I. De 'Overlevingstest' onder snelle rotatie
Magnetische levitatiemotoren, met hun voordelen van contactloze werking, hoge efficiëntie en extreem hoge rotatiesnelheden, worden steeds vaker toegepast in hoogwaardige apparatuur zoals industriële ventilatoren, compressoren en vliegwielen voor energieopslag. Wanneer de rotatiesnelheid echter tienduizenden toeren per minuut of zelfs hoger bereikt, worden de permanente magneten op de rotor onderworpen aan een zware 'overlevingstest'.
Waar ligt het probleem?
Magnetische levitatiemotoren gebruiken gewoonlijk gesinterd NdFeB als permanent magneetmateriaal. Hoewel NdFeB uitstekende magnetische eigenschappen biedt – waaronder een zeer hoog magnetisch energieproduct en coërciviteit – heeft het een kritische zwakte: de druksterkte is veel groter dan de treksterkte . Gesinterd NdFeB, geproduceerd via poedermetallurgie, heeft doorgaans een treksterkte van niet meer dan 80 MPa. Bij hoge snelheden genereert de middelpuntvliedende kracht een aanzienlijke trekspanning in de permanente magneet. Onder bedrijfsomstandigheden van 18.000 tpm kan de middelpuntvliedende spanning in NdFeB groter zijn dan 160 MPa, bijna het dubbele van de eigen sterktelimiet.
Dit is als een touw gemaakt van bros materiaal: het is zonder problemen bestand tegen compressie, maar breekt gemakkelijk onder spanning. Wanneer de motor met hoge snelheid draait, worden de permanente magneten onderworpen aan trekkrachten terwijl ze 'naar buiten worden geworpen'. Zodra de limiet wordt overschreden, zal het magneetstaal barsten, versplinteren of zelfs de rotor doen barsten.
II. Koolstofvezelhuls: een 'strak pantser' voor het magneetstaal
Hoe kunnen we de kwetsbare permanente magneten beschermen tegen barsten onder middelpuntvliedende kracht? De meest effectieve oplossing die vandaag de dag beschikbaar is, is het aanbrengen van een koolstofvezelhuls over de permanente magneten.
Koolstofvezel heeft een treksterkte van ruim 5000 MPa, wat ruimschoots de sterktelimiet van NdFeB overtreft. Wat nog belangrijker is, vergeleken met traditionele metalen hulzen zoals een titaniumlegering, biedt de koolstofvezelhuls drie belangrijke voordelen:
Lichtgewicht en hoge sterkte – De specifieke sterkte (sterkte-dichtheidsverhouding) van koolstofvezel is veel hoger dan die van metalen, dus een dunner en lichter materiaal kan voldoende beschermende sterkte bieden.
Geen wervelstroomverlies – Koolstofvezel is een slechte geleider en genereert dus geen hoogfrequente wervelstroomverliezen zoals metalen hulzen, waardoor extra vermogensverlies en verwarmingsproblemen worden vermeden.
Lage thermische uitzetting – Koolstofvezel heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, waardoor een goede maatvastheid wordt gegarandeerd onder bedrijfsomstandigheden bij hoge temperaturen.
III. Het kerngeheim van anti-scheurvorming: pre-stress
Betekent het toevoegen van een hoes van koolstofvezel dat alles is opgelost? Niet helemaal.
Het belangrijkste punt is dat zowel de huls als de permanente magneten radiale uitzetting ondergaan als gevolg van centrifugaalkracht tijdens rotatie op hoge snelheid. Als de huls eenvoudigweg over de magneten wordt 'gemonteerd', ontstaat er een spleet ertussen – omdat de radiale vervorming van de huls vaak groter is dan die van de magneten. Zodra zich een opening vormt, verliest de huls zijn druk op de magneten en zal het magneetstaal nog steeds barsten.
De oplossing is om een continue 'voorspanning' op de permanente magneten aan te brengen.
Door een perspassing te creëren tussen de huls en de magneten (dat wil zeggen, de binnendiameter van de huls is iets kleiner dan de buitendiameter van de magneten), gedraagt de huls zich als een 'strak pak' dat zich strak om de magneten wikkelt en een binnenwaartse radiale drukspanning uitoefent. Wanneer de rotor met hoge snelheid draait, neutraliseert deze voorspanning effectief de trekspanning veroorzaakt door de middelpuntvliedende kracht.
Onderzoek toont aan dat wanneer de interferentie meer dan 0,10 mm bereikt, de maximale centrifugale spanning in de permanente magneten kan worden teruggebracht van meer dan 160 MPa naar minder dan 70 MPa, ruim onder hun sterktelimiet. Onder extreme omstandigheden (bijv. hoge temperatuur van 200 °C plus rotatie met te hoge snelheid), hoewel de ringspanning in de koolstofvezelhuls kan oplopen tot boven de 1000 MPa, is er nog steeds voldoende veiligheidsmarge ten opzichte van de sterktelimiet van het koolstofvezelmateriaal van 1400 MPa.
