Три основные проблемы роторов двигателей на магнитной левитации и их решения

Двигатели с магнитными подшипниками, благодаря своим преимуществам бесконтактной работы, отсутствия износа и высокой эффективности, быстро заменяют традиционные двигатели в таких областях, как высокоскоростные компрессоры, воздуходувки и накопители энергии с маховиками. Однако когда скорость вращения достигает десятков тысяч или даже более ста тысяч оборотов в минуту, надежность ротора становится решающим фактором успеха продукта: вибрация и аномальный шум, отслоение магнита и выход из строя на высокой скорости — это три постоянные проблемы, которые уже давно беспокоят инженеров отрасли. Эта статья начинается с коренных причин, анализирует физические механизмы, лежащие в основе этих проблем, и представляет наиболее эффективное современное решение — технологию намотки из углеродного волокна.

1. Вибрация и посторонний шум: невидимый «низкочастотный убийца»

1.1 Явления и опасности

Во время работы двигатели с магнитными подшипниками иногда демонстрируют аномальную вибрацию и шум, не зависящие от скорости вращения. В отличие от вибрации дисбаланса, распространенной в обычных вращающихся машинах, на эту вибрацию не влияет уровень скорости; оно сохраняется даже при стабильной скорости. Длительное воздействие такой вибрации не только ускоряет усталостное повреждение подшипников и деталей конструкции, но также создает раздражающий шум, серьезно влияющий на надежность оборудования и удобство использования.

1.2 Анализ первопричин

Исследования показывают, что низкочастотная вибрация Ротор двигателя магнитной левитации определяется собственной частотой замкнутой системы управления и возбуждается внешним шумом. Другими словами, это не чисто механическая проблема, а явление связи между системой управления и механической конструкцией.

В частности, следующие факторы могут вызвать низкочастотную вибрацию:

• Дисбаланс ротора : смещение центра масс, вызванное ошибками обработки и сборки;

• Зазор подшипника : несоответствие параметров управления магнитными подшипниками динамическим характеристикам ротора;

• Промежуточные звенья системы управления : задержки и нелинейности при приеме, обработке и выдаче сигналов.

1.3 Решения

В отношении низкочастотной вибрации основные технические подходы включают:

(1) Коррекция динамической балансировки : используйте высокоточное балансировочное оборудование для коррекции ротора, добавляя или удаляя противовесы, чтобы привести дисбаланс в допустимый диапазон.

(2) Оптимизация алгоритма управления : исследователи предложили стратегии компенсации вибрации, основанные на расширенных наблюдателях состояния. Результаты экспериментов показывают, что при том же возбуждении белым шумом максимальная вибрация ротора с компенсатором снижается примерно на 21% по сравнению с использованием только ПИД-регулирования; при 30 000 об/мин максимальная вибрация ротора снижается на 26,6%.

(3) Структурная оптимизация : оптимизация конструкции ротора для улучшения характеристик жесткости и демпфирования роторной системы.

2. Отслоение магнита: «центробежная боль» на высоких скоростях.

2.1 Явления и опасности

Отслоение магнита является одной из наиболее серьезных неисправностей двигателей с постоянными магнитами. На скоростях в десятки тысяч об/мин центробежная сила на магнитах может достигать тысяч раз их собственного веса. Как только магнит отделяется от поверхности ротора, производительность двигателя в лучшем случае резко падает; в худшем случае это может вызвать заклинивание ротора, задиры в расточке статора и другие катастрофические последствия.

2.2 Анализ первопричин

Отсоединение магнита и подъем края можно объяснить пятью ключевыми факторами:

(1) Недостаточная прочность : прочность клея на сдвиг ниже, чем центробежная или ударная сила, действующая на магнит, поэтому соединение не может удерживаться.

(2) Разрушение при высоких и низких температурах : клей становится хрупким при низких температурах или разрушается при высоких температурах, что резко снижает эффективность склеивания. Обычные клеи обычно имеют рабочую температуру около 120°C, тогда как повышение внутренней температуры двигателя часто превышает этот диапазон.

(3) Несоответствие коэффициентов теплового расширения : разница теплового расширения между магнитом (например, NdFeB) и материалом ротора (например, алюминиевым сплавом) велика, а изменения температуры вызывают внутреннее напряжение, которое приводит к растрескиванию клеевого слоя.

(4) Высокочастотная вибрация : длительная высокочастотная вибрация постоянно подвергает клеевой слой нагрузке, ускоряя усталостное разрушение.

