I. 'Overlevelsestesten' under høyhastighetsrotasjon
Magnetiske levitasjonsmotorer, med fordelene med kontaktløs drift, høy effektivitet og ekstremt høye rotasjonshastigheter, blir i økende grad tatt i bruk i avansert utstyr som industrielle blåsere, kompressorer og energilagringssvinghjul. Men når rotasjonshastigheten når titusenvis av omdreininger per minutt eller enda høyere, blir permanentmagnetene på rotoren utsatt for en alvorlig 'overlevelsestest'.
Hvor ligger problemet?
Magnetiske levitasjonsmotorer bruker vanligvis sintret NdFeB som permanentmagnetmateriale. Selv om NdFeB tilbyr utmerkede magnetiske egenskaper - inkludert svært høye magnetiske energiprodukter og koersivitet - har den en kritisk svakhet: dens trykkstyrke er langt større enn dens strekkstyrke . Sintret NdFeB, produsert via pulvermetallurgi, har typisk en strekkstyrke på ikke mer enn 80 MPa. Ved høye hastigheter genererer sentrifugalkraften betydelig strekkspenning inne i permanentmagneten – under driftsforhold på 18 000 rpm kan sentrifugalspenningen i NdFeB overstige 160 MPa, nesten det dobbelte av sin egen styrkegrense.
Dette er som et tau laget av et sprøtt materiale: det tåler kompresjon uten problemer, men knekker lett under spenning. Når motoren roterer med høy hastighet, utsettes permanentmagnetene for strekkkrefter når de «kastes utover.» Når grensen er overskredet, vil magnetstålet sprekke, knuse eller til og med få rotoren til å sprekke.
II. Karbonfiberhylse: En 'tett rustning' for magnetstålet
Hvordan kan vi beskytte de skjøre permanentmagnetene fra å sprekke under sentrifugalkraft? Den mest effektive løsningen tilgjengelig i dag er å legge en karbonfiberhylse over permanentmagnetene.
Karbonfiber har en strekkfasthet på over 5000 MPa, langt over styrkegrensen til NdFeB. Enda viktigere, sammenlignet med tradisjonelle metallhylser som titanlegering, gir karbonfiberhylsen tre store fordeler:
Lett og høy styrke – Den spesifikke styrken (forhold mellom styrke og tetthet) til karbonfiber er mye høyere enn for metaller, så et tynnere og lettere materiale kan gi tilstrekkelig beskyttelsesstyrke.
Ingen virvelstrømtap – Karbonfiber er en dårlig leder, så den genererer ikke høyfrekvente virvelstrømtap som metallhylser, og unngår dermed ytterligere strømtap og oppvarmingsproblemer.
Lav termisk ekspansjon – Karbonfiber har en lav termisk ekspansjonskoeffisient, noe som sikrer god dimensjonsstabilitet under driftsforhold ved høye temperaturer.
III. Kjernehemmeligheten til anti-cracking: Prestress
Betyr det å legge til en karbonfiberhylse at alt er løst? Ikke helt.
Nøkkelpunktet er at både hylsen og permanentmagnetene gjennomgår radiell ekspansjon på grunn av sentrifugalkraft under høyhastighetsrotasjon. Hvis hylsen ganske enkelt «monteres» over magnetene, vil det oppstå et gap mellom dem - fordi den radielle deformasjonen av hylsen ofte er større enn magnetene. Når det dannes et gap, mister hylsen sin begrensning på magnetene, og magnetstålet vil fortsatt sprekke.
Løsningen er å påføre en kontinuerlig «forspenning» på permanentmagnetene.
Ved å skape en interferenspasning mellom hylsen og magnetene (dvs. hylsens indre diameter er litt mindre enn magnetenes ytre diameter), fungerer hylsen som en 'tett drakt' som vikler seg tett rundt magnetene, og påfører en radiell trykkspenning innover. Når rotoren roterer med høy hastighet, motvirker denne forspenningen effektivt strekkspenningen forårsaket av sentrifugalkraften.
Forskning viser at når interferensen når mer enn 0,10 mm, kan den maksimale sentrifugalspenningen i permanentmagnetene reduseres fra over 160 MPa til under 70 MPa, godt under deres styrkegrense. Under ekstreme forhold (f.eks. 200 °C høy temperatur pluss overhastighetsrotasjon), selv om bøylespenningen i karbonfiberhylsen kan stige til over 1000 MPa, er det fortsatt tilstrekkelig sikkerhetsmargin i forhold til karbonfibermaterialets styrkegrense på 1400 MPa.
