De drie belangrijkste uitdagingen van magnetische levitatiemotorrotoren en hun oplossingen

Magnetische lagermotoren, met hun voordelen van contactloze werking, geen slijtage en hoge efficiëntie, vervangen in snel tempo traditionele motoren op gebieden als hogesnelheidscompressoren, ventilatoren en vliegwielenergieopslag. Wanneer rotatiesnelheden echter tienduizenden of zelfs meer dan honderdduizend omwentelingen per minuut bereiken, wordt de betrouwbaarheid van de rotor de doorslaggevende factor voor het succes van het product. Trillingen en abnormaal geluid, losraken van de magneet en falen bij hoge snelheden zijn drie hardnekkige problemen waar ingenieurs in de industrie al lang last van hebben. Dit artikel begint bij de grondoorzaken, analyseert de fysieke mechanismen achter deze problemen en introduceert de meest effectieve huidige oplossing: koolstofvezelwikkeltechnologie.

1. Trillingen en abnormaal geluid: de onzichtbare 'Laagfrequente moordenaar'

1.1 Fenomenen en gevaren

Tijdens bedrijf vertonen magnetische lagermotoren soms abnormale trillingen en geluiden die onafhankelijk zijn van de rotatiesnelheid. In tegenstelling tot de onbalanstrilling die gebruikelijk is bij gewone roterende machines, wordt deze trilling niet beïnvloed door het snelheidsniveau; het blijft bestaan, zelfs bij een stabiele snelheid. Langdurige blootstelling aan dergelijke trillingen versnelt niet alleen schade door vermoeidheid aan lagers en structurele onderdelen, maar produceert ook irriterend geluid, wat de betrouwbaarheid van de apparatuur en de gebruikerservaring ernstig aantast.

1.2 Analyse van de hoofdoorzaak

Uit onderzoek blijkt dat de laagfrequente trillingen van De rotor van de magnetische levitatiemotor wordt bepaald door de natuurlijke frequentie van het gesloten regelsysteem en wordt opgewonden door externe ruis. Met andere woorden: dit is geen puur mechanisch probleem, maar een koppelingsverschijnsel tussen het besturingssysteem en de mechanische structuur.

Concreet kunnen de volgende factoren laagfrequente trillingen veroorzaken:

• Rotoronbalans : verplaatsing van het massamiddelpunt veroorzaakt door bewerkings- en montagefouten;

• Lagerspeling : discrepantie tussen de controleparameters van de magnetische lagers en de dynamische eigenschappen van de rotor;

• Tussenliggende schakels in het besturingssysteem : vertragingen en niet-lineariteiten bij signaalverwerving, -verwerking en -uitvoer.

1.3 Oplossingen

Voor laagfrequente trillingen omvatten de reguliere technische benaderingen:

(1) Dynamische balanceringscorrectie : gebruik uiterst nauwkeurige balanceerapparatuur om de rotor te corrigeren, door contragewichten toe te voegen of te verwijderen om de onbalans binnen het toegestane bereik te brengen.

(2) Optimalisatie van controlealgoritmen : onderzoekers hebben trillingscompensatiestrategieën voorgesteld op basis van uitgebreide staatswaarnemers. Experimentele resultaten laten zien dat onder dezelfde excitatie met witte ruis de maximale rotortrilling met de compensator met ongeveer 21% wordt verminderd in vergelijking met alleen PID-regeling; bij 30.000 tpm wordt de maximale rotortrilling met 26,6% verminderd.

(3) Structurele optimalisatie : optimaliseer het ontwerp van de rotorstructuur om de stijfheid en dempingseigenschappen van het rotorsysteem te verbeteren.

2. Magneetloslating: de 'centrifugale pijn' bij hoge snelheden

2.1 Verschijnselen en gevaren

Het losraken van de magneet is een van de ernstigste storingen bij permanentmagneetmotoren. Bij snelheden van tienduizenden toeren per minuut kan de middelpuntvliedende kracht op de magneten duizenden keren hun eigen gewicht bereiken. Zodra een magneet loskomt van het rotoroppervlak, nemen de motorprestaties in het beste geval scherp af; in het slechtste geval kan dit leiden tot vastlopen van de rotor, krassen in de statorboring en andere catastrofale gevolgen.

