Мощность катушек: раскрытие процесса обмотки углеродным волокном, который увеличивает скорость двигателя в 10 раз
Как может углеродное волокно, тоньше человеческого волоса, построить Великую стену на роторе высокоскоростного двигателя, способную противостоять огромным центробежным силам?
Выпущенная компанией Dongfeng Motor сверхвысокоскоростная система электропривода «MACH E» 800 В оснащена двигателем с максимальной рабочей скоростью 25 000 об/мин и предельной скоростью, превышающей 34 447 об/мин..
За этой поразительной скоростью стоит прецизионный процесс – технология обертывания углеродным волокном.
01. Узкое место в прочности высокоскоростных двигателей
Высокоскоростные двигатели становятся важнейшим технологическим направлением в новую энергетическую эпоху. Эти двигатели демонстрируют огромный потенциал в таких областях, как газовые турбины, распределенная энергетика, аэрокосмическая промышленность и транспортные средства на новых источниках энергии..
Однако возникает основная проблема: с увеличением скорости центробежная сила на роторе растет квадратично..
Если взять в качестве примера двигатель с постоянными магнитами поверхностного монтажа, то когда скорость достигает десятков тысяч оборотов в минуту, постоянные магниты испытывают центробежные силы, в тысячи раз превышающие их собственный вес. Традиционные металлические защитные рукава либо слишком тяжелы, либо не обладают достаточной прочностью.
Именно здесь композиты из углеродного волокна демонстрируют исключительную ценность. Благодаря высокому соотношению прочности и веса углеродное волокно становится идеальным «броневым» материалом для роторов высокоскоростных двигателей.
02 Основные материалы
Применение композитов из углеродного волокна в высокоскоростных двигателях — это не простая замена материала, а тщательно продуманная система.
Углеродное волокно обычно комбинируется с матричными материалами, такими как эпоксидная смола, для получения полимера, армированного углеродным волокном (CFRP). Модуль упругости и прочность на разрыв этого материала являются его ключевыми показателями производительности, напрямую определяющими его способность выдерживать огромные нагрузки от высокоскоростного вращения.
Для оптимизации характеристик углеродного волокна метод формования сухой намотки ленты препрега . часто используется Этот метод включает нагрев и размягчение предварительно пропитанной ленты препрега до вязкого состояния перед намоткой ее на оправку. При уплотнении натяжения намотки слои соединяются между собой, значительно улучшая однородность пропитки и точность формования , тем самым повышая качество продукции.
03 Раскрытие процесса упаковки
Процесс обмотки является ключом к формированию защитного рукава из углеродного волокна. В зависимости от потребностей применения и свойств материала существует два основных метода упаковки:
Мокрая упаковка предполагает погружение пучков углеродного волокна в смолу и последующую намотку их непосредственно на оправку под контролируемым натяжением. Он имеет более низкие затраты, но сталкивается с такими проблемами, как эффекты растекания смолы и трудности с точным контролем..
В сухой упаковке используется предварительно пропитанная препреговая лента, которую нагревают и размягчают перед намоткой на оправку. Этот метод имеет более стабильное содержание смолы и более высокое качество , что делает его особенно подходящим для высокопроизводительных применений.
Исследования показывают, что по сравнению с влажной оберткой сухая упаковка повышает эффективность производства сосудов на 30 % , снижает содержание смолы на 20 % и уменьшает общую площадь дефектов на 40 %..
04 Угол обертывания и количество слоев
Накладка из углеродного волокна роторы высокоскоростных двигателей не являются случайной укладкой. Выбор угла обмотки и количества слоев напрямую влияет на механические свойства конечного продукта.
Типичная конструкция упаковки часто предполагает сочетание нескольких слоев, расположенных под разными углами . Например, в патенте на композитную втулку высокоскоростного двигателя она разделена в радиальном направлении на три слоя: внутренний и внешний слои из бесщелочной стеклоткани со средним слоем из углеродного волокна.
Углеродное волокно в среднем слое дополнительно разделено на два подслоя: внутренние пучки углеродного волокна намотаны под углом ±88° по окружности , а внешние пучки намотаны под углом ±65° по окружности . Эта конструкция призвана сбалансировать радиальное и окружное распределение напряжений.
В ходе исследования высокоскоростных двигателей с постоянными магнитами для микрогазовых турбин исследователи обнаружили, что когда во всех трех слоях углеродного волокна используется окружная обмотка под углом 90° , постоянные магниты находятся в лучшем состоянии сжатия, что делает их пригодными для изготовления прототипов.
05 Вызовы и инновации
Технология обмотки роторов высокоскоростных двигателей углеродным волокном сталкивается с рядом проблем. Изменения свойств материалов в условиях высоких температур являются критической проблемой.
Модальный анализ с учетом повышения температуры в исследовании высокоскоростных двигателей с постоянными магнитами для микрогазовых турбин показал, что собственная частота ротора с постоянными магнитами уменьшилась более чем на 8,3% в высокотемпературном состоянии. Высокие температуры также вызывают изменения свойств материала, таких как модуль упругости, влияющие на жесткость ротора.
последовательность и точность процесса упаковки . Еще одной проблемой является Такие компании, как Cygnet Texkimp и Bowman Power, сотрудничают в разработке решений для повышения скорости, точности и повторяемости намотки высокого напряжения.
Для решения проблем контроля допусков и шероховатости поверхности компания Tianweilan E-Drive Technology предложила инновационный метод: сначала распылите и отвердите гелькоут на внутренней поверхности формы; затем поместите эту форму за пределы корпуса фазного ротора; наконец, нагрейте углеродное волокно, чтобы оно слилось с гелькоутом. Этот метод позволяет избежать потенциальных проблем с поломкой нити, связанных с традиционными процессами шлифовки и полировки.
06 Перспективы и применение
Заглядывая в будущее, можно сказать, что тенденция развития технологии обмотки углеродным волокном в области высокоскоростных двигателей очевидна. Уровни автоматизации и интеллекта будут развиваться дальше.
Интеграция передовых технологий управления, датчиков и робототехники не только улучшит стабильность и стабильность характеристик изделий из композитных материалов из углеродного волокна, но также значительно повысит эффективность производства и снизит затраты.
Технология упаковки из углеродного волокна уже продемонстрировала потенциал применения в различных областях, включая автомобили на новых источниках энергии, аэрокосмическую промышленность, товары для спорта и отдыха, а также медицинские устройства . в частности, автомобильный сектор, резервуары для хранения водорода и высокоскоростные роторы двигателей с постоянными магнитами . Важными направлениями применения являются,
Поскольку спрос на системы привода с высокой удельной мощностью в электромобилях продолжает расти, технология упаковки из углеродного волокна будет играть все более важную роль.
Команда SDM провела моделирование прочности высокоскоростного двигателя с постоянными магнитами номинальной мощностью 150 кВт и номинальной скоростью 30 000 об/мин . Используя технологию обертывания углеродным волокном, они успешно добились того, чтобы все компоненты ротора оставались в безопасных пределах прочности во время высокоскоростного вращения.
Инженеры тщательно проверяют угол укладки и контроль натяжения каждого слоя углеродного волокна, подобно тому, как древнеримские строители тщательно рассчитывают несущую способность каждого камня. Однако центробежные силы, с которыми они борются, в тысячи раз мощнее, чем вес самих камней.
Когда этот двигатель наконец работает на расчетной скорости, каждое углеродное волокно испытывает изменения нагрузки сотни раз в секунду. Тем не менее, они должны стоять на своем, как Великая стена, защищая внутренние постоянные магниты и железное ядро.
