Тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрийн роторын өртөгт гүнзгий шумбах: Halbach Array Vs. Уламжлалт гадаргуу дээр суурилуулсан - Нарийвчлалын ялгаа ба үнийн саналын логик

Танилцуулга: Нэг роторын өртөгөөс эхэлнэ

Цахилгаан машин болон хүн дүрст роботын үйлдвэрлэл хурдацтай хөгжиж байгаатай холбогдуулан тэнхлэгийн урсгалын мотор нь өндөр эрчим хүчний нягтрал, авсаархан хэмжээ, эргүүлэх моментийн гүйцэтгэлийн ачаар жолоодлогын системд шинэ дуртай зүйл болж байна. Гэсэн хэдий ч лабораториос олноор үйлдвэрлэх хүртэлх замд байнгын саад бэрхшээл буюу зардал саад болж байна. Одоогийн байдлаар тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрийн үйлдвэрлэлийн өртөг нь ердийн радиаль урсгалын хөдөлгүүрээс 20% -иас 30% -иар өндөр байна.

Моторын нийт зардлын бүтцэд байнгын соронз хамгийн их хувийг эзэлдэг бөгөөд 35-40% давамгайлж байна. Энэ нь роторын байнгын соронзон топологийг сонгох нь ердийн гадаргуу дээр суурилуулсан загвар эсвэл илүү өндөр гүйцэтгэлтэй Halbach массив аль нь ч моторын үндсэн өртөг болон өрсөлдөх чадварыг шууд тодорхойлдог гэсэн үг юм.

I. Хоёр роторын схемийн техникийн мөн чанар

1.1 Уламжлалт гадаргуу дээр суурилуулсан: 'Хавтан наах' энгийн, харгис хүчээр хийх арга

Гадаргуу дээр суурилуулсан роторын техникийн зарчмыг энгийн зүйрлэлээр ойлгож болно: байнгын соронз нь хавтанцар наахтай адил роторын үндсэн гадаргуу дээр шууд холбогддог. Түүний шинж чанар нь энгийн бүтэц, боловсорч гүйцсэн процессууд, харьцангуй бага өртөгтэй байдаг.

Тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрт байнгын соронзыг ихэвчлэн сэнс хэлбэртэй эсвэл трапец хэлбэрийн сегмент хэлбэрээр байрлуулж, соронзлолын чиглэл нь роторын хавтгайд жигд перпендикуляр байдаг. Агаарын зайны урсгалын нягт нь байнгын соронзны үлдэгдлээр шууд тодорхойлогддог бөгөөд соронзон орны долгионы хэлбэр нь трапец эсвэл дөрвөлжин долгионтой ойролцоо байдаг тул гармоник агуулгыг дарахын тулд соронзон хэлбэрийг оновчтой болгох шаардлагатай.

1.2 Халбах массив: Нарийвчлалтай 'Соронзон оньсого'

Халбах массивыг 1979 онд Америкийн эрдэмтэн Клаус Халбах санал болгосон. Үүний гол зарчим нь 'нэг талт соронзон орон'-ын нөлөөнд хүрэхийн тулд радиаль ба тангенциал соронзлолын чиглэлтэй байнгын соронзыг зохион байгуулах явдал юм - соронзон урсгалын шугамууд нь нэг талдаа бараг бүхэлдээ соронзон оронтой байх үед харилцан бие биенээ бэхжүүлдэг. цуцалсан.

Моторын хэрэглээнд Halbach массив нь агаарын цоорхой дахь соронзон урсгалын нягтыг ихээхэн нэмэгдүүлж, роторын арын хэсэгт урсах урсгалыг эрс багасгаж, роторын арын төмрийг их хэмжээгээр нимгэрүүлэх эсвэл бүрмөсөн арилгах боломжийг олгодог. Цаашилбал, соронзон орны тархалт нь гармоник гажуудал багатай синусоид долгионы хэлбэрт ойртдог тул эргэлтийн моментийн долгион багасч, үйл ажиллагааны дуу чимээ багасдаг. Харьцуулсан туршилтууд нь нэрлэсэн нөхцөлд Halbach олон туйлтай цагираг ашигладаг моторын эргэлтийн тогтмол байдал нь ердийн гадаргуу дээр суурилуулсан загвараас 76% илүү байж болохыг харуулсан.

