Trzy główne wyzwania związane z wirnikami silników wykorzystującymi lewitację magnetyczną i ich rozwiązaniami

Silniki z łożyskami magnetycznymi, dzięki zaletom bezstykowej pracy, braku zużycia i wysokiej wydajności, szybko zastępują tradycyjne silniki w takich dziedzinach, jak wysokoobrotowe sprężarki, dmuchawy i magazynowanie energii na kole zamachowym. Jednakże, gdy prędkości obrotowe osiągają dziesiątki tysięcy, a nawet ponad sto tysięcy obrotów na minutę, niezawodność wirnika staje się decydującym czynnikiem sukcesu produktu – wibracje i nietypowy hałas, odłączanie magnesu i awarie przy dużych prędkościach to trzy uporczywe problemy, które od dawna niepokoją inżynierów w branży. Artykuł zaczyna się od przyczyn źródłowych, analizuje mechanizmy fizyczne stojące za tymi problemami i przedstawia najskuteczniejsze obecnie rozwiązanie – technologię nawijania z włókna węglowego.

1. Wibracje i nietypowy hałas: niewidzialny „zabójca niskich częstotliwości”

1.1 Zjawiska i zagrożenia

Podczas pracy silniki z łożyskami magnetycznymi czasami wykazują nietypowe wibracje i hałas, które są niezależne od prędkości obrotowej. W odróżnieniu od wibracji niewyważenia powszechnych w zwykłych maszynach wirujących, poziom prędkości nie ma wpływu na wibracje te; utrzymuje się nawet przy stałej prędkości. Długotrwałe narażenie na takie wibracje nie tylko przyspiesza uszkodzenia zmęczeniowe łożysk i części konstrukcyjnych, ale także powoduje irytujący hałas, poważnie wpływający na niezawodność sprzętu i wygodę użytkownika.

1.2 Analiza przyczyn źródłowych

Badania pokazują, że wibracje o niskiej częstotliwości Wirnik silnika lewitującego magnetycznie jest określany na podstawie częstotliwości własnej układu sterowania w zamkniętej pętli i jest wzbudzany przez szum zewnętrzny. Innymi słowy, nie jest to problem czysto mechaniczny, ale zjawisko sprzężenia pomiędzy systemem sterowania a konstrukcją mechaniczną.

W szczególności następujące czynniki mogą powodować wibracje o niskiej częstotliwości:

• Niewyważenie wirnika : przesunięcie środka masy spowodowane błędami obróbki i montażu;

• Luz łożyskowy : niedopasowanie parametrów sterujących łożysk magnetycznych i charakterystyki dynamicznej wirnika;

• Pośrednie ogniwa w systemie sterowania : opóźnienia i nieliniowości w pozyskiwaniu, przetwarzaniu i wyjściu sygnału.

1.3 Rozwiązania

W przypadku wibracji o niskiej częstotliwości główne podejścia techniczne obejmują:

(1) Korekta wyważenia dynamicznego : użyj precyzyjnego sprzętu do wyważania, aby skorygować wirnik, dodając lub usuwając przeciwwagi, aby sprowadzić niewyważenie do dopuszczalnego zakresu.

(2) Optymalizacja algorytmu sterowania : badacze zaproponowali strategie kompensacji drgań w oparciu o obserwatorów stanu rozszerzonego. Wyniki eksperymentów pokazują, że przy tym samym wzbudzeniu białego szumu maksymalne wibracje wirnika z kompensatorem są zmniejszone o około 21% w porównaniu z samym sterowaniem PID; przy 30 000 obr./min maksymalne wibracje wirnika są zmniejszone o 26,6%.

(3) Optymalizacja strukturalna : optymalizacja konstrukcji wirnika w celu poprawy sztywności i charakterystyki tłumienia układu wirnika.

2. Oderwanie magnesu: „Ból odśrodkowy” przy dużych prędkościach

2.1 Zjawiska i zagrożenia

Odłączenie magnesu jest jedną z najpoważniejszych awarii silników z magnesami trwałymi. Przy prędkościach rzędu dziesiątek tysięcy obrotów na minutę siła odśrodkowa działająca na magnesy może osiągnąć wartość tysiące razy większą od ich własnej masy. Gdy magnes odłączy się od powierzchni wirnika, w najlepszym przypadku wydajność silnika gwałtownie spada; w najgorszym przypadku może to spowodować zakleszczenie wirnika, zatarcie otworu stojana i inne katastrofalne skutki.