IV. Hoe pre-stress te bereiken? Twee procesroutes
Momenteel zijn er twee reguliere methoden om voorspanning in een koolstofvezelhuls te bereiken:
Route 1: Interferentie-assemblage
De koolstofvezelhuls wordt afzonderlijk vervaardigd en vervolgens op de rotor gemonteerd door middel van thermische of koude montage. Door de rotor bijvoorbeeld af te koelen tot –190 °C kan de huls met zeer weinig axiale kracht worden opgeschoven; Als alternatief kan een axiale perspassingmethode met een perskracht tot 25 kN worden gebruikt.
Deze methode heeft echter nadelen: koolstofvezel is bros en heeft een slechte taaiheid, waardoor het gevoelig is voor beschadiging en scheuren tijdens interferentiemontage. Bovendien is het assemblageproces complex en is het beheersen van interferentie moeilijk.
Route 2: Hoogspanningswikkeling (de betere oplossing)
Koolstofvezel wordt rechtstreeks op het rotoroppervlak gewikkeld en tijdens het wikkelproces wordt er hoge spanning op de vezelkabels uitgeoefend, waardoor elke vezellaag strak om het permanente magneetoppervlak wordt gewikkeld.
De subtiliteit van deze methode is dat het wikkelproces zelf het voorspanningsproces is . Door de vezelspanning te regelen kan het gewenste voorspanningsveld op de huls worden uitgeoefend, ter vervanging van de traditionele mechanische interferentiemethode.
V. SDM's koolstofvezelwikkelproces
Op het gebied van hogesnelheidsmotorrotoren met magnetische levitatie Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. een volwassen beheerst wikkelproces van koolstofvezels . De technische kenmerken komen vooral tot uiting in de volgende aspecten:
Hoogspanning rondwikkeltechnologie. SDM gebruikt de procesroute waarbij koolstofvezel direct langs de omtrek op het rotoroppervlak wordt gewikkeld. Door de spanning die tijdens het wikkelen op de koolstofvezelkabels wordt uitgeoefend nauwkeurig te regelen, worden de vezellagen strak aangepast aan het buitenoppervlak van de permanente magneten. Dit proces zorgt tegelijkertijd voor de vereiste voorspankracht op de magneten tijdens het vervaardigen van de huls, waardoor de risico's op barsten en montageproblemen die gepaard gaan met traditionele interferentiemontage worden vermeden.
Nauwkeurige controle van het spanningsschema. Het SDM-proces maakt op flexibele wijze gebruik van verschillende spanningscontrolemodi, afhankelijk van verschillende bedrijfsvereisten. Om te voldoen aan verschillende behoeften op het gebied van spanningsverdeling – zoals ‘losser van binnen, strakker van buiten’ of ‘strakker van binnen, losser van buiten’ – kunnen ze kiezen voor constante spanning, constant koppel of taps toelopende spanningswikkelingsmodi. Door de wikkelspanning laag voor laag te regelen, kan de restspanning in de vezellagen gelijkmatig verdeeld worden gemaakt tot een ideale toestand.
Kwantitatieve verificatie van de voorspankracht. SDM heeft een complete technische gesloten lus tot stand gebracht, van theoretische berekeningen tot eindige-elementensimulatie en uiteindelijk tot experimentele verificatie. Voor de voorspankracht die wordt gegenereerd door de onder hoge spanning gewikkelde koolstofvezelhuls op de permanente magneten bedraagt de gemiddelde fout tussen experimentele testresultaten en analytische berekeningen 8,56%, en de gemiddelde fout ten opzichte van eindige-elementensimulatie 7,88%. Dit nauwkeurigheidsniveau garandeert volledig de betrouwbaarheid van het voorspanningsontwerp.
Geïntegreerde volledige procesmogelijkheden. Van koolstofvezelmateriaalkeuze, structureel ontwerp en elektromagnetisch ontwerp tot vormassemblageprocessen, productie van apparatuur en inspectie en testen: SDM beschikt over een complete technische capaciteit. Het bedrijf heeft zijn hoofdkantoor in Hangzhou en heeft een geïntegreerde industriële handelsindeling, waardoor het klanten een volledige ketenoplossing kan bieden, van magneten tot rotorassemblages.
Het is precies met dit verfijnde wikkelproces van koolstofvezel dat de hogesnelheidsmotorrotoren van SDM met magnetische levitatie effectief kunnen voorkomen dat magnetisch staal scheurt onder centrifugale omstandigheden met hoge snelheid, waardoor een veilige, stabiele en betrouwbare werking van de rotor wordt gegarandeerd onder de veeleisende omstandigheden van tienduizenden toeren per minuut.