II. Зардлын гурван тэнхлэгийн гүн задрал

Роторын өртөг нь нэг тоо биш бөгөөд байнгын соронзон материалын өртөг, боловсруулалт, үйлдвэрлэлийн зардал, нарийвчлалаас үүдэлтэй далд зардлууд гэсэн гурван хэмжигдэхүүнийг нэгтгэснээр үүсдэг. Дараах нь давхарга бүрийг задалдаг.

2.1 Байнгын соронзон материалын өртөг: Тоо хэмжээ, зэрэглэлийн давхар тоглоом

Байнгын соронзон материалын зардал = Байнгын соронзон хэрэглээ × Нэгж жингийн үнэ.

Уламжлалт гадаргуу дээр суурилуулсан материалыг тооцоолохдоо:

Гадаргуу дээр суурилуулсан роторын байнгын соронзон хэрэглээ нь хүрэх ёстой агаарын зайны урсгалын нягтралаас хамаарна. Бүх соронз нь нэг чиглэлд соронзлогддог тул соронзон хэлхээ нь харьцангуй 'бүдүүн' байдаг тул зорилтот урсгалын нягтралд хүрэхийн тулд ихэвчлэн зузаан соронз шаардлагатай байдаг. Гэхдээ давуу тал нь зөвхөн нэг соронзлолтын чиглэлтэй нэг төрлийн соронз хэрэгтэй бөгөөд энэ нь материалын менежментийг хялбаршуулдаг.

Халбах массивын материалын нягтлан бодох бүртгэл:

Хэдийгээр Halbach массивууд нь янз бүрийн соронзлолын чиглэлтэй соронз шаарддаг боловч тэдгээрийн нэг талт урсгалын концентрацийн нөлөө нь ижил хэмжээний байнгын соронзон материалаар агаарын зайны урсгалын илүү нягтралыг олж авах боломжийг олгодог. Өөрөөр хэлбэл, ижил хөдөлгүүрийн гүйцэтгэлд хүрэхийн тулд Halbach массив нь байнгын соронзон материалыг бага ашиглаж болно.

Гэсэн хэдий ч энэ нь Halbach хямд гэсэн үг биш юм - зардлын жинхэнэ дээд хязгаарыг  соронзон зэрэглэлээр тодорхойлдог..

N35-аас N52 хүртэлх неодим-төмөр-бор (NdFeB) соронзны хувьд зэрэглэл ахих бүр нь соронзон энергийн бүтээгдэхүүнийг ойролцоогоор 5% -иар нэмэгдүүлдэг боловч өртөг нь 15% -иас 20% -иар өсдөг. Тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрт дулаан ялгаруулах, өндөр температурт ажиллахад хүндрэлтэй байдаг тул ихэвчлэн H үнэлгээтэй (120 ° C-д тэсвэртэй) эсвэл бүр SH үнэлгээтэй (150 ° C-д тэсвэртэй) ба түүнээс дээш соронзыг сонгох шаардлагатай байдаг. Өндөр албадлагын зэрэглэлд диспрозиум (Dy) ба terbium (Tb) зэрэг газрын хүнд ховор элементүүдийг нэмэх шаардлагатай бөгөөд хүнд ховор элементийн ашиглалтын ялгаа нь үнийн зөрүүний 60-80%-ийг эзэлдэг.

Өндөр эрчим хүчний нягтын шинж чанараас шалтгаалан Halbach массивыг ихэвчлэн хэт их хэмжээ, жингийн хязгаарлалттай (агаар сансарын болон хүн дүрст роботын холболт гэх мэт) хувилбаруудад ашигладаг бөгөөд энэ нь илүү өндөр зэрэглэлийн соронзыг сонгоход хүргэдэг бөгөөд энэ нь материалын өртөгийг улам нэмэгдүүлдэг.

2.2 Боловсруулалт ба үйлдвэрлэлийн зардал: Энгийнээс нарийн төвөгтэй хүртэлх зардлын шат

Гадаргуу дээр суурилуулсан: Боловсронгуй процессууд, гэхдээ босгогүй

Гадаргуу дээр суурилуулсан роторын боловсруулалт харьцангуй боловсронгуй болсон. Байнгын соронзыг ихэвчлэн хэлбэр дүрсээр нь хайчилж, роторын арын төмөртэй шууд холбодог. Процессын зам богино, автоматжуулалтын түвшин өндөр. Гэсэн хэдий ч тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрт байнгын соронзыг угсрах нарийвчлалын шаардлага маш өндөр байгааг анхаарах нь чухал юм. Агаарын завсар дахь микроны түвшний тэнхлэгийн урсац нь роторыг 'сороход' хүргэж, улмаар механик таталт эсвэл эргэлтийн моментийн гаралт огцом буурахад хүргэдэг.

