Магниттік левитация қозғалтқышының роторларының үш негізгі проблемасы және олардың шешімдері

Магниттік мойынтіректі қозғалтқыштар контактісіз жұмыс істеу, тозусыз және жоғары тиімділік артықшылықтарымен жоғары жылдамдықты компрессорлар, үрлегіштер және маховиктердің энергиясын сақтау сияқты салалардағы дәстүрлі қозғалтқыштарды жылдам ауыстырады. Дегенмен, айналу жылдамдығы минутына ондаған мың немесе тіпті жүз мыңнан астам айналымға жеткенде, ротордың сенімділігі өнімнің сәттілігінің шешуші факторына айналады – діріл және қалыптан тыс шу, магниттің ажырауы және жоғары жылдамдықтағы істен шығу - бұл саладағы инженерлерді ұзақ уақыт мазалаған үш тұрақты мәселе. Бұл мақала түпкі себептерден басталады, осы мәселелердің физикалық механизмдерін талдайды және ең тиімді ағымдағы шешім - көміртекті талшықты орау технологиясын ұсынады.

1. Діріл және қалыптан тыс шу: көрінбейтін 'Төмен жиілікті өлтіруші'

1.1 Құбылыстар мен қауіптер

Жұмыс кезінде магнитті мойынтірек қозғалтқыштары кейде айналу жылдамдығына тәуелсіз қалыптан тыс діріл мен шуды көрсетеді. Кәдімгі айналмалы машиналарда жиі кездесетін теңгерімсіздік дірілінен айырмашылығы, бұл діріл жылдамдық деңгейі әсер етпейді; ол тіпті тұрақты жылдамдықта сақталады. Мұндай дірілге ұзақ әсер ету мойынтіректердің және құрылымдық бөліктердің шаршау зақымдалуын тездетіп қана қоймайды, сонымен қатар жабдықтың сенімділігі мен пайдаланушы тәжірибесіне елеулі әсер ететін тітіркендіргіш шуды тудырады.

1.2 Түбірлік себептерді талдау

Зерттеулер көрсеткендей, төмен жиілікті діріл Магниттік левитация қозғалтқышының роторы жабық контурлы басқару жүйесінің табиғи жиілігімен анықталады және сыртқы шумен қозғалады. Басқаша айтқанда, бұл таза механикалық мәселе емес, басқару жүйесі мен механикалық құрылым арасындағы байланыс құбылысы.

Атап айтқанда, төмендегі факторлар төмен жиілікті дірілді тудыруы мүмкін:

• Ротордың теңгерімсіздігі : өңдеу және құрастыру қателерінен туындаған масса центрінің ауытқуы;

• Мойынтіректердің саңылауы : магниттік мойынтіректердің басқару параметрлері мен ротордың динамикалық сипаттамалары арасындағы сәйкессіздік;

• Басқару жүйесіндегі аралық буындар : сигналды қабылдаудағы, өңдеудегі және шығарудағы кешігулер және сызықтық еместіктер.

1.3 Шешімдер

Төмен жиілікті діріл үшін негізгі техникалық тәсілдерге мыналар жатады:

(1) Динамикалық теңгерімдеуді түзету : роторды түзету үшін жоғары дәлдіктегі теңестіру жабдығын пайдаланыңыз, теңгерімсіздікті рұқсат етілген ауқымға жеткізу үшін қарсы салмақтарды қосыңыз немесе алып тастаңыз.

(2) Басқару алгоритмін оңтайландыру : зерттеушілер кеңейтілген мемлекеттік бақылаушыларға негізделген дірілді компенсациялау стратегияларын ұсынды. Тәжірибе нәтижелері көрсеткендей, бірдей ақ шудың қозуы кезінде компенсатормен ротордың максималды тербелісі тек PID басқаруымен салыстырғанда шамамен 21% төмендейді; 30 000 айн/мин жылдамдықта ротордың максималды тербелісі 26,6%-ға азаяды.

(3) Құрылымдық оңтайландыру : ротор жүйесінің қаттылығы мен демпферлік сипаттамаларын жақсарту үшін ротор құрылымының дизайнын оңтайландыру.

