I. „Test przetrwania” w warunkach szybkiego obrotu
Silniki wykorzystujące lewitację magnetyczną, charakteryzujące się bezdotykową pracą, wysoką wydajnością i wyjątkowo dużymi prędkościami obrotowymi, są coraz częściej stosowane w wysokiej klasy sprzęcie, takim jak dmuchawy przemysłowe, sprężarki i koła zamachowe magazynujące energię. Jednakże, gdy prędkość obrotowa osiąga dziesiątki tysięcy obrotów na minutę lub nawet więcej, magnesy trwałe na wirniku poddawane są ciężkiej „próbie przetrwania”.
Gdzie leży problem?
W silnikach lewitacji magnetycznej powszechnie wykorzystuje się spiekany NdFeB jako materiał na magnes trwały. Chociaż NdFeB oferuje doskonałe właściwości magnetyczne – w tym bardzo wysoką energię magnetyczną i koercję – ma krytyczną słabość: jego wytrzymałość na ściskanie jest znacznie większa niż wytrzymałość na rozciąganie . Spiekany NdFeB, wytwarzany metodą metalurgii proszków, ma zazwyczaj wytrzymałość na rozciąganie nie większą niż 80 MPa. Przy dużych prędkościach siła odśrodkowa generuje znaczne naprężenia rozciągające wewnątrz magnesu trwałego – w warunkach pracy 18 000 obr./min naprężenie odśrodkowe w NdFeB może przekroczyć 160 MPa, czyli prawie dwukrotnie przekraczając własną granicę wytrzymałości.
To jest jak lina wykonana z kruchego materiału: wytrzymuje ściskanie bez problemu, ale łatwo pęka pod napięciem. Kiedy silnik obraca się z dużą prędkością, magnesy trwałe poddawane są działaniu sił rozciągających, gdy są „wyrzucane na zewnątrz”. Po przekroczeniu limitu stal magnesu pęka, rozbija się, a nawet powoduje pęknięcie wirnika.
II. Rękaw z włókna węglowego: „ciasny pancerz” dla stali magnetycznej
Jak możemy chronić delikatne magnesy trwałe przed pękaniem pod wpływem siły odśrodkowej? Najskuteczniejszym dostępnym obecnie rozwiązaniem jest dodanie tulei z włókna węglowego na magnesach trwałych.
Włókno węglowe ma wytrzymałość na rozciąganie ponad 5000 MPa, znacznie przekraczającą granicę wytrzymałości NdFeB. Co ważniejsze, w porównaniu z tradycyjnymi tulejami metalowymi, takimi jak stop tytanu, tuleja z włókna węglowego oferuje trzy główne zalety:
Lekkość i wysoka wytrzymałość – Wytrzymałość właściwa (stosunek wytrzymałości do gęstości) włókna węglowego jest znacznie wyższa niż w przypadku metali, więc cieńszy i lżejszy materiał może zapewnić wystarczającą wytrzymałość ochronną.
Brak strat prądu wirowego – włókno węglowe jest słabym przewodnikiem, więc nie generuje strat prądu wirowego o wysokiej częstotliwości jak metalowe tuleje, co pozwala uniknąć dodatkowych strat mocy i problemów z nagrzewaniem.
Niska rozszerzalność cieplna – włókno węglowe ma niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, zapewniając dobrą stabilność wymiarową w warunkach pracy w wysokiej temperaturze.
III. Główny sekret zapobiegania pękaniu: stres wstępny
Czy dodanie tulei z włókna węglowego oznacza, że wszystko zostało rozwiązane? Nie całkiem.
Kluczową kwestią jest to, że zarówno tuleja, jak i magnesy trwałe ulegają promieniowemu rozszerzaniu w wyniku siły odśrodkowej podczas obrotu z dużą prędkością. Jeśli tuleję po prostu „założymy” na magnesy, pojawi się między nimi szczelina – ponieważ promieniowe odkształcenie tulei jest często większe niż magnesów. Po utworzeniu szczeliny tuleja traci przyczepność do magnesów, a stal magnesu nadal będzie pękać.
Rozwiązaniem jest zastosowanie ciągłego „naprężenia wstępnego” na magnesach trwałych.
Tworząc pasowanie wciskowe pomiędzy tuleją a magnesami (tj. wewnętrzna średnica tulei jest nieco mniejsza niż zewnętrzna średnica magnesów), tuleja działa jak „ciasny kombinezon”, który szczelnie owija się wokół magnesów, wywołując wewnętrzne promieniowe naprężenie ściskające. Gdy wirnik obraca się z dużą prędkością, to naprężenie wstępne skutecznie przeciwdziała naprężeniom rozciągającym powodowanym przez siłę odśrodkową.
Badania pokazują, że gdy interferencja osiąga wartość większą niż 0,10 mm, maksymalne naprężenie odśrodkowe w magnesach trwałych można zmniejszyć z ponad 160 MPa do poniżej 70 MPa, czyli znacznie poniżej ich granicy wytrzymałości. W ekstremalnych warunkach (np. wysoka temperatura 200°C i zbyt duża prędkość obrotowa), chociaż naprężenie obwodowe w tulei z włókna węglowego może wzrosnąć do ponad 1000 MPa, nadal istnieje wystarczający margines bezpieczeństwa w stosunku do granicy wytrzymałości materiału z włókna węglowego wynoszącej 1400 MPa.