2.2 Analiza przyczyn źródłowych

Odłączanie magnesu i podnoszenie krawędzi można przypisać pięciu kluczowym czynnikom:

(1) Niewystarczająca wytrzymałość : wytrzymałość kleju na ścinanie jest niższa niż siła odśrodkowa lub siła uderzenia działająca na magnes, więc połączenie nie może wytrzymać.

(2) Uszkodzenie w wysokiej i niskiej temperaturze : klej staje się kruchy w niskich temperaturach lub zawodzi w wysokich temperaturach, drastycznie zmniejszając skuteczność wiązania. Zwykłe kleje mają zazwyczaj temperaturę roboczą około 120°C, podczas gdy wzrost temperatury wewnętrznej silnika często przekracza ten zakres.

(3) Niedopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej : różnice w rozszerzalności cieplnej pomiędzy magnesem (np. NdFeB) a materiałem wirnika (np. stopem aluminium) są duże, a zmiany temperatury powodują naprężenia wewnętrzne, które powodują pękanie warstwy kleju.

(4) Wibracje o wysokiej częstotliwości : długotrwałe wibracje o wysokiej częstotliwości stale obciążają warstwę kleju, przyspieszając uszkodzenie zmęczeniowe.

(5) Korozja środowiskowa : wilgoć, ciepło, mgła solna itp. atakują warstwę kleju i osłabiają wiązanie.

Ponadto niewłaściwa konstrukcja segmentacji magnesów może pogorszyć problem. Kiedy pojedynczy segment magnesu ma zbyt dużą powierzchnię stykającą się z wirnikiem, owinięcie włókna węglowego na zewnątrz może łatwo spowodować pęknięcie magnesu; nawet jeśli nie pęknie podczas nawijania, może pęknąć po jakiejś operacji.

2.3 Rozwiązania

(1) Zoptymalizuj proces klejenia : wybierz wysokowydajne kleje strukturalne, zapewnij czyste powierzchnie klejenia i ściśle kontroluj warunki utwardzania.

(2) Konstrukcja segmentacji magnesów : podziel magnesy wzdłuż kierunku poziomego na mniejsze segmenty, aby zmniejszyć powierzchnię każdego elementu i zmniejszyć ryzyko pękania.

(3) Wzmocnienie ograniczeń fizycznych  – jest to najbardziej podstawowe rozwiązanie: dodać tuleję o wysokiej wytrzymałości na zewnątrz magnesów, aby zapewnić fizyczne ograniczenie siły odśrodkowej. Uzwojenie z włókna węglowego jest obecnie uznawane za najlepszą metodę wzmacniania.

3. Awaria przy dużej prędkości: gdy wirnik „nie może się utrzymać”

3.1 Zjawiska i zagrożenia

Kiedy prędkość silnika zbliża się lub przekracza granicę konstrukcyjną wirnika, wirnik staje w obliczu katastrofalnej awarii. Typowe objawy obejmują odkształcenie wirnika, fragmentację magnesu trwałego, pęknięcie tulei i upuszczenie wirnika. Gdy wystąpi awaria przy dużej prędkości, sprzęt nie tylko zostanie złomowany, ale może również spowodować poważne wypadki związane z bezpieczeństwem.

3.2 Analiza przyczyn źródłowych

Podstawową przyczyną awarii przy dużych prędkościach jest  sprzeczność między siłą odśrodkową a wytrzymałością materiału.

Weźmy na przykład magnesy trwałe NdFeB. Chociaż charakteryzują się one wyjątkowo wysoką energią magnetyczną i koercją, co czyni je obecnie najlepszymi materiałami na magnesy trwałe, ich wytrzymałość na rozciąganie jest niska (<80 MPa) i są wrażliwe na temperaturę i mają słabą stabilność termiczną. Przy prędkościach rzędu dziesiątek tysięcy obrotów na minutę naprężenie odśrodkowe działające na magnesy trwałe znacznie przekracza ich własną granicę wytrzymałości, dlatego dla ochrony niezbędna jest tuleja zewnętrzna.