2. Магниттердің бөлінуі: жоғары жылдамдықтағы 'Ортадан тепкіш ауырсыну'

2.1 Құбылыстар мен қауіптер

Магниттердің ажыратылуы тұрақты магнит қозғалтқыштарындағы ең күрделі ақаулардың бірі болып табылады. Ондаған мың айн/мин жылдамдықта магниттерге түсетін центрифугалық күш өздерінің салмағынан мыңдаған есе көп болуы мүмкін. Магнит ротор бетінен ажырағаннан кейін, ең жақсы жағдайда қозғалтқыштың өнімділігі күрт төмендейді; ең нашар жағдайда, ол ротордың кептелуіне, статор саңылауларының сызылуына және басқа да апатты салдарға әкелуі мүмкін.

2.2 Түбірлік себептерді талдау

Магнитті ажырату және жиекті көтеру бес негізгі факторға жатқызылуы мүмкін:

(1) Жеткіліксіз беріктік : желімнің ығысу күші магнитке тепкіш немесе әсер ету күшінен төмен, сондықтан байланыс ұстай алмайды.

(2) Жоғары және төмен температурада істен шығу : желім төмен температурада сынғыш болады немесе жоғары температурада істен шығып, байланыстыру өнімділігін күрт төмендетеді. Кәдімгі желімдер әдетте шамамен 120 ° C жұмыс температурасына ие, ал қозғалтқыштың ішкі температурасының көтерілуі жиі осы диапазоннан асып түседі.

(3) Жылулық кеңею коэффициенттеріндегі сәйкессіздік : магнит (мысалы, NdFeB) мен ротор материалы (мысалы, алюминий қорытпасы) арасындағы термиялық кеңею айырмашылықтары үлкен және температураның өзгеруі желім қабатын жарып жіберетін ішкі кернеуді тудырады.

(4) Жоғары жиілікті діріл : ұзақ мерзімді жоғары жиілікті діріл шаршаудың бұзылуын жеделдете отырып, жабысқақ қабатқа үздіксіз қысым жасайды.

(5) Қоршаған ортаның коррозиясы : ылғал, жылу, тұз спрейі және т.б., жабысқақ қабатқа шабуыл жасап, байланысты әлсіретеді.

Сонымен қатар, магниттерді дұрыс сегменттеу дизайны мәселені нашарлатуы мүмкін. Бір магнитті сегменттің ротормен жанасу аймағы тым үлкен болған кезде, көміртекті талшықты сыртынан орау магнитті оңай жарып жіберуі мүмкін; орау кезінде жарылып кетпесе де, кейбір операциядан кейін ол жарылып кетуі мүмкін.

2.3 Шешімдер

(1) Желіммен байланыстыру процесін оңтайландыру : өнімділігі жоғары құрылымдық желімдерді таңдаңыз, жабыстыратын беттердің тазалығын қамтамасыз етіңіз және қатаю жағдайларын қатаң бақылаңыз.

(2) Магнитті сегменттеу дизайны : әрбір бөліктің ауданын азайту және крекинг қаупін азайту үшін көлденең бағытта магниттерді кішірек сегменттерге бөліңіз.

(3) Физикалық шектеуді күшейту  – бұл ең іргелі шешім: орталықтан тепкіш күшке қарсы физикалық шектеуді қамтамасыз ету үшін магниттердің сыртына беріктігі жоғары жеңді қосыңыз. Көміртекті талшық орамасы қазіргі уақытта ең жақсы күшейту әдісі ретінде танылады.

3. Жоғары жылдамдықтағы ақау: ротор 'ұстау мүмкін емес' кезде

3.1 Құбылыстар мен қауіптер

Қозғалтқыштың айналу жылдамдығы ротордың құрылымдық шегіне жақындағанда немесе одан асса, ротор апатты сәтсіздікке ұшырайды. Типтік көріністерге ротордың деформациясы, тұрақты магниттің фрагментациясы, жеңнің жарылуы және ротордың түсуі жатады. Жоғары жылдамдықтағы ақаулық орын алған кезде, жабдық сындырып қана қоймайды, сонымен қатар ол ауыр қауіпсіздік апаттарын тудыруы мүмкін.

3.2 Түбірлік себептерді талдау

Жоғары жылдамдықтың бұзылуының негізгі себебі  центрифугалық күш пен материалдың беріктігі арасындағы қайшылық болып табылады.

Мысал ретінде NdFeB тұрақты магниттерін алайық. Олардың өте жоғары магниттік энергия өнімі мен коэрцивтілігі болса да, оларды бүгінгі күні ең жақсы жұмыс істейтін тұрақты магнит материалы етеді, олардың созылу беріктігі төмен (<80 МПа) және термиялық тұрақтылығы нашар температураға сезімтал. Ондаған мың айн/мин жылдамдықта тұрақты магниттердегі орталықтан тепкіш кернеу өздерінің күш шегінен әлдеқайда асып түседі, сондықтан қорғаныс үшін сыртқы жең өте қажет.

