I. «Испытание на выживание» при высокоскоростном вращении
Двигатели с магнитной левитацией, с их преимуществами бесконтактной работы, высокой эффективностью и чрезвычайно высокими скоростями вращения, все чаще применяются в высокотехнологичном оборудовании, таком как промышленные воздуходувки, компрессоры и маховики для хранения энергии. Однако когда скорость вращения достигает десятков тысяч оборотов в минуту или даже выше, постоянные магниты ротора подвергаются суровому «испытанию на выживание».
В чем проблема?
В двигателях с магнитной левитацией в качестве материала постоянного магнита обычно используется спеченный NdFeB. Хотя NdFeB обладает превосходными магнитными свойствами, включая очень высокую магнитную энергию и коэрцитивную силу, у него есть критический недостаток: его прочность на сжатие намного превышает прочность на растяжение . Спеченный NdFeB, полученный методом порошковой металлургии, обычно имеет прочность на разрыв не более 80 МПа. На высоких скоростях центробежная сила создает значительное растягивающее напряжение внутри постоянного магнита – при рабочих условиях 18 000 об/мин центробежное напряжение в NdFeB может превышать 160 МПа, что почти вдвое превышает его собственный предел прочности..
Это похоже на веревку из хрупкого материала: она без проблем выдерживает сжатие, но легко рвется при растяжении. Когда двигатель вращается с высокой скоростью, постоянные магниты подвергаются растягивающим усилиям, поскольку они «выбрасываются наружу». Как только предел будет превышен, магнитная сталь треснет, разобьется или даже приведет к взрыву ротора.
II. Втулка из углеродного волокна: «прочная броня» для магнитной стали
Как мы можем защитить хрупкие постоянные магниты от растрескивания под действием центробежной силы? Наиболее эффективное решение, доступное сегодня, — это добавить втулку из углеродного волокна поверх постоянных магнитов.
Углеродное волокно имеет предел прочности более 5000 МПа, что намного превышает предел прочности NdFeB. Что еще более важно, по сравнению с традиционными металлическими втулками, такими как титановый сплав, втулка из углеродного волокна имеет три основных преимущества:
Легкий вес и высокая прочность . Удельная прочность (отношение прочности к плотности) углеродного волокна намного выше, чем у металлов, поэтому более тонкий и легкий материал может обеспечить достаточную защитную прочность.
Отсутствие потерь на вихревые токи . Углеродное волокно является плохим проводником, поэтому оно не создает высокочастотных потерь на вихревые токи, как металлические втулки, что позволяет избежать дополнительных потерь мощности и проблем с нагревом.
Низкое тепловое расширение . Углеродное волокно имеет низкий коэффициент теплового расширения, что обеспечивает хорошую стабильность размеров в условиях эксплуатации при высоких температурах.
III. Основной секрет защиты от растрескивания: предварительный стресс
Означает ли добавление втулки из углеродного волокна, что все решено? Не совсем.
Ключевым моментом является то, что и втулка, и постоянные магниты подвергаются радиальному расширению из-за центробежной силы во время высокоскоростного вращения. Если втулку просто «насадить» на магниты, между ними появится зазор – ведь радиальная деформация втулки зачастую больше, чем у магнитов. Как только образуется зазор, втулка теряет связь с магнитами, и магнитная сталь все равно треснет.
Решение состоит в том, чтобы применять постоянное «предварительное напряжение» к постоянным магнитам.
Создавая посадку с натягом между втулкой и магнитами (т. е. внутренний диаметр втулки немного меньше внешнего диаметра магнитов), втулка действует как «плотный костюм», который плотно обхватывает магниты, создавая внутреннее радиальное сжимающее напряжение. Когда ротор вращается с высокой скоростью, это предварительное напряжение эффективно противодействует растягивающему напряжению, вызванному центробежной силой..
Исследования показывают, что когда помехи достигают более 0,10 мм, максимальное центробежное напряжение в постоянных магнитах может быть уменьшено с более чем 160 МПа до менее 70 МПа, что значительно ниже их предела прочности. В экстремальных условиях (например, высокая температура 200 °C плюс превышение скорости вращения), хотя окружное напряжение во втулке из углеродного волокна может подняться выше 1000 МПа, все же существует достаточный запас прочности относительно предела прочности материала из углеродного волокна в 1400 МПа.