IV. Hvordan oppnå forstress? To prosessruter
For tiden er det to vanlige metoder for å oppnå forspenning i en karbonfiberhylse:
Rute 1: Interferensmontering
Karbonfiberhylsen produseres separat og monteres deretter på rotoren ved termisk eller kald montering. For eksempel, avkjøling av rotoren til –190 °C gjør at hylsen kan skyves på med svært liten aksial kraft; alternativt kan en aksial presspasningsmetode med en pressekraft på opptil 25 kN brukes.
Imidlertid har denne metoden ulemper: karbonfiber er sprø og har dårlig seighet, noe som gjør den utsatt for skade og sprekker under interferensmontering. Dessuten er monteringsprosessen kompleks og interferenskontroll er vanskelig.
Rute 2: Høyspenningsvikling (den bedre løsningen)
Karbonfiber vikles direkte på rotoroverflaten, og under viklingsprosessen høy spenning , noe som gjør at hvert lag med fiber vikler seg tett rundt den permanente magnetoverflaten. påføres fibertauene
Det fine med denne metoden er at selve viklingsprosessen er påføringsprosessen før stress . Ved å kontrollere fiberspenningen kan det ønskede forspenningsfeltet påføres hylsen, og erstatte den tradisjonelle mekaniske interferensmetoden.
V. SDMs karbonfiberviklingsprosess
Innenfor magnetisk levitasjon med høyhastighets motorrotorer, har Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. mestret en moden karbonfiberviklingsprosess . Dens tekniske egenskaper gjenspeiles hovedsakelig i følgende aspekter:
Høyspent omkretsviklingsteknologi. SDM tar i bruk prosessruten med direkte vikling av karbonfiber perifert på rotoroverflaten. Ved nøyaktig å kontrollere spenningen som påføres karbonfibertauene under vikling, blir fiberlagene tett tilpasset den ytre overflaten av permanentmagnetene. Denne prosessen gir samtidig den nødvendige forhåndsstrammingskraften til magnetene under fremstilling av hylsen, og unngår sprekkrisikoen og monteringsvanskene forbundet med tradisjonell interferensmontering.
Nøyaktig kontroll av spenningsplanen. SDMs prosess bruker fleksibelt forskjellige spenningskontrollmoduser i henhold til forskjellige driftskrav. For å møte ulike behov for spenningsfordeling – for eksempel «løsere innvendig, tettere utvendig» eller «strammere innvendig, løsere utvendig» – kan de velge konstant strekk, konstant dreiemoment eller konisk strekkvikling. Ved å kontrollere viklingsspenningen lag for lag, kan restspenningen i fiberlagene gjøres jevnt fordelt til en ideell tilstand.
Kvantitativ verifisering av forstrammingskraft. SDM har etablert en komplett teknisk lukket sløyfe, fra teoretisk beregning til finite element simulering, og til slutt til eksperimentell verifikasjon. For forstrammingskraften som genereres av den høyspenningsviklede karbonfiberhylsen på permanentmagnetene, er gjennomsnittsfeilen mellom eksperimentelle testresultater og analytiske beregninger 8,56 %, og gjennomsnittsfeilen i forhold til finite element-simulering er 7,88 % – dette nøyaktighetsnivået garanterer fullt ut påliteligheten til forspenningsdesignet.
Integrert full-prosess evne. Fra valg av karbonfibermateriale, strukturell design og elektromagnetisk design til støpemonteringsprosesser, utstyrsproduksjon og inspeksjon og testing, har SDM en komplett teknisk kapasitet. Selskapet har hovedkontor i Hangzhou og har et integrert oppsett for industrihandel, som gjør det mulig å gi kundene en komplett kjedeløsning fra magneter til rotorsammenstillinger.
Det er nettopp med denne raffinerte karbonfiberviklingsprosessen at SDMs magnetiske levitasjonshøyhastighetsmotorrotorer effektivt kan forhindre at magnetstål sprekker under høyhastighets sentrifugalforhold, og sikrer sikker, stabil og pålitelig drift av rotoren under krevende forhold på titusenvis av omdreininger per minutt.