Дәстүрлі шешім магнитті емес металл жеңдерді (мысалы, Inconel 718 немесе титан қорытпасы) пайдалану болып табылады. Дегенмен, металл гильзалардың өлімге әкелетін кемшілігі бар:  құйынды ток шығындары . Манжеттің өткізгіштігі неғұрлым жоғары болса, соғұрлым құйынды токтар пайда болады және құйынды ток жоғалуы соғұрлым ауыр болады, бұл ротор температурасының күрт көтерілуіне әкеледі, бұл тұрақты магниттердің магнитсіздену қаупін одан әрі күшейтеді.

3.3 Шешімдер

Көміртекті талшықты композиттік жеңдер  қазіргі уақытта ең жақсы шешім деп танылды.

Көміртекті талшықты жеңдердің артықшылықтары:

• Төмен өткізгіштік : олар іс жүзінде құйынды ток шығынын тудырмайды, нәтижесінде ротор температурасының ең төменгі көтерілуі;

• Жоғары беріктік : көміртекті талшықтың меншікті беріктігі металдарға қарағанда әлдеқайда жоғары, жеңіл салмақпен күшті шектеуді қамтамасыз етеді;

• Жоғары модуль : шайыр материалдары мен орау процестерін оңтайландыру арқылы серпімділік модулін дәстүрлі 130-160 ГПа-дан 200 ГПа-ға дейін арттыруға болады.

4. Түпкілікті шешім: көміртекті талшықты орау технологиясы

Діріл шуының, магниттің ажыратылуының және жоғары жылдамдықтың бұзылуының үш негізгі мәселесін бір уақытта шешу үшін көміртекті талшық орамасы таптырмайтын негізгі технология болып табылады. Оның принципі жоғары жылдамдықты айналу нәтижесінде пайда болатын орталықтан тепкіш күшке қарсы үздіксіз радиалды шектеуді қамтамасыз ететін ротордың үстінде тығыз 'бронь' құра отырып, тұрақты магниттердің айналасына беріктігі жоғары көміртекті талшықты композиттік материалды орау болып табылады.

4.1 Екі негізгі процесс

Қазіргі уақытта көміртекті талшықты роторларды өндірудің екі негізгі әдісі бар:

Пресс-фитинг әдісі : алдымен көміртекті талшықты жеңді дайындаңыз, содан кейін оны роторға басыңыз немесе қысқышты пайдаланыңыз. Шөгілетін фитингте ротор -190°C дейін салқындатылады, ал гильзаны осьтік күшпен өте аз орнатуға болады. Пресс-фитинг әдісі салыстырмалы түрде жетілген, бірақ ол кедергі орнатуды өте дәл бақылауды талап етеді – тым көп кедергі магниттерді жарып жіберуі мүмкін, ал тым аз болса жеткіліксіз шектеуді қамтамасыз етеді.

Тікелей орау әдісі : көміртекті талшықты тұрақты магнит бетіне тікелей орап, содан кейін оны өңдеңіз. Бұл әдіс орамның керілуіне, қатаю температурасына, қабат аралық байланыстыруға және басқа процесс параметрлеріне өте қатаң бақылауды талап етеді, бірақ ол біркелкі алдын ала кернеуге және материалды жоғарырақ пайдалануға қол жеткізе алады.

4.2 Негізгі техникалық қиындықтар

(1) Алдын ала кернеуді бақылау : көміртекті талшық қатайтқаннан кейін магниттерге үздіксіз алдын ала қысу әсер етуі үшін орау кезінде тиісті бастапқы кернеу қолданылуы керек. Шамадан тыс кернеу магниттерді жарып жіберуі мүмкін, ал жеткіліксіз кернеу барабар шектеуді қамтамасыз ете алмайды.

(2) Термиялық сәйкестік : көміртекті талшық композициясының, тұрақты магниттердің және білік материалының термиялық кеңею коэффициенттері температураның өзгеруіне байланысты шамадан тыс ішкі кернеуді болдырмау үшін дәл сәйкестендірілуі керек.

(3) Кернеу талдауы: ротор құрылымының кернеуі мен деформациясын дәл талдау, орам қабатының оңтайлы қалыңдығын, бұрышын және процесс параметрлерін анықтау үшін соңғы элементтерді талдау бағдарламалық құралын (мысалы, MSC Patran/Nastran) пайдалану керек.