IV. Jak osiągnąć stres wstępny? Dwie ścieżki procesu
Obecnie istnieją dwie główne metody uzyskiwania naprężenia wstępnego w tulei z włókna węglowego:
Trasa 1: Zgromadzenie zakłócające
Tuleja z włókna węglowego jest produkowana oddzielnie, a następnie montowana na wirniku poprzez montaż termiczny lub na zimno. Na przykład schłodzenie wirnika do –190°C umożliwia nasuwanie tulei przy bardzo małej sile osiowej; alternatywnie można zastosować metodę wtłaczania osiowego z siłą docisku do 25 kN.
Metoda ta ma jednak wady: włókno węglowe jest kruche i ma słabą wytrzymałość, przez co jest podatne na uszkodzenia i pęknięcia podczas montażu wciskowego. Ponadto proces montażu jest złożony, a kontrola zakłóceń trudna.
Droga 2: Uzwojenie wysokiego napięcia (lepsze rozwiązanie)
Włókno węglowe jest nawijane bezpośrednio na powierzchnię wirnika, a podczas procesu nawijania na wiązki włókien przykładane jest duże napięcie , dzięki czemu każda warstwa włókna szczelnie owinie się wokół powierzchni magnesu trwałego.
Subtelność tej metody polega na tym, że sam proces nawijania jest procesem wstępnego naprężenia . Kontrolując napięcie włókien, na tuleję można nałożyć pożądane pole naprężenia wstępnego, zastępując tradycyjną metodę mechanicznej interferencji.
V. Proces nawijania włókna węglowego SDM
W dziedzinie szybkich wirników silników wykorzystujących lewitację magnetyczną firma Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. opanowała dojrzały proces nawijania włókna węglowego . Jego cechy techniczne odzwierciedlają się głównie w następujących aspektach:
Technologia uzwojenia obwodowego pod wysokim napięciem. SDM przyjmuje proces bezpośredniego nawijania włókna węglowego obwodowo na powierzchnię wirnika. Dzięki precyzyjnej kontroli naprężenia przykładanego do kabli włókna węglowego podczas nawijania, warstwy włókien są ściśle dopasowane do zewnętrznej powierzchni magnesów trwałych. Proces ten zapewnia jednocześnie wymaganą siłę wstępnego dokręcenia magnesów podczas wytwarzania tulei, unikając ryzyka pęknięć i trudności montażowych związanych z tradycyjnym montażem wciskowym.
Precyzyjna kontrola harmonogramu naprężenia. Proces SDM elastycznie wykorzystuje różne tryby kontroli napięcia w zależności od różnych wymagań operacyjnych. Aby sprostać różnym potrzebom w zakresie rozkładu naprężeń – np. „luźniejszy wewnątrz, ciaśniejszy na zewnątrz” lub „ciaśniejszy wewnątrz, luźniejszy na zewnątrz” – mogą wybrać tryby uzwojenia o stałym napięciu, stałym momencie obrotowym lub zwężającym się napięciu. Kontrolując napięcie uzwojenia warstwa po warstwie, naprężenia szczątkowe w warstwach włókien można równomiernie rozłożyć do stanu idealnego.
Ilościowa weryfikacja siły wstępnego dokręcania. SDM ustanowiło kompletną techniczną pętlę zamkniętą, od obliczeń teoretycznych po symulację elementów skończonych i wreszcie weryfikację eksperymentalną. Dla siły wstępnego dokręcania generowanej przez nawiniętą pod wysokim napięciem tuleję z włókna węglowego na magnesach trwałych, średni błąd pomiędzy wynikami badań eksperymentalnych a obliczeniami analitycznymi wynosi 8,56%, a średni błąd w odniesieniu do symulacji metodą elementów skończonych wynosi 7,88% – ten poziom dokładności w pełni gwarantuje niezawodność projektu naprężenia wstępnego.
Zintegrowane możliwości pełnego procesu. Od doboru materiału z włókna węglowego, projektu konstrukcyjnego i projektu elektromagnetycznego po procesy montażu form, produkcję sprzętu oraz kontrolę i testowanie, SDM posiada pełne możliwości techniczne. Siedziba firmy znajduje się w Hangzhou, a jej układ jest zintegrowany z branżą, co umożliwia zapewnianie klientom rozwiązań obejmujących cały łańcuch, od magnesów po zespoły wirników.
To właśnie dzięki temu udoskonalonemu procesowi nawijania włókna węglowego szybkoobrotowe wirniki silników SDM oparte na lewitacji magnetycznej mogą skutecznie zapobiegać pękaniu stali magnetycznej w warunkach odśrodkowych przy dużych prędkościach, zapewniając bezpieczną, stabilną i niezawodną pracę wirnika w wymagających warunkach dziesiątek tysięcy obrotów na minutę.