IV. Как достичь престресса? Два маршрута процесса
В настоящее время существует два основных метода достижения предварительного напряжения в втулке из углеродного волокна:
Маршрут 1: Сборка помех
Втулка из углеродного волокна изготавливается отдельно, а затем монтируется на ротор путем термической или холодной установки. Например, охлаждение ротора до –190 °C позволяет надевать втулку с очень небольшим осевым усилием; в качестве альтернативы можно использовать метод осевой запрессовки с усилием прижима до 25 кН.
Однако у этого метода есть недостатки: углеродное волокно хрупкое и обладает плохой прочностью, что делает его склонным к повреждениям и растрескиванию при сборке с натягом. Кроме того, процесс сборки сложен и контроль натяга затруднен.
Маршрут 2: обмотка высокого напряжения (лучшее решение)
Углеродное волокно наматывается непосредственно на поверхность ротора, и в процессе намотки высокое натяжение , благодаря чему каждый слой волокна плотно обхватывает поверхность постоянного магнита. к жгутам волокна прикладывается
Тонкость этого метода в том, что сам процесс намотки является процессом приложения предварительного напряжения . Контролируя натяжение волокна, на рукаве можно создать желаемое поле предварительного напряжения, заменяя традиционный метод механического воздействия.
V. Процесс намотки углеродного волокна SDM
В области роторов высокоскоростных двигателей на магнитной левитации компания Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. освоила зрелый процесс намотки из углеродного волокна . Его технические особенности в основном отражаются в следующих аспектах:
Технология кольцевой намотки высокого напряжения. SDM использует технологический маршрут прямой намотки углеродного волокна по окружности на поверхность ротора. Благодаря точному контролю натяжения, приложенного к жгутам углеродного волокна во время намотки, слои волокон плотно прилегают к внешней поверхности постоянных магнитов. Этот процесс одновременно обеспечивает необходимое усилие предварительного затягивания магнитов при изготовлении втулки, избегая риска возникновения трещин и трудностей сборки, связанных с традиционной сборкой с натягом.
Точный контроль графика натяжения. В процессе SDM гибко используются различные режимы контроля натяжения в соответствии с различными эксплуатационными требованиями. Чтобы удовлетворить различные потребности в распределении напряжения – например, «слабее внутри, крепче снаружи» или «плотнее внутри, слабее снаружи» – они могут выбирать режимы намотки с постоянным натяжением, постоянным крутящим моментом или с коническим натяжением. Контролируя натяжение намотки слой за слоем, остаточное напряжение в слоях волокна можно равномерно распределить до идеального состояния.
Количественная проверка силы предварительной затяжки. SDM создала полный технический замкнутый цикл: от теоретического расчета до моделирования методом конечных элементов и, наконец, до экспериментальной проверки. Для силы предварительного затягивания, создаваемой высоконатянутой втулкой из углеродного волокна на постоянных магнитах, средняя ошибка между результатами экспериментальных испытаний и аналитическими расчетами составляет 8,56%, а средняя ошибка относительно моделирования методом конечных элементов составляет 7,88% - этот уровень точности полностью гарантирует надежность конструкции предварительного напряжения.
Интегрированные возможности полного процесса. Компания SDM обладает полным техническим потенциалом: от выбора материала из углеродного волокна, структурного проектирования и электромагнитного проектирования до процессов сборки формования, производства оборудования, а также проверок и испытаний. Штаб-квартира компании находится в Ханчжоу, и она имеет интегрированную отраслевую структуру, что позволяет ей предоставлять клиентам комплексные решения, от магнитов до роторных сборок.
Именно благодаря этому усовершенствованному процессу намотки из углеродного волокна роторы высокоскоростных двигателей SDM с магнитной левитацией могут эффективно предотвращать растрескивание магнитной стали в условиях высокоскоростных центробежных сил, обеспечивая безопасную, стабильную и надежную работу ротора в сложных условиях со скоростью десятков тысяч оборотов в минуту.