2.2 Analyse van de hoofdoorzaak

Het loskomen van de magneet en het optillen van de randen kunnen worden toegeschreven aan vijf sleutelfactoren:

(1) Onvoldoende sterkte : de schuifsterkte van de lijm is lager dan de centrifugaal- of slagkracht op de magneet, waardoor de verbinding niet kan blijven bestaan.

(2) Falen bij hoge en lage temperaturen : de lijm wordt bros bij lage temperaturen of faalt bij hoge temperaturen, waardoor de hechtingsprestaties drastisch afnemen. Gewone lijmen hebben doorgaans een bedrijfstemperatuur van rond de 120°C, terwijl de interne temperatuurstijging van de motor dit bereik vaak overschrijdt.

(3) Mismatch in thermische uitzettingscoëfficiënten : de verschillen in thermische uitzetting tussen de magneet (bijv. NdFeB) en het rotormateriaal (bijv. aluminiumlegering) zijn groot, en temperatuurveranderingen veroorzaken interne spanning waardoor de lijmlaag barst.

(4) Hoogfrequente trillingen : langdurige hoogfrequente trillingen belasten voortdurend de lijmlaag, waardoor vermoeidheidsproblemen worden versneld.

(5) Omgevingscorrosie : vocht, hitte, zoutnevel, enz. tasten de lijmlaag aan en verzwakken de hechting.

Bovendien kan een onjuist segmentatieontwerp van de magneten het probleem verergeren. Wanneer een enkel magneetsegment een te groot oppervlak heeft dat in contact komt met de rotor, kan het omwikkelen van koolstofvezel aan de buitenkant de magneet gemakkelijk doen barsten; zelfs als het tijdens het opwinden niet barst, kan het na enig gebruik barsten.

2.3 Oplossingen

(1) Optimaliseer het lijmverbindingsproces : selecteer hoogwaardige structurele lijmen, zorg voor schone hechtoppervlakken en controleer de uithardingsomstandigheden strikt.

(2) Ontwerp van magneetsegmentatie : verdeel de magneten in horizontale richting in kleinere segmenten om de oppervlakte van elk stuk te verkleinen en het risico op scheuren te verkleinen.

(3) Versterking van de fysieke beperking  – dit is de meest fundamentele oplossing: voeg een zeer sterke huls toe buiten de magneten om fysieke beperking van de middelpuntvliedende kracht te bieden. Het wikkelen van koolstofvezels wordt momenteel erkend als de beste versterkingsmethode.

3. Storing bij hoge snelheid: wanneer de rotor 'niet kan vasthouden'

3.1 Verschijnselen en gevaren

Wanneer het motortoerental de structurele limiet van de rotor nadert of overschrijdt, wordt de rotor geconfronteerd met een catastrofaal falen. Typische verschijnselen zijn onder meer rotorvervorming, fragmentatie van de permanente magneet, breuk van de huls en vallen van de rotor. Zodra er een storing bij hoge snelheid optreedt, wordt de apparatuur niet alleen gesloopt, maar kan dit ook ernstige veiligheidsongevallen veroorzaken.

3.2 Analyse van de hoofdoorzaak

De fundamentele oorzaak van falen bij hoge snelheden is de  tegenstelling tussen middelpuntvliedende kracht en materiaalsterkte.

Neem als voorbeeld NdFeB permanente magneten. Hoewel ze een extreem hoog magnetisch energieproduct en een extreem hoge coërciviteit hebben, waardoor ze momenteel het best presterende permanente magneetmateriaal zijn, is hun treksterkte laag (<80 MPa) en zijn ze temperatuurgevoelig met een slechte thermische stabiliteit. Bij snelheden van tienduizenden toeren per minuut overschrijdt de centrifugale spanning op de permanente magneten ruimschoots hun eigen sterktelimiet, dus een externe huls is essentieel voor bescherming.

