I. 고속회전에서의 '생존 테스트'
비접촉식 작동, 고효율 및 매우 높은 회전 속도의 장점을 지닌 자기 부상 모터는 산업용 송풍기, 압축기 및 에너지 저장 플라이휠과 같은 고급 장비에 점점 더 많이 채택되고 있습니다. 그러나 회전 속도가 분당 수만 회전 이상에 도달하면 회전자에 있는 영구 자석은 가혹한 '생존 테스트'를 받게 됩니다.
문제는 어디에 있습니까?
자기 부상 모터는 일반적으로 영구 자석 재료로 소결 NdFeB를 사용합니다. NdFeB는 매우 높은 자기 에너지 곱과 보자력을 포함하여 탁월한 자기 특성을 제공하지만 압축 강도가 인장 강도보다 훨씬 크다는 치명적인 약점이 있습니다 . 분말 야금을 통해 생산되는 소결 NdFeB는 일반적으로 인장 강도가 80MPa 이하입니다. 고속에서 원심력은 영구 자석 내부에 상당한 인장 응력을 생성합니다. 18,000rpm의 작동 조건에서 NdFeB의 원심 응력은 160MPa를 초과할 수 있으며 이는 자체 강도 한계의 거의 두 배입니다..
이는 부서지기 쉬운 재료로 만든 로프와 같습니다. 압축에는 문제 없이 견디지만 장력이 가해지면 쉽게 부러집니다. 모터가 고속으로 회전하면 영구 자석은 '바깥쪽으로 던져져' 인장력을 받게 됩니다. 한계를 초과하면 자석 강철이 깨지거나 부서지거나 심지어 회전자가 터질 수도 있습니다.
II. 탄소 섬유 슬리브: 자석 강철을 위한 '단단한 갑옷'
깨지기 쉬운 영구자석이 원심력으로 인해 깨지는 것을 어떻게 방지할 수 있나요? 현재 사용할 수 있는 가장 효과적인 솔루션은 탄소 섬유 슬리브를 추가하는 것입니다. 영구 자석 위에
탄소섬유는 인장강도가 5000MPa 이상으로 NdFeB의 강도한계를 훨씬 뛰어넘는다. 더 중요한 것은 티타늄 합금과 같은 기존 금속 슬리브와 비교할 때 탄소 섬유 슬리브는 세 가지 주요 이점을 제공한다는 것입니다.
경량 및 고강도 - 탄소섬유의 비강도(강도 대 밀도비)가 금속에 비해 훨씬 높기 때문에 더 얇고 가벼운 소재라도 충분한 보호 강도를 제공할 수 있습니다.
와전류 손실 없음 - 탄소 섬유는 열악한 전도체이므로 금속 슬리브와 같은 고주파 와전류 손실을 생성하지 않으므로 추가적인 전력 손실 및 발열 문제를 방지할 수 있습니다.
낮은 열팽창 – 탄소 섬유는 열팽창 계수가 낮아 고온 작동 조건에서 우수한 치수 안정성을 보장합니다.
III. 크래킹 방지의 핵심 비밀: 사전 스트레스
탄소섬유 슬리브를 추가하면 모든 것이 해결된다는 뜻인가요? 좀 빠지는.
핵심은 고속 회전 시 원심력으로 인해 슬리브와 영구자석 모두 반경방향 팽창이 일어난다는 점입니다. 슬리브가 자석 위에 단순히 '장착'되면 슬리브의 반경 방향 변형이 자석의 변형보다 더 크기 때문에 둘 사이에 틈이 나타납니다. 일단 틈이 생기면 슬리브는 자석에 대한 구속력을 잃고 자석 강철은 계속 균열됩니다.
해결책은 영구 자석에 지속적인 '예비 응력'을 가하는 것입니다.
슬리브와 자석 사이에 억지 끼워 맞춤을 생성함으로써(즉, 슬리브의 내경이 자석의 외경보다 약간 작음) 슬리브는 자석 주위를 단단히 감싸는 '단단한 슈트'처럼 작용하여 안쪽으로 방사형 압축 응력을 가합니다. 로터가 고속으로 회전할 때 이 예비 응력은 원심력으로 인한 인장 응력에 효과적으로 대응합니다..
연구에 따르면 간섭이 0.10mm 이상에 도달하면 영구 자석의 최대 원심 응력이 160MPa 이상에서 강도 한계보다 훨씬 낮은 70MPa 미만으로 감소할 수 있습니다. 극단적인 조건(예: 200°C의 고온 및 과속 회전)에서는 탄소 섬유 슬리브의 후프 응력이 1000MPa 이상으로 상승할 수 있지만 탄소 섬유 재료의 강도 한계인 1400MPa에 비해 여전히 충분한 안전 여유가 있습니다.