Түүнээс гадна соронзны дараалал нь үл тоомсорлодог зардлын зүйл юм. Соронзон тус бүрийн N / S туйлын чиглэл нь үнэн зөв байх ёстой; нэг урвуу соронз нь шууд хаягдал руу хөтөлнө. Одоогийн байдлаар энэ салбар соронзон туйлуудыг тодорхойлохдоо машины харааг голчлон ашигладаг бөгөөд энэ нь ихээхэн хэмжээний тоног төхөөрөмжийн хөрөнгө оруулалт шаарддаг.

Халбах массив: 'Хар дарсан зүүд' оньсого төсөл

Halbach массивыг боловсруулж, угсрахад хүндрэлтэй байгааг зөвхөн хар дарсан зүүд гэж тодорхойлж болно. Туйл бүрийг өөр өөр соронзлолын чиглэлтэй олон сегментээс хооронд нь холбох шаардлагатай бөгөөд ингэснээр илүү олон соронзны төрөл, илүү төвөгтэй соронзлолын чиг баримжаа бий болно. Угсрах явцад зэргэлдээх соронзуудын хооронд асар их түлхэх хүч байдаг бөгөөд өчүүхэн хайхрамжгүй байдал нь соронзыг нүүлгэн шилжүүлэх, бүр хугарах зэрэгт хүргэдэг. Салбарынхан 'Угсралт нь бага зэрэг хазайсан бол хусдаг' гэж хэлдэг.

Цаашилбал, Halbach массив нь өндөр температурт холболтыг салгахгүйн тулд 200 ° C-аас дээш температурт тэсвэртэй эпокси давирхайг шаарддаг. Эдгээр тусгай технологийн шаардлагууд нь Halbach массивын роторын угсралт нь одоогоор гар ажиллагаанаас ихээхэн хамааралтай, автоматжуулалтын түвшин бага, гадаргуу дээр суурилуулсантай харьцуулахад хөдөлмөрийн зардлын харьцангуй өндөр хувийг эзэлдэг гэсэн үг юм.

2.3 Үйлдвэрлэлийн нарийвчлал ба гүйцэтгэлийн алдагдлаас үүдэлтэй далд зардал

Хэрэв материал, боловсруулалт нь 'харагдах' зардал юм бол нарийн асуудал бол 'үл үзэгдэх' боловч үхэлд хүргэж болзошгүй далд зардлууд юм.

Тэнхлэгийн урсгалын хөдөлгүүрт агаарын цоорхойг хянах нь өөрөө техникийн гол бэрхшээл юм. Радиаль моторын цилиндр хэлбэрийн тохируулгаас ялгаатай нь тэнхлэгийн урсгалын мотор дахь статор ба ротор нь параллель ялтсууд бие биентэйгээ тулгардаг дискний бүтцийг бүрдүүлдэг бөгөөд энэ нь хуримтлагдсан хүлцлийн гинжийг ихээхэн уртасгадаг. Судалгаанаас харахад роторын хазайлт нь агаарын цоорхойн соронзон орныг гажуудуулж, туйл бүрийн дор талбайн тэгш бус далайцтай, эргүүлэх момент болон үйл ажиллагааны жигд байдалд шууд нөлөөлдөг болохыг харуулж байна.

Хоёр схемийн нарийвчлалын зардлын ялгаа нь онцгой ач холбогдолтой:

• Гадаргуу дээр суурилуулсан : Нэг төрлийн соронзтой бол угсрах процессыг харьцангуй хянах боломжтой. Нарийвчлалын алдагдлыг голчлон холболтын хүлцэл ба агаарын ялгааны жигд байдлаас тодорхойлдог. Хэдийгээр зарим ургацын дарамт байгаа ч процессын төлөвшил өндөр, ерөнхийдөө удирдах боломжтой.