De traditionele oplossing is het gebruik van niet-magnetische metalen hulzen (zoals Inconel 718 of titaniumlegering). Metalen hulzen hebben echter een fataal nadeel:  wervelstroomverliezen . Hoe hoger de geleidbaarheid van de huls, hoe groter de gegenereerde wervelstromen en hoe ernstiger het wervelstroomverlies, waardoor de rotortemperatuur sterk stijgt, waardoor het risico van demagnetisatie van de permanente magneten verder wordt vergroot.

3.3 Oplossingen

Koolstofvezelcomposiethoezen  worden momenteel erkend als de beste oplossing.

De voordelen van koolstofvezelhoezen zijn:

• Lage geleidbaarheid : ze genereren vrijwel geen wervelstroomverliezen, wat resulteert in de laagste rotortemperatuurstijging;

• Hoge sterkte : de specifieke sterkte van koolstofvezel is veel hoger dan die van metalen, waardoor een sterkere weerstand wordt geboden bij een lager gewicht;

• Hoge modulus : door optimalisatie van harsmaterialen en wikkelprocessen kan de elastische modulus worden verhoogd van de traditionele 130-160 GPa naar meer dan 200 GPa.

4. De ultieme oplossing: koolstofvezelwikkeltechnologie

Om tegelijkertijd de drie belangrijkste problemen van trillingsgeluid, losraken van de magneet en falen bij hoge snelheid op te lossen, is het wikkelen van koolstofvezel een onmisbare kerntechnologie. Het principe ervan is om zeer sterk koolstofvezelcomposietmateriaal rond de permanente magneten te wikkelen, waardoor een strak 'pantser' over de rotor wordt gevormd dat een continue radiale beperking biedt tegen de centrifugaalkracht die wordt gegenereerd door rotatie op hoge snelheid.

4.1 Twee reguliere processen

Momenteel zijn er twee belangrijke benaderingen voor de productie van koolstofvezelrotoren:

Perspassingsmethode : maak eerst de koolstofvezelhuls en druk deze vervolgens op de rotor of gebruik krimppassing. Bij het krimpen wordt de rotor gekoeld tot -190°C en kan de huls met zeer weinig axiale kracht worden geïnstalleerd. De perspassingsmethode is relatief volwassen, maar vereist uiterst nauwkeurige controle van de perspassing; te veel interferentie kan de magneten doen barsten, terwijl te weinig interferentie onvoldoende weerstand biedt.

Directe wikkelmethode : wikkel de koolstofvezel rechtstreeks op het permanente magneetoppervlak en hard deze vervolgens uit. Deze methode vereist een uiterst strikte controle over de wikkelspanning, de uithardingstemperatuur, de verbinding tussen de lagen en andere procesparameters, maar kan een meer uniforme voorspanning en een hoger materiaalgebruik bereiken.

4.2 Belangrijkste technische problemen

(1) Voorspanningscontrole : tijdens het wikkelen moet een passende initiële spanning worden uitgeoefend, zodat de koolstofvezel na het uitharden een continue voorcompressie op de magneten uitoefent. Overmatige spanning kan de magneten doen barsten, terwijl onvoldoende spanning geen adequate weerstand kan bieden.

(2) Thermische aanpassing : de thermische uitzettingscoëfficiënten van het koolstofvezelcomposiet, de permanente magneten en het asmateriaal moeten nauwkeurig op elkaar worden afgestemd om overmatige interne spanning als gevolg van temperatuurveranderingen te voorkomen.

(3) Spanningsanalyse: er moet software voor eindige-elementenanalyse (bijv. MSC Patran/Nastran) worden gebruikt om de spanning en vervorming van de rotorstructuur nauwkeurig te analyseren, waarbij de optimale dikte, hoek en procesparameters van de wikkellaag worden bepaald.

Studies hebben aangetoond dat een magnetische levitatiemotorrotor met een koolstofvezelversterkingsring kan voldoen aan de sterkte- en vervormingseisen bij hoge snelheden van 72.000 tpm.