(5) Коррозия под воздействием окружающей среды : влага, тепло, соляные брызги и т. д. разрушают клеевой слой и ослабляют соединение.

Кроме того, неправильная конструкция сегментации магнитов может усугубить проблему. Когда одиночный сегмент магнита имеет слишком большую площадь контакта с ротором, обертывание снаружи углеродным волокном может легко сломать магнит; даже если он не треснет при намотке, после некоторой эксплуатации он может треснуть.

2.3 Решения

(1) Оптимизируйте процесс склеивания : выберите высокоэффективные конструкционные клеи, обеспечьте чистоту склеиваемых поверхностей и строго контролируйте условия отверждения.

(2) Конструкция сегментации магнитов : разделите магниты в горизонтальном направлении на более мелкие сегменты, чтобы уменьшить площадь каждой части и снизить риск растрескивания.

(3) Усиление физического ограничения  – это наиболее фундаментальное решение: добавьте высокопрочную втулку снаружи магнитов, чтобы обеспечить физическую защиту от центробежной силы. Намотка углеродным волокном в настоящее время признана лучшим методом армирования.

3. Высокоскоростной отказ: когда ротор «не может удержаться»

3.1 Явления и опасности

Когда скорость двигателя приближается или превышает конструктивный предел ротора, ротор выходит из строя. Типичные проявления включают деформацию ротора, фрагментацию постоянного магнита, разрыв втулки и падение ротора. В случае отказа на высокой скорости оборудование не только отправляется на слом, но и может стать причиной серьезных аварий.

3.2 Анализ первопричин

Фундаментальной причиной высокоскоростного разрушения является  противоречие между центробежной силой и прочностью материала..

Возьмем, к примеру, постоянные магниты NdFeB. Хотя они обладают чрезвычайно высоким произведением магнитной энергии и коэрцитивной силой, что делает их наиболее эффективными материалами для постоянных магнитов на сегодняшний день, их прочность на разрыв низка (<80 МПа), они чувствительны к температуре и имеют плохую термическую стабильность. На скоростях в десятки тысяч об/мин центробежная нагрузка на постоянные магниты намного превышает предел их собственной прочности, поэтому для защиты необходима внешняя втулка.

Традиционное решение — использовать немагнитные металлические втулки (например, из Inconel 718 или титанового сплава). Однако у металлических гильз есть фатальный недостаток:  потери на вихревые токи . Чем выше проводимость втулки, тем сильнее генерируются вихревые токи и тем серьезнее потери на вихревые токи, что приводит к резкому повышению температуры ротора, что еще больше увеличивает риск размагничивания постоянных магнитов.

3.3 Решения

Композитные втулки из углеродного волокна  на данный момент признаны лучшим решением.

Преимущества рукавов из углеродного волокна:

• Низкая проводимость : они практически не создают потерь на вихревые токи, что приводит к минимальному повышению температуры ротора;

• Высокая прочность : удельная прочность углеродного волокна намного выше, чем у металлов, что обеспечивает более сильную фиксацию при меньшем весе;

• Высокий модуль : за счет оптимизации полимерных материалов и процессов намотки модуль упругости можно увеличить с традиционных 130–160 ГПа до более 200 ГПа.

4. Идеальное решение: технология намотки из углеродного волокна.

Для одновременного решения трех основных проблем: вибрационного шума, отсоединения магнита и высокоскоростного отказа, намотка из углеродного волокна является незаменимой основной технологией. Его принцип заключается в намотке высокопрочного композитного материала из углеродного волокна вокруг постоянных магнитов, образуя плотную «броню» над ротором, которая обеспечивает постоянное радиальное ограничение против центробежной силы, создаваемой высокоскоростным вращением.

4.1 Два основных процесса

В настоящее время существует два основных подхода к изготовлению роторов из углеродного волокна:

Метод запрессовки : сначала изготовьте втулку из углеродного волокна, затем прижмите ее к ротору или используйте термоусадочную посадку. При термопосадке ротор охлаждается до -190°C, и втулка может быть установлена ​​с очень небольшим осевым усилием. Метод запрессовки является относительно зрелым, но требует чрезвычайно точного контроля посадки с натягом: слишком сильное натяжение может привести к растрескиванию магнитов, а слишком малое обеспечивает недостаточную фиксацию.

Метод прямой намотки : намотайте углеродное волокно непосредственно на поверхность постоянного магнита, затем закрепите его. Этот метод требует чрезвычайно строгого контроля над натяжением обмотки, температурой отверждения, межслойным соединением и другими параметрами процесса, но он позволяет добиться более равномерного предварительного напряжения и более высокого использования материала.

