қалуы немесе басқарылатын кернеу астында қалуы үшін «орталық центрифуга» әсер етпестен. Манжет дизайнының өзегі 'қабық қосу' емес,  кедергілерді дәл таңдау : тым аз кедергі және контакт қысымы жоғары жылдамдықта нөлге дейін төмендейді, бұл магниттердің ротор өзегінен бөлінуіне әкеледі; тым көп кедергі және жеңнің өз құрсау кернеуі оның шегінен асып кетеді немесе магниттерге шамадан тыс қысу кернеуі жергілікті сынуды тудырады.

Жеңдер материалын таңдауда көміртекті талшықты композиттер мен металл қорытпалары арасындағы айырбас ротордың жоғалуын, температураның көтерілуін және қуат тығыздығының шекарасын тікелей анықтайды.

Көміртекті талшықты композициялық жеңдердің тартымдылығы олардың  өте жоғары арнайы құрсау беріктігінде  және төмен тығыздығында. Оларды металл жеңдерге қарағанда жұқа етіп жасауға болады, бұл ауа саңылауы үшін көбірек орын босатады және қуат тығыздығын жақсартуға көмектеседі. Бірақ композиттер анизотропты болып табылады; олардың құрсауының беріктігі талшық орамының бағытына және процестің сапасына байланысты, ал олардың істен шығу режимдері талшықтың сынуын, матрицаның жарылуын және қабаттасуды қамтиды. Тексеру және қабылдау логикасы металл бөлшектерге қарағанда мүлдем басқаша. Көбінесе назардан тыс қалған тағы бір факт -  көміртекті талшық оқшаулағыш емес . CFRP гильзасы айнымалы магнит өрісінде құйынды ток жоғалуын тудырады және жоғалту төсеу құрылымына, талшықты байланыс күйіне және шайыр жүйесіне байланысты; оны 'нөлдік жоғалту' ретінде жеңілдету мүмкін емес. Көміртекті талшықтың жылу өткізгіштігі де бағытқа тәуелді және ротор ішіндегі жылуды сыртқа беру жолы металл гильзаға қарағанда күрделірек.

Металл гильзалардың артықшылығы — титан қорытпасы, Inconel 718, тот баспайтын болат — изотропты  , жақсырақ жылу өткізгіштікке ие және жетілген өлшемдік дәлдік пен партияның консистенциясын ұсынады . Титан қорытпасы орташа тығыздыққа ие және беріктік пен температураға төзімділік арасындағы жақсы теңгерімге ие, бұл оны жоғары жылдамдықты роторларда ортақ ымыраға айналдырады; Inconel 718 жоғары температуралық беріктікке ие, бірақ сонымен бірге жоғары тығыздық пен құйынды ток жоғалуы. Металл гильзаның құны оның жоғары электр өткізгіштігі болып табылады: статор ұясының гармоникасы гильзадағы құйынды токтарды тудырады және бұл жоғалту ротордың жылу жүктемесіне тікелей түседі, бұл өз кезегінде интерференциялық фиништің ыстық күйдегі контакті қысымын өзгертеді. Соңғы жылдары айқын тренд болды  композициялық жең құрылымы : сыртқы титан қорытпасының қабаты негізгі құрсау жүктемесін көтереді, ал ішкі көміртекті талшықты немесе аз шығынды қабат термиялық сәйкестік пен шығынның таралуын реттейді. Қуаты 45 кВт/45 000 айн/мин класты қозғалтқыштармен салыстырғанда, композиттік гильзаның ротор жағындағы температураның көтерілуі толық титанды қос қабатты жеңге қарағанда төмен болды, бұл 'қабаттардағы көптеген қайшылықтарды шешу' идеясын көрсетті.

Соңында ұстау: желім негізіндегі дизайнмен ұмытылған 'Соңғы тірек қабырғасы'

Тіпті гильзамен, осьтік бағытта механикалық кедергі болмаса, жасырын істен шығу жолы қалады: жоғары жылдамдықты айналудың діріл және термиялық циклі кезінде магниттер аздап осьтік миграцияға ұшырауы мүмкін, бірте-бірте жабысқақ қабатты зақымдайды және жанасу беттерін тоздырады және ақырында жүктеменің алдын-ала таралуын нашарлатады. Соңғы ұстау құрылымының рөлі бұл жолды толығымен жабу болып табылады.

Ең тікелей әдіс - орнату .  бекіту сақиналарын немесе соңғы тақталарды  магниттерді осьтік шектеу үшін ротордың екі шетіне Неғұрлым ықшам конструкцияларда сақиналы қадамды ротордың өзегінің соңында өңдеуге болады, осылайша магниттер енгізілгеннен кейін қадам беті осьтік ұстауды қамтамасыз етеді; балама ретінде, айналмалы орналасуды және осьтік шектеуді қамтамасыз ету үшін іргелес магниттер арасында қысым тақталары/ұстағыш мүмкіндіктер орналастырылуы мүмкін. Сыртқы роторлы құрылым үшін магнитті орнату аймағы мен барабанның ішкі қабырғасындағы тіреу аймағының арасында биіктік айырмашылығы қалыптасады, ал магнитті орнату аймағының соңғы беті табиғи түрде осьтік ұстап тұратын ерінге айналады. Бұл құрылымдардың жалпы логикасы:  осьтік ұстау жабысқақ қабатқа сүйенбейді, бірақ металл немесе композициялық компоненттермен тікелей байланысты . Simo форумының алғашқы тәжірибесі де мұны растайды — магниттердің екі ұшына тот баспайтын болаттан жасалған ұстағыш еріндерді қосқаннан кейін, дәл сол желім схемасы 20 000 айн/мин сервомоторда 1000 сағаттық төзімділік сынағын босатпай аяқтады, ал бұрын, тек қайталама магнитке сүйенетін желімге сүйенетін.

