I. „Testul de supraviețuire” sub Rotație de mare viteză
Motoarele cu levitație magnetică, cu avantajele lor de funcționare fără contact, eficiență ridicată și viteze de rotație extrem de mari, sunt din ce în ce mai mult adoptate în echipamente de ultimă generație, cum ar fi suflantele industriale, compresoarele și volantele de stocare a energiei. Cu toate acestea, atunci când viteza de rotație atinge zeci de mii de rotații pe minut sau chiar mai mare, magneții permanenți de pe rotor sunt supuși unui „test de supraviețuire” sever.
Unde este problema?
Motoarele cu levitație magnetică folosesc de obicei NdFeB sinterizat ca material cu magnet permanent. Deși NdFeB oferă proprietăți magnetice excelente – inclusiv un produs de energie magnetică foarte ridicată și coercivitate – are o slăbiciune critică: rezistența sa la compresiune este mult mai mare decât rezistența sa la tracțiune . NdFeB sinterizat, produs prin metalurgia pulberilor, are de obicei o rezistență la tracțiune de cel mult 80 MPa. La viteze mari, forța centrifugă generează tensiuni de tracțiune semnificative în interiorul magnetului permanent – în condiții de funcționare de 18.000 rpm, solicitarea centrifugă în NdFeB poate depăși 160 MPa, aproape dublul propriei limite de rezistență..
Aceasta este ca o frânghie dintr-un material fragil: rezistă la compresie fără probleme, dar se rupe ușor sub tensiune. Când motorul se rotește la viteză mare, magneții permanenți sunt supuși la forțe de tracțiune, deoarece sunt „aruncați în afară”. Odată ce limita este depășită, oțelul magnetului se va crăpa, se va sparge sau chiar va provoca spargerea rotorului.
II. Manșon din fibră de carbon: O „Armură strânsă” pentru oțelul magnetic
Cum putem proteja magneții permanenți fragili de crăpare sub forța centrifugă? Cea mai eficientă soluție disponibilă astăzi este adăugarea unui manșon din fibră de carbon peste magneții permanenți.
Fibra de carbon are o rezistență la tracțiune de peste 5000 MPa, depășind cu mult limita de rezistență a NdFeB. Mai important, în comparație cu manșoanele metalice tradiționale, cum ar fi aliajul de titan, manșonul din fibră de carbon oferă trei avantaje majore:
Ușoare și rezistență ridicată – Rezistența specifică (raportul rezistență-densitate) a fibrei de carbon este mult mai mare decât cea a metalelor, astfel încât un material mai subțire și mai ușor poate oferi o rezistență de protecție suficientă.
Fără pierderi de curenți turbionari – fibra de carbon este un conductor slab, deci nu generează pierderi de curent turbionar de înaltă frecvență, cum ar fi manșoanele metalice, evitând astfel pierderile suplimentare de putere și problemele de încălzire.
Expansiune termică scăzută – Fibra de carbon are un coeficient scăzut de dilatare termică, asigurând o bună stabilitate dimensională în condiții de funcționare la temperaturi ridicate.
III. Secretul de bază pentru anti-crăpare: înainte de stres
Adăugarea unui manșon din fibră de carbon înseamnă că totul este rezolvat? Nu chiar.
Punctul cheie este că atât manșonul, cât și magneții permanenți suferă o expansiune radială din cauza forței centrifuge în timpul rotației cu viteză mare. Dacă manșonul este pur și simplu „montat” peste magneți, va apărea un spațiu între aceștia – deoarece deformarea radială a manșonului este adesea mai mare decât cea a magneților. Odată ce se formează un gol, manșonul își pierde constrângerea asupra magneților, iar oțelul magnetic se va crăpa în continuare.
Soluția este aplicarea unui „pre-stres” continuu magneților permanenți.
Prin crearea unei potriviri prin interferență între manșon și magneți (adică, diametrul interior al manșonului este puțin mai mic decât diametrul exterior al magneților), manșonul acționează ca un „costum strâns” care se înfășoară strâns în jurul magneților, aplicând o presiune de compresie radială spre interior. Când rotorul se rotește la viteză mare, această pretensionare contracarează eficient efortul de tracțiune cauzat de forța centrifugă..
Cercetările arată că atunci când interferența ajunge la mai mult de 0,10 mm, tensiunea centrifugă maximă în magneții permanenți poate fi redusă de la peste 160 MPa la sub 70 MPa, cu mult sub limita de putere a acestora. În condiții extreme (de exemplu, 200 °C temperatură ridicată plus rotație cu viteză excesivă), deși tensiunea inelului în manșonul din fibră de carbon poate crește la peste 1000 MPa, există încă o marjă de siguranță suficientă în raport cu limita de rezistență a materialului din fibră de carbon de 1400 MPa.