Зерттеулер көміртекті талшықты арматура сақинасы бар көрсетті . магниттік левитация қозғалтқышының роторы 72 000 айн / мин жоғары жылдамдықта беріктік пен деформация талаптарына жауап бере алатынын

5. SDM көміртекті талшықты орау процесі

Магниттік мойынтіректерге / жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторларына арналған көміртекті талшықты орау саласында  SDM  негізгі технологияны меңгерген бірнеше отандық компаниялардың бірі болып табылады.

Магниттік мойынтірек / жоғары жылдамдықты қозғалтқыш роторлары саласында SDM көміртекті талшықты орау процесі келесі тамаша сипаттамаларға ие:

(1) Толық тізбекті өндіру мүмкіндігі : компания магниттік материалдардан (жұмсақ магниттік + қатты магнитті) мотор статоры/роторының құрамдас бөліктеріне, содан кейін датчик микромотор жүйелерін шешуге дейін бір реттік толық тізбекті өндіру мүмкіндігіне ие. Бұл магнитті таңдаудан және роторды жобалаудан бастап көміртекті талшық орамасына және соңғы сынаққа дейін барлығы өте жоғары сапаны бақылауды қамтамасыз ете отырып, үйде орындалады дегенді білдіреді.

(2) Төртінші буынның сирек жер тұрақты магниті ҒЗТКЖ : компания көміртекті талшықты орама үшін жақсырақ магнитті субстраттарды қамтамасыз ете отырып, төртінші ұрпақтың сирек жер тұрақты магниттік материалдарын дамытуға үздіксіз инвестиция жасайды. Магниттердің сапасы, соның ішінде созылу күші, термиялық тұрақтылық және өлшемдік дәлдік - көміртекті талшық орамының соңғы өнімділігін тікелей анықтайды.

(3) Дәл өңдеу мүмкіндігі : компания роторлар мен гильзалардың өлшемдік дәлдігін қамтамасыз ету үшін CNC цилиндрлік тегістеу сияқты дәл өңдеу процестерін пайдаланады. Көміртекті талшық орамасы ротор астарының өте жоғары дөңгелектілігін және коаксиалдылығын талап етеді; кез келген шамалы өңдеу қателігі жоғары жылдамдықта күшейтіледі.

(4) Магнит сегментациясының оңтайландырылған дизайны : SDM көміртекті талшық орамының сипаттамаларын толық ескере отырып, магнит сегменттерін жобалайды, тым үлкен жеке магнит аймақтарынан туындаған крекинг қаупін болдырмай, жеткілікті магниттік өнімділікті қамтамасыз ету үшін магниттерді ұтымды сегменттейді - бұл дизайн тәсілі орау процесінің ауыру нүктелерін тікелей шешеді.

(5) Орау процесі мен материалдарын синергетикалық оңтайландыру : шайыр материалдары бойынша үздіксіз зерттеулер және орау процесін оңтайландыру арқылы компания көміртекті талшықты композицияның серпімділік модулін тұрақты түрде арттырды, беріктікті қамтамасыз ету кезінде құйынды ток шығындарын азайтты, осылайша металл жеңдермен байланысты температураның шамадан тыс көтерілу мәселесін түбегейлі шешті.

Қорытынды

діріл шуы, магниттің ажырауы және жоғары жылдамдықтағы істен шығуы Магниттік левитация қозғалтқышының роторының центрифугалық күш пен жоғары айналу жылдамдықтарында материалдар, құрылым және басқару жүйелері арасындағы қайшылықтың көрінісі болып табылады. Көміртекті талшықты орау технологиясы күшті, аз шығынды физикалық шектеуді қамтамасыз ете отырып, осы үш негізгі мәселені шешудің оңтайлы шешімі болды.

Магниттік материалдар өнеркәсібіндегі 16 жылдық тәжірибесі, толық тізбекті өндіру мүмкіндігі, төртінші буынның сирек жер магнитінің ҒЗТКЖ күші және тазартылған көміртекті талшықты орау процесі бар SDM магниттік мойынтіректерге / жоғары жылдамдықты қозғалтқыштарға барған сайын сенімді ротор шешімдерін ұсынады. Болашақта көміртекті талшықты материалдар мен орау технологияларындағы үздіксіз жетістіктермен магнитті мойынтіректері бар қозғалтқыштардың жылдамдық шектеулері мен сенімділігі одан әрі итеріледі.