Tradycyjnym rozwiązaniem jest zastosowanie niemagnetycznych tulejek metalowych (takich jak Inconel 718 lub stop tytanu). Jednakże tuleje metalowe mają fatalną wadę:  straty spowodowane prądami wirowymi . Im wyższa przewodność tulei, tym większe są generowane prądy wirowe i tym poważniejsze są straty prądu wirowego, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury wirnika, co jeszcze bardziej zwiększa ryzyko rozmagnesowania magnesów trwałych.

3.3 Rozwiązania

Tuleje kompozytowe z włókna węglowego  są obecnie uznawane za najlepsze rozwiązanie.

Zalety tulei z włókna węglowego to:

• Niska przewodność : praktycznie nie generują strat prądu wirowego, co skutkuje najniższym wzrostem temperatury wirnika;

• Wysoka wytrzymałość : wytrzymałość właściwa włókna węglowego jest znacznie wyższa niż metali, co zapewnia silniejsze trzymanie przy mniejszej masie;

• Wysoki moduł : poprzez optymalizację materiałów żywicznych i procesów nawijania moduł sprężystości można zwiększyć z tradycyjnego 130-160 GPa do ponad 200 GPa.

4. Najlepsze rozwiązanie: technologia nawijania włókna węglowego

Aby jednocześnie rozwiązać trzy główne problemy: hałas wibracyjny, odłączanie magnesu i awarie przy dużych prędkościach, uzwojenie z włókna węglowego jest niezbędną technologią podstawową. Jego zasada polega na nawijaniu materiału kompozytowego z włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości wokół magnesów trwałych, tworząc szczelny „pancerz” na wirniku, który zapewnia ciągłe promieniowe wiązanie przeciwko sile odśrodkowej generowanej przez obrót z dużą prędkością.

4.1 Dwa główne procesy

Obecnie istnieją dwa główne podejścia do produkcji wirników z włókna węglowego:

Metoda wtłaczania : najpierw wykonaj tuleję z włókna węglowego, a następnie wciśnij ją na wirnik lub użyj pasowania termokurczliwego. W przypadku montażu termokurczliwego wirnik schładza się do -190°C, a tuleję można zamontować przy bardzo małej sile osiowej. Metoda wciskania jest stosunkowo dojrzała, wymaga jednak niezwykle precyzyjnej kontroli pasowania wciskowego – zbyt duży wcisk może spowodować pęknięcie magnesów, natomiast zbyt mały powoduje niewystarczające utwierdzenie.

Metoda nawijania bezpośredniego : nawiń włókno węglowe bezpośrednio na powierzchnię magnesu trwałego, a następnie utwardz. Metoda ta wymaga niezwykle ścisłej kontroli napięcia uzwojenia, temperatury utwardzania, wiązania międzywarstwowego i innych parametrów procesu, ale pozwala uzyskać bardziej równomierne naprężenie wstępne i większe wykorzystanie materiału.

4.2 Kluczowe trudności techniczne

(1) Kontrola naprężenia wstępnego : podczas nawijania należy zastosować odpowiednie napięcie początkowe, aby po utwardzeniu włókno węglowe wywierało ciągły nacisk wstępny na magnesy. Nadmierne napięcie może spowodować pęknięcie magnesów, natomiast niewystarczające napięcie nie zapewni odpowiedniego unieruchomienia.

(2) Dopasowanie termiczne : współczynniki rozszerzalności cieplnej kompozytu z włókna węglowego, magnesów trwałych i materiału wału muszą być precyzyjnie dopasowane, aby uniknąć nadmiernych naprężeń wewnętrznych spowodowanych zmianami temperatury.

(3) Analiza naprężeń: należy zastosować oprogramowanie do analizy elementów skończonych (np. MSC Patran/Nastran) w celu dokładnej analizy naprężeń i odkształceń konstrukcji wirnika, określając optymalną grubość warstwy uzwojenia, kąt i parametry procesu.

Badania wykazały, że wirnik silnika wykorzystujący lewitację magnetyczną z pierścieniem wzmacniającym z włókna węglowego może spełnić wymagania dotyczące wytrzymałości i odkształceń przy dużych prędkościach wynoszących 72 000 obr./min.