IV. Cum să atingă pre-stresul? Două rute de proces
În prezent, există două metode principale pentru a obține pre-stresul într-un manșon din fibră de carbon:
Traseul 1: Asamblarea interferenței
Manșonul din fibră de carbon este fabricat separat și apoi asamblat pe rotor prin montare termică sau la rece. De exemplu, răcirea rotorului la –190 °C permite alunecarea manșonului cu o forță axială foarte mică; alternativ, poate fi utilizată o metodă de montare prin presare axială cu o forță de presare de până la 25 kN.
Cu toate acestea, această metodă are dezavantaje: fibra de carbon este fragilă și are o duritate slabă, făcând-o predispusă la deteriorare și fisuri în timpul asamblarii interferențelor. Mai mult, procesul de asamblare este complex și controlul interferențelor este dificil.
Traseul 2: înfășurare de înaltă tensiune (soluția mai bună)
Fibra de carbon este înfășurată direct pe suprafața rotorului, iar în timpul procesului de înfășurare, se aplică o tensiune mare pe câlți de fibre, făcând fiecare strat de fibră să se înfășoare strâns în jurul suprafeței magnetului permanent.
Subtilitatea acestei metode este că procesul de înfășurare în sine este procesul de aplicare pre-stres . Prin controlul tensiunii fibrei, câmpul de pretensionare dorit poate fi impus asupra manșonului, înlocuind metoda tradițională de interferență mecanică.
V. Procesul de bobinare din fibră de carbon SDM
În domeniul rotoarelor motoarelor de mare viteză cu levitație magnetică, Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. a stăpânit un proces matur de înfășurare din fibră de carbon . Caracteristicile sale tehnice se reflectă în principal în următoarele aspecte:
Tehnologie de înfășurare circumferențială de înaltă tensiune. SDM adoptă traseul procesului de înfășurare directă circumferențială a fibrei de carbon pe suprafața rotorului. Prin controlul precis al tensiunii aplicate câlților din fibră de carbon în timpul înfășurării, straturile de fibre sunt strâns conformate cu suprafața exterioară a magneților permanenți. Acest proces oferă simultan forța de pre-strângere necesară magneților în timp ce se fabrică manșonul, evitând riscurile de fisurare și dificultățile de asamblare asociate cu asamblarea tradițională prin interferență.
Control precis al programului de tensiune. Procesul SDM utilizează în mod flexibil diferite moduri de control al tensiunii în funcție de diferite cerințe de operare. Pentru a satisface diferite nevoi de distribuție a tensiunii – cum ar fi „mai strâns în interior, mai strâns în exterior” sau „mai strâns în interior, mai strâns în exterior” – pot alege moduri de înfășurare cu tensiune constantă, cuplu constant sau tensiune conică. Prin controlul tensiunii înfășurării strat cu strat, tensiunea reziduală în straturile de fibre poate fi distribuită uniform într-o stare ideală.
Verificarea cantitativă a forței de pre-strângere. SDM a stabilit o buclă închisă tehnică completă, de la calculul teoretic la simularea cu elemente finite și, în final, la verificarea experimentală. Pentru forța de pre-strângere generată de manșonul din fibră de carbon bobinată de înaltă tensiune pe magneții permanenți, eroarea medie între rezultatele testelor experimentale și calculele analitice este de 8,56%, iar eroarea medie în raport cu simularea elementelor finite este de 7,88% - acest nivel de precizie garantează pe deplin fiabilitatea proiectării pre-tensionare.
Capacitate integrată de proces complet. De la selecția materialului din fibră de carbon, proiectarea structurală și proiectarea electromagnetică până la procesele de asamblare de turnare, fabricarea echipamentelor și inspecția și testarea, SDM posedă o capacitate tehnică completă. Compania are sediul în Hangzhou și are un aspect integrat în comerțul industrial, permițându-i să ofere clienților o soluție cu lanț complet, de la magneți la ansambluri de rotoare.
Tocmai prin acest proces rafinat de înfășurare din fibră de carbon, rotoarele cu levitație magnetică de mare viteză ale SDM pot preveni în mod eficient crăparea oțelului magnetic în condiții centrifuge de mare viteză, asigurând funcționarea sigură, stabilă și fiabilă a rotorului în condiții solicitante de zeci de mii de rotații pe minut.