IV. 사전 스트레스를 달성하는 방법은 무엇입니까? 두 가지 프로세스 경로
현재 탄소 섬유 슬리브에 사전 응력을 달성하는 두 가지 주요 방법이 있습니다.
경로 1: 간섭 조립
탄소섬유 슬리브는 별도로 제작된 후 열 또는 냉간 피팅을 통해 로터에 조립됩니다. 예를 들어, 로터를 –190°C로 냉각하면 축 방향 힘이 거의 없이 슬리브가 미끄러질 수 있습니다. 또는 최대 25kN의 가압력을 갖는 축 압입 방식을 사용할 수 있습니다.
그러나 이 방법에는 단점이 있습니다. 탄소 섬유는 부서지기 쉽고 인성이 낮아 간섭 조립 중에 손상 및 균열이 발생하기 쉽습니다. 게다가 조립 공정이 복잡하고 간섭 제어도 어렵다.
경로 2: 고압 권선(더 나은 솔루션)
탄소 섬유는 로터 표면에 직접 감겨져 있으며, 감는 과정에서 섬유 토우에 높은 장력이 가해져 각 섬유 층이 영구 자석 표면을 단단히 감싸게 됩니다.
이 방법의 미묘한 점은 와인딩 공정 자체가 사전 응력 적용 공정이라는 것입니다 . 섬유 장력을 제어함으로써 원하는 프리스트레스 필드를 슬리브에 적용할 수 있어 기존의 기계적 간섭 방법을 대체할 수 있습니다.
V. SDM의 탄소섬유 와인딩 공정
자기 부상 고속 모터 로터 분야에서 Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd.는 성숙한 마스터했습니다 탄소 섬유 권선 공정을 . 기술적 특징은 주로 다음과 같은 측면에 반영됩니다.
고압 원주 권선 기술. SDM은 탄소섬유를 로터 표면에 원주 방향으로 직접 감는 공정 경로를 채택합니다. 와인딩 중에 탄소섬유 토우에 가해지는 장력을 정밀하게 제어함으로써 섬유층이 영구자석의 외부 표면에 단단히 밀착됩니다. 이 프로세스는 슬리브를 제작하는 동안 자석에 필요한 사전 조임력을 동시에 제공하여 기존 간섭 조립과 관련된 균열 위험 및 조립 어려움을 방지합니다.
정확한 긴장 일정 제어. SDM의 프로세스는 다양한 작동 요구 사항에 따라 다양한 장력 제어 모드를 유연하게 사용합니다. '내부가 더 느슨하고 외부가 더 단단함' 또는 '내부가 더 단단하고 외부가 더 느슨함'과 같은 다양한 응력 분포 요구 사항을 충족하기 위해 일정한 장력, 일정한 토크 또는 테이퍼 장력 권선 모드를 선택할 수 있습니다. 층별로 권취 장력을 조절함으로써 섬유층의 잔류응력을 이상적인 상태로 균일하게 분포시킬 수 있습니다.
예체결력의 정량적 검증. SDM은 이론적 계산부터 유한 요소 시뮬레이션, 마지막으로 실험적 검증에 이르기까지 완전한 기술 폐쇄 루프를 구축했습니다. 영구자석에 있는 고장력 권선 탄소섬유 슬리브에 의해 생성된 사전 조임력의 경우 실험 테스트 결과와 분석 계산 간의 평균 오차는 8.56%이고 유한 요소 시뮬레이션과 관련된 평균 오차는 7.88%입니다. 이러한 수준의 정확도는 사전 응력 설계의 신뢰성을 완전히 보장합니다.
통합된 전체 프로세스 기능. SDM은 탄소섬유 소재 선택, 구조 설계, 전자기 설계부터 성형 조립 공정, 장비 제작, 검사 및 테스트에 이르기까지 완벽한 기술 역량을 보유하고 있습니다. 이 회사는 항저우에 본사를 두고 있으며 산업 무역 통합 레이아웃을 갖추고 있어 고객에게 자석부터 로터 어셈블리까지 전체 체인 솔루션을 제공할 수 있습니다.
SDM의 자기 부상 고속 모터 로터가 고속 원심 조건에서 자석 강철 균열을 효과적으로 방지하고 분당 수만 회전이라는 까다로운 조건에서 로터의 안전하고 안정적이며 신뢰할 수 있는 작동을 보장할 수 있는 것은 바로 이 세련된 탄소 섬유 권선 공정을 통해 가능합니다.