4.2 Ключевые технические трудности

(1) Контроль предварительного напряжения : во время намотки должно быть приложено соответствующее начальное натяжение, чтобы углеродное волокно оказывало непрерывное предварительное сжатие на магниты после отверждения. Чрезмерное натяжение может привести к растрескиванию магнитов, а недостаточное натяжение не сможет обеспечить адекватную фиксацию.

(2) Термическое соответствие : коэффициенты теплового расширения композита из углеродного волокна, постоянных магнитов и материала вала должны быть точно согласованы, чтобы избежать чрезмерного внутреннего напряжения из-за изменений температуры.

(3) Анализ напряжения: программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (например, MSC Patran/Nastran) должно использоваться для точного анализа напряжения и деформации конструкции ротора, определения оптимальной толщины слоя обмотки, угла и параметров процесса.

Исследования показали, что ротор двигателя на магнитной левитации с армирующим кольцом из углеродного волокна может соответствовать требованиям прочности и деформации на высоких скоростях 72 000 об/мин.

5. Процесс намотки углеродного волокна SDM

В области обмотки из углеродного волокна для роторов магнитных подшипников/высокоскоростных двигателей  СДМ  является одной из немногих отечественных компаний, владеющих основной технологией.

В области магнитных подшипников и роторов высокоскоростных двигателей процесс намотки SDM из углеродного волокна обладает следующими выдающимися характеристиками:

(1) Производственные возможности полной цепочки : компания обладает универсальными производственными возможностями полной цепочки производства от магнитных материалов (магнитомягких + магнитотвердых) до компонентов статора/ротора двигателя, а затем до систем микромоторов с резольверными датчиками. Это означает, что от выбора магнита и конструкции ротора до намотки из углеродного волокна и окончательного тестирования — все делается собственными силами, что обеспечивает чрезвычайно высокий контроль качества.

(2) Исследования и разработки редкоземельных постоянных магнитов четвертого поколения : компания постоянно инвестирует в разработку редкоземельных постоянных магнитов четвертого поколения, обеспечивая лучшие магнитные подложки для намотки из углеродного волокна. Качество самих магнитов, включая прочность на разрыв, термическую стабильность и точность размеров, напрямую определяет конечные характеристики обмотки из углеродного волокна.

(3) Возможность точной обработки : компания использует процессы точной обработки, такие как цилиндрическое шлифование с ЧПУ, чтобы обеспечить точность размеров роторов и втулок. Намотка из углеродного волокна требует чрезвычайно высокой круглости и соосности подложки ротора; любая небольшая ошибка обработки будет усиливаться на высокой скорости.

(4) Оптимизированная конструкция сегментации магнитов : SDM проектирует сегменты магнитов с полным учетом характеристик обмотки из углеродного волокна, рационально сегментируя магниты для обеспечения достаточных магнитных характеристик, избегая при этом риска растрескивания, вызванного чрезмерно большими отдельными площадями магнитов - этот подход к проектированию напрямую устраняет болевые точки процесса намотки.

(5) Синергетическая оптимизация процесса намотки и материалов : благодаря постоянным исследованиям полимерных материалов и оптимизации процесса намотки компания постоянно увеличивает модуль упругости композита из углеродного волокна, сводя к минимуму потери на вихревые токи, обеспечивая при этом прочность, тем самым фундаментально решая проблему чрезмерного повышения температуры, связанного с металлическими втулками.

Заключение

Вибрационный шум, отрыв магнита и высокоскоростной выход из строя ротора двигателя на магнитной левитации по сути являются проявлениями противоречия между центробежной силой и материалами, конструкцией и системами управления при высоких скоростях вращения. Технология намотки из углеродного волокна, обеспечивающая прочное физическое удержание с низкими потерями, стала оптимальным решением этих трех основных проблем.

Компания SDM, обладая 16-летним опытом работы в отрасли магнитных материалов, производственными мощностями полного цикла, исследованиями и разработками редкоземельных магнитов четвертого поколения, а также усовершенствованным процессом намотки из углеродного волокна, предлагает все более надежные роторные решения для магнитных подшипников и высокоскоростных двигателей. В будущем, благодаря постоянному развитию материалов из углеродного волокна и технологий намотки, ограничения скорости и надежности двигателей с магнитными подшипниками будут расширяться еще больше.