• Халбах массив : Олон соронзны сегментийг залгах нь хуримтлагдсан хүлцлийн гинжийг уртасгадаг. Нэг сегментийн аливаа байрлалын болон өнцгийн хазайлт нь массивын соронзон хамгаалалтын нөлөөг устгаж, урсгалын алдагдал ихсэх, агаарын зайны урсгалын нягтын долгионы хэлбэрийг гажуудуулахад хүргэдэг. Илүү чухал зүйл бол Халбах массив нь соронз хоорондын тэгшлэх өнцөгт маш мэдрэмтгий байдаг. Нэгэнт хазайлт үүссэн тохиолдолд гүйцэтгэл буурч зогсохгүй нэмэлт гармоник алдагдал болон чичиргээний дуу чимээ үүсдэг. Энэхүү нарийн мэдрэмж нь өндөр хаягдал хэмжээ, хяналтын зардалд хүргэдэг.

Масс үйлдвэрлэлийн хувилбарт энэ нарийвчлалын ялгаа улам бүр нэмэгддэг: үйлдвэрлэлийн хүлцэл байдаг тул моторуудын хоорондох цахилгаан соронзон шинж чанаруудын тууштай байдал нь ихэвчлэн радиаль мотортой адил сайн байдаггүй. Ижил хяналтын алгоритмыг өөр моторт хэрэглэх үед гүйцэтгэлийн хазайлтад хүргэж болно. Халбах массив нь үүнд онцгой мэдрэмтгий байдаг бөгөөд энэ нь инженерийн практикт дибаг хийх цаг илүү, борлуулалтын дараах эрсдэл өндөр байдаг гэсэн үг юм.

III. Үнийн саналын логик: Эцсийн үнэ яагаад 1+1=2 биш байна вэ?

Дээрх зардлын задралыг ойлгосны дараа нийлүүлэгчийн үнийн саналын логик ойлгомжтой болно.

Нийлүүлэгчийн үнийн саналын үндсэн логик:

1. Материалын өртөг дээр нэмсэн үнэлгээ : Соронзон зэрэг болон тоо хэмжээ нь хамгийн шууд зардлын зангуу юм. Өндөр зэрэглэлийн соронз нь нэгжийн үнэ илүү өндөр байдаг бөгөөд үүний зэрэгцээ өндөр агуулгатай байх нь ихэвчлэн жижиг багцыг өөрчлөх гэсэн үг бөгөөд худалдан авалтын үнийн хөнгөлөлт эдлэхэд хүндрэл учруулж, нэгжийн өртөгийг улам нэмэгдүүлнэ.

2. Процессын хүндрэлийн дээд зэрэглэл : Угсралтын нарийн төвөгтэй байдал, автоматжуулалтын хурд багатай тул Халбах массивын үнийн саналд ихэвчлэн ажлын цагийн өндөр зардал, тоног төхөөрөмжийн элэгдлийн хуваарилалт багтдаг. Ялангуяа жижиг багцын захиалгын хувьд багаж хэрэгсэл, бэхэлгээ, соронзлох төхөөрөмж зэрэг тогтмол зардлын нэгж тус бүрийг хуваарилах нь маш өндөр байдаг.

3. Нарийвчлалын баталгаа ба гарцын алдагдлыг хуваарилах : Халбах массивын хаягдлын хэмжээ нь гадаргуу дээр суурилуулсан төрлийнхээс хамаагүй өндөр байна. Нийлүүлэгчид энэ хүлээгдэж буй алдагдлыг үнийн саналдаа тусгах хэрэгтэй. Туршлагад үндэслэн, ижил үзүүлэлттэй Halbach массив роторын хувьд үнийн саналд далд хуваарилагдсан гарцын алдагдал нь материалын өртгийн 5% -иас 15% хүрч болно.

4. Хяналт шалгалт ба баталгаажуулалтын дээд зэрэглэл : Өндөр хүчин чадалтай Halbach роторууд нь ихэвчлэн соронзон орны долгионы хэлбэрийн нэмэлт шалгалт, динамик тэнцвэржүүлэх шалгалт тохируулга шаарддаг; Эдгээр хяналтын тоног төхөөрөмж, ажлын цаг нь үнийн саналд багтдаг.