5. Het koolstofvezelwikkelproces van SDM

Op het gebied van koolstofvezelwikkeling voor magnetische lagers / hogesnelheidsmotorrotoren is  SDM  een van de weinige binnenlandse bedrijven die de kerntechnologie beheersen.

Op het gebied van magnetische lagers / hogesnelheidsmotorrotoren heeft het koolstofvezelwikkelproces van SDM de volgende uitstekende kenmerken:

(1) Productiecapaciteit voor de volledige keten : het bedrijf beschikt over een one-stop-productiecapaciteit voor de volledige keten, van magnetische materialen (zachtmagnetisch + hardmagnetisch) tot motorstator-/rotorcomponenten en vervolgens tot micromotorsystemen met resolutiesensoren. Dit betekent dat, van de magneetselectie en het rotorontwerp tot het wikkelen van koolstofvezels en de eindtests, alles in eigen huis wordt gedaan, waardoor een extreem hoge kwaliteitscontrole wordt gegarandeerd.

(2) Onderzoek en ontwikkeling van permanente zeldzame aardmetalen van de vierde generatie : het bedrijf investeert voortdurend in de ontwikkeling van permanente magneetmaterialen van de vierde generatie, waardoor betere magneetsubstraten voor het wikkelen van koolstofvezels worden verkregen. De kwaliteit van de magneten zelf – inclusief treksterkte, thermische stabiliteit en maatnauwkeurigheid – bepaalt rechtstreeks de uiteindelijke prestaties van de koolstofvezelwikkeling.

(3) Precisiebewerkingsmogelijkheden : het bedrijf maakt gebruik van precisiebewerkingsprocessen zoals CNC-cilindrisch slijpen om de maatnauwkeurigheid van rotors en hulzen te garanderen. Koolstofvezelwikkeling vereist een extreem hoge rondheid en coaxialiteit van het rotorsubstraat; elke kleine bewerkingsfout wordt bij hoge snelheid versterkt.

(4) Geoptimaliseerd ontwerp van de magneetsegmentatie : SDM ontwerpt de magneetsegmenten met volledige aandacht voor de kenmerken van koolstofvezelwikkeling, waarbij de magneten rationeel worden gesegmenteerd om voldoende magnetische prestaties te garanderen en tegelijkertijd het scheurrisico te vermijden dat wordt veroorzaakt door te grote individuele magneetgebieden. Deze ontwerpbenadering pakt direct de pijnpunten van het wikkelproces aan.

(5) Synergetische optimalisatie van het wikkelproces en de materialen : door voortdurend onderzoek naar harsmaterialen en optimalisatie van het wikkelproces heeft het bedrijf de elasticiteitsmodulus van het koolstofvezelcomposiet gestaag verhoogd, waardoor wervelstroomverliezen tot een minimum worden beperkt en tegelijkertijd de sterkte wordt gewaarborgd, waardoor het probleem van overmatige temperatuurstijging geassocieerd met metalen hulzen fundamenteel wordt opgelost.

Conclusie

Het trillingsgeluid, het loskomen van de magneet en het falen bij hoge snelheid van de rotor van de magnetische levitatiemotor zijn in wezen manifestaties van de tegenstelling tussen middelpuntvliedende kracht en materialen, structuur en controlesystemen bij hoge rotatiesnelheden. Koolstofvezelwikkeltechnologie is, door het bieden van sterke fysieke weerstand met weinig verlies, de optimale oplossing geworden voor deze drie grote uitdagingen.

SDM, met zijn 16 jaar ervaring in de magnetische materialenindustrie, productiecapaciteit voor de volledige keten, R&D-sterkte van de vierde generatie zeldzame aardmagneet en verfijnd koolstofvezelwikkelproces, biedt steeds betrouwbaardere rotoroplossingen voor magnetische lagers / hogesnelheidsmotoren. In de toekomst zullen, met de voortdurende vooruitgang op het gebied van koolstofvezelmaterialen en wikkeltechnologieën, de snelheidslimieten en betrouwbaarheid van magnetische lagermotoren nog verder worden opgeschroefd.