Поттингтің рөлі: интеграция, бірақ панацея емес

Эпоксидті құмыра көбінесе бірнеше магниттерді сақиналы блокқа біріктіру үшін қолданылады, бұл жеке магниттердің тураланбауы немесе құлау қаупін азайтады. Кәстрөл шынында да дірілді бәсеңдетуді жақсартады, жүктің таралуын біркелкі етеді және белгілі бір дәрежеде қоршаған ортаны оқшаулайды. Бірақ оның да айқын шегі бар. Шөгу, қалдық бос орындар және құмыра шайырының жылу өткізгіштігі үш сөзсіз инженерлік шектеулер болып табылады: бос орындар электрлік оқшаулау мен жылу өткізгіштікте жергілікті әлсіз нүктелерді жасайды және ауыспалы центрифугалық жүктеме кезінде жарықшақтардың басталу алаңына айналады; егер экзотермиялық қатаю және шөгу дұрыс бақыланбаса, қалдық кернеу шайырдың ішінде қалады. Кішкентай саңылауларда шайырдың біркелкі таралуы тікелей бекіту күшін төмендетеді және ең нашар жағдайда магниттің қопсыту себебі болады. Кәстрөлдің дұрыс рөлі  көмекші шектеу және біріктіру әдісі болып табылады : гильза мен ұшты ұстау бастапқы жүктеме жолын қалыптастырғаннан кейін ол жүйенің тұрақтылығы мен ұзақ мерзімділігін жақсарта алады, бірақ оны центрифугалық жүктемені дербес көтеретін шешім ретінде қарастыруға болмайды.

Сенімділік көбінесе процесс мәліметтерімен анықталады

Құрылымдық схема анықталғаннан кейін, жабысқақ қабаттың бөлшектері мен құрастыру процесінің теориялық жобаны жүзеге асыруға болатындығын анықтайды. Бірнеше рет тексерілген инженерлік ереже:  магниттің бүкіл артқы бетіне желім қолданбаңыз . Магниттің артқы жағына немесе ротордың өзегінің бетіне 0,1 мм мөлшерінде желім толып жатқан ойықтарды өңдеу арқылы қысым түсірілген кезде артық желім ауаның шығуына мүмкіндік беретін ойықтар бойымен шығарылады. Содан кейін байланыс сызығының қалыңдығын бақыланатын диапазонда бақылауға болады, бос ақаулар айтарлықтай азаяды және тиімді байланыс аймағы мен консистенциясы шынымен жақсарады. Жабысқақ таңдау сонымен қатар бөлме температурасындағы ығысу беріктігіне ғана негізделмеуі керек; 150°C температурада жеткілікті ығысу модулін сақтайтын модификацияланған эпоксидті құрылымдық желім жоғары жылдамдықты роторды қолдану үшін ең төменгі талап болып табылады.

Жеңдерді құрастыру процестері де дамып келеді. Дәстүрлі көміртекті талшық жеңдер кедергіге немесе суық тиюге негізделген; суық фитинг құрастыру үшін білікті немесе магнит жинағын салқындату үшін сұйық азотты пайдаланады және магнит өнімділігіне немесе байланыс беріктігіне айтарлықтай кері әсер етпейтіні расталды. Жаңа бағыт –  пресстеуге арналған көміртекті талшықты арматураланған полимер гильзасы : меншікті престеу процесі бөлме температурасында желімсіз және термиялық кернеуді енгізбестен жоғары алдын ала жүктемені жасайды және диаметрі 30-дан 300 мм-ге дейінгі роторлар үшін жарамды, бұл 'кедергі' және 'кедергілер\' қолдануын ажыратады. Мұндай процестердің маңыздылығы, олар құрастыру кезінде материал қасиеттеріне кепілдік зақымдануды азайтады және жең алдын ала жүктеуді болжамды және қайталанатын етеді.

Қорытынды

Жер бетінде орнатылған жоғары жылдамдықты роторлардағы магнитті ұстаудың негізгі логикасын бір сөйлеммен қорытындылауға болады:  'адгезияға' негізделген бірде-бір қосылымға ол көтермейтін центрифугалық жүктемені көтеруге жол бермеңіз . Гипс есептелген радиалды алдын ала жүктемені қамтамасыз етеді, соңғы құрылым осьтік көшу үшін шығуды жабады, ал кастрюль және желім өз орындарында орналастыруды, демпфирлеуді және біріктіруді орындайды, ал кедергілер, термиялық сәйкестік, жоғалту және технологиялық терезелер жүйе деңгейінде қайталанады. Жоғары жылдамдықты роторлар үшін «бір рет және барлығына» ұстап тұру шешімі жоқ — тек жүктеме жолында қабаттық қорғанысты құрайтын және әр интерфейстегі материалдардың нақты әрекетін құрметтейтін инженерлік пайымдау ғана.