5. Багцын үр нөлөө : Гадаргуу дээр суурилуулсан төрөл нь том хэмжээний автоматжуулсан үйлдвэрлэлд тохиромжтой бөгөөд гарц нэмэгдэхийн хэрээр ахиу зардал хурдан буурдаг. Үүний эсрэгээр, автоматжуулалтын хүндрэлээс шалтгаалан Halbach массивын ахиу зардлын бууралтын муруй нь хамаагүй хавтгай бөгөөд жижиг багц хувилбаруудад үнийн зөрүүг онцгой болгодог.

IV. Сонгон шалгаруулах гарын авлага: Та хэзээ илүү төлөх ёстой вэ?

Зардлын зөрүү ба үнийн саналын логикийг ойлгохын тулд эцсийн инженерийн шийдвэр нь хэрэглээний хувилбарын гүйцэтгэлийн шаардлага ба зардлын хүлцлийн хоорондын тэнцвэрт байдлаас хамаарна.

• Уламжлалт гадаргуу дээр суурилуулсан төхөөрөмжийг сонгоно уу : Үйлдвэрлэлийн ерөнхий хөтчүүд, гэр ахуйн цахилгаан хэрэгсэл, жижиг болон дунд оврын тоног төхөөрөмж гэх мэт эзэлхүүн болон жингийн хязгаарлалт нь тийм ч хатуу биш зардалд мэдрэмтгий хувилбаруудад тохиромжтой. Орон зай хангалттай байгаа тохиолдолд роторын диаметрийг зохих ёсоор нэмэгдүүлэх замаар урсгалын хангалтгүй нягтыг нөхөж, Халбах массивын хураамжийг төлөх шаардлагагүй болно.

• Халбах массивыг сонгоно уу : Хүн дүрст робот холболт (өндөр эргүүлэх момент, бага хурдны харьцаатай нарийн хяналт шаарддаг), сансрын хөдөлгөгч болон дээд зэргийн нарийвчлалтай серво систем зэрэг эрчим хүчний нягтрал болон эргүүлэх моментийн чанарт хэт их эрэлт хэрэгцээтэй хувилбаруудад тохиромжтой. Эзлэхүүн ба жин нь хатуу хязгаарлалттай үед Halbach массивын авчирсан гүйцэтгэлийн өсөлт нь зардлын өсөлтөөс хамаагүй давдаг.

Шийдвэр гаргах практик хүрээ:

Хэрэв таны төсөлд 'ротор тус бүр хэр их үнэтэй'-ээс илүү 'килограмм тутамд хэр их хэмнэлт хийх боломжтой' нь чухал бол Халбах массивыг нухацтай авч үзэх хэрэгтэй. Үүний эсрэгээр, хэрэв зардлын дарамт нь үндсэн хязгаарлалт юм бол гадаргуу дээр суурилуулсан шийдэл нь аль хэдийн хангалттай сайн байна. 'Технологийн дэвшил' гэсэн хоосон нэрийн төлөө шаардлагагүй урамшуулал бүү төл.

Дүгнэлт

Тэнхлэгийн урсгалын моторын роторын топологийг сонгох нь үндсэндээ байнгын соронзны тоо хэмжээ, боловсруулалтын хүндрэл, нарийвчлалын өртөг зэрэг гурван талын тоглоом юм. Уламжлалт гадаргуу дээр суурилуулсан төрөл нь боловсорч гүйцсэн процесс, хямд өртөгөөрөө гол зах зээлийг эзэлдэг бол өндөр гүйцэтгэлийн таазтай Халбах массив нь дээд зэрэглэлийн домэйнд орлуулшгүй юм.

SMC нунтаг металлурги, феррит орлуулах, ухаалаг угсралт зэрэг шинэ технологийг хөгжүүлснээр тэнхлэгийн урсгалын моторын үйлдвэрлэлийн нийт өртөг аажмаар буурах төлөвтэй байна. Технологи хэрхэн хөгжиж байгаагаас үл хамааран роторын зардлын үндсэн найрлагыг ойлгох нь соронзны зэрэглэлээс угсралтын хүлцэл, материалын алдагдлаас эхлээд ургацын хуваарилалт хүртэл инженерүүдэд оновчтой шийдвэр гаргах урьдчилсан нөхцөл хэвээр байна.

Зардал нь энгийн нэмэлт биш юм; Энэ нь техникийн сонголт, үйл явцын чадавхи, бизнесийн стратегийн иж бүрэн зураглал юм.