5. Proces nawijania włókna węglowego SDM

W dziedzinie uzwojeń z włókna węglowego do łożysk magnetycznych / wirników silników o dużej prędkości,  SDM  jest jedną z niewielu krajowych firm, które opanowują podstawową technologię.

W dziedzinie łożysk magnetycznych / wirników silników o dużej prędkości proces nawijania włókna węglowego SDM charakteryzuje się następującymi wyjątkowymi cechami:

(1) Możliwości produkcyjne w zakresie pełnego łańcucha : firma posiada kompleksowe możliwości produkcyjne w zakresie pełnego łańcucha, począwszy od materiałów magnetycznych (magnetycznych miękkich i magnetycznych twardych) po elementy stojana/wirnika silnika, a następnie systemy mikrosilników z czujnikami resolwera. Oznacza to, że od wyboru magnesu i projektu wirnika po uzwojenie włókna węglowego i końcowe testy – wszystko odbywa się we własnym zakresie, co zapewnia wyjątkowo wysoką kontrolę jakości.

(2) Badania i rozwój w zakresie magnesów trwałych ziem rzadkich czwartej generacji : firma stale inwestuje w rozwój materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich czwartej generacji, zapewniając lepsze podłoża magnetyczne do uzwojeń włókien węglowych. Jakość samych magnesów – w tym wytrzymałość na rozciąganie, stabilność termiczna i dokładność wymiarowa – bezpośrednio determinuje ostateczną wydajność uzwojenia włókna węglowego.

(3) Możliwość precyzyjnej obróbki : firma stosuje precyzyjne procesy obróbki, takie jak szlifowanie cylindryczne CNC, aby zapewnić dokładność wymiarową wirników i tulei. Uzwojenie z włókna węglowego wymaga wyjątkowo dużej okrągłości i współosiowości podłoża wirnika; każdy niewielki błąd obróbki zostanie wzmocniony przy dużej prędkości.

(4) Zoptymalizowany projekt segmentacji magnesów : SDM projektuje segmenty magnesów z pełnym uwzględnieniem charakterystyki uzwojenia włókna węglowego, racjonalnie dzieląc magnesy na segmenty, aby zapewnić wystarczającą wydajność magnetyczną, unikając jednocześnie ryzyka pękania spowodowanego przez zbyt duże pojedyncze obszary magnesów – to podejście projektowe bezpośrednio rozwiązuje problemy związane z procesem nawijania.

(5) Synergiczna optymalizacja procesu nawijania i materiałów : poprzez ciągłe badania materiałów żywicznych i optymalizację procesu nawijania, firma stale zwiększa moduł sprężystości kompozytu z włókna węglowego, minimalizując straty prądów wirowych, zapewniając jednocześnie wytrzymałość, zasadniczo rozwiązując w ten sposób problem nadmiernego wzrostu temperatury związanego z metalowymi tulejami.

Wniosek

Hałas wibracyjny, odrywanie magnesów i awarie przy dużych prędkościach wirnika silnika lewitującego magnetycznego są w zasadzie przejawami sprzeczności między siłą odśrodkową a materiałami, konstrukcją i systemami sterowania przy dużych prędkościach obrotowych. Technologia uzwojenia z włókna węglowego, zapewniająca mocne utwierdzenie fizyczne o niskich stratach, stała się optymalnym rozwiązaniem dla tych trzech głównych wyzwań.

SDM, dzięki swojemu 16-letniemu doświadczeniu w branży materiałów magnetycznych, możliwościom produkcji pełnego łańcucha, wytrzymałości czwartej generacji w zakresie badań i rozwoju magnesów ziem rzadkich oraz udoskonalonemu procesowi nawijania włókna węglowego, dostarcza coraz bardziej niezawodne rozwiązania wirników do łożysk magnetycznych / silników o dużej prędkości. W przyszłości, wraz z ciągłym postępem w zakresie materiałów z włókna węglowego i technologii uzwojenia, ograniczenia prędkości i niezawodność silników z łożyskami magnetycznymi zostaną jeszcze bardziej przesunięte.