I. 'Test prežitia' pri vysokorýchlostnej rotácii
Magnetické levitačné motory s ich výhodami bezkontaktnej prevádzky, vysokej účinnosti a extrémne vysokých otáčok sa čoraz viac používajú v špičkových zariadeniach, ako sú priemyselné dúchadlá, kompresory a zotrvačníky na akumuláciu energie. Keď však rýchlosť otáčania dosiahne desiatky tisíc otáčok za minútu alebo dokonca vyššiu, permanentné magnety na rotore sú podrobené vážnemu 'testu prežitia'.
Kde je problém?
Magnetické levitačné motory bežne používajú ako materiál permanentného magnetu spekaný NdFeB. Hoci NdFeB ponúka vynikajúce magnetické vlastnosti – vrátane produktu s veľmi vysokou magnetickou energiou a koercitivity – má kritickú slabinu: jeho pevnosť v tlaku je oveľa väčšia ako pevnosť v ťahu . Spekaný NdFeB, vyrobený práškovou metalurgiou, má typicky pevnosť v ťahu maximálne 80 MPa. Pri vysokých rýchlostiach odstredivá sila vytvára značné ťahové napätie vo vnútri permanentného magnetu – pri prevádzkových podmienkach 18 000 ot./min môže odstredivé napätie v NdFeB presiahnuť 160 MPa, čo je takmer dvojnásobok jeho vlastného limitu pevnosti.
Je to ako lano vyrobené z krehkého materiálu: bez problémov odoláva stlačeniu, ale pri napnutí sa ľahko zlomí. Keď sa motor otáča vysokou rýchlosťou, permanentné magnety sú vystavené ťahovým silám, keď sú 'vymrštené smerom von.' Po prekročení limitu oceľ magnetu praskne, rozbije sa alebo dokonca spôsobí prasknutie rotora.
II. Objímka z uhlíkových vlákien: 'Tesné brnenie' pre magnetickú oceľ
Ako môžeme chrániť krehké permanentné magnety pred prasknutím pri odstredivej sile? Najúčinnejším riešením, ktoré je dnes k dispozícii, je pridať manžetu z uhlíkových vlákien cez permanentné magnety.
Uhlíkové vlákno má pevnosť v ťahu viac ako 5000 MPa, čo ďaleko presahuje hranicu pevnosti NdFeB. Ešte dôležitejšie je, že v porovnaní s tradičnými kovovými objímkami, ako je zliatina titánu, puzdro z uhlíkových vlákien ponúka tri hlavné výhody:
Ľahká a vysoká pevnosť – Špecifická pevnosť (pomer pevnosti k hustote) uhlíkových vlákien je oveľa vyššia ako u kovov, takže tenší a ľahší materiál môže poskytnúť dostatočnú ochrannú pevnosť.
Žiadna strata vírivým prúdom – uhlíkové vlákno je slabý vodič, takže nevytvára vysokofrekvenčné straty vírivým prúdom, ako sú kovové objímky, čím sa predchádza ďalším stratám energie a problémom s prehrievaním.
Nízka tepelná rozťažnosť – Uhlíkové vlákno má nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, čo zaisťuje dobrú rozmerovú stabilitu pri prevádzkových podmienkach pri vysokých teplotách.
III. Hlavné tajomstvo proti praskaniu: Pred stresom
Znamená pridanie puzdra z uhlíkových vlákien, že je všetko vyriešené? Nie tak celkom.
Kľúčovým bodom je, že objímka aj permanentné magnety podliehajú radiálnej expanzii v dôsledku odstredivej sily počas vysokorýchlostnej rotácie. Ak je objímka jednoducho 'nasadená' cez magnety, vznikne medzi nimi medzera – pretože radiálna deformácia objímky je často väčšia ako u magnetov. Akonáhle sa vytvorí medzera, puzdro stratí svoje obmedzenie na magnetoch a magnetická oceľ bude stále praskať.
Riešením je aplikovať na permanentné magnety nepretržité 'predpätie'.
Vytvorením interferenčného uloženia medzi objímkou a magnetmi (t. j. vnútorný priemer objímky je o niečo menší ako vonkajší priemer magnetov), objímka pôsobí ako 'tesný oblek', ktorý sa tesne obopína okolo magnetov a vyvíja vnútorné radiálne tlakové napätie. Keď sa rotor otáča vysokou rýchlosťou, toto predpätie účinne pôsobí proti ťahovému namáhaniu spôsobenému odstredivou silou.
Výskum ukazuje, že keď interferencia dosiahne viac ako 0,10 mm, maximálne odstredivé napätie v permanentných magnetoch sa môže znížiť z viac ako 160 MPa na menej ako 70 MPa, čo je výrazne pod hranicou ich pevnosti. V extrémnych podmienkach (napr. vysoká teplota 200 °C plus rotácia s nadmernou rýchlosťou), hoci napätie obruče v objímke z uhlíkových vlákien môže stúpnuť nad 1000 MPa, stále existuje dostatočná bezpečnostná rezerva vzhľadom na limit pevnosti materiálu z uhlíkových vlákien 1400 MPa.
IV. Ako dosiahnuť predstres? Dve procesné cesty
V súčasnosti existujú dve hlavné metódy na dosiahnutie predpätia v rukáve z uhlíkových vlákien:
Cesta 1: Montáž rušenia
Objímka z uhlíkových vlákien sa vyrába samostatne a potom sa namontuje na rotor tepelnou alebo studenou montážou. Napríklad ochladenie rotora na –190 °C umožňuje nasunutie objímky s veľmi malou axiálnou silou; alternatívne možno použiť metódu axiálnej lisovacej tvarovky s lisovacou silou do 25 kN.
Táto metóda má však nevýhody: uhlíkové vlákno je krehké a má slabú húževnatosť, takže je náchylné na poškodenie a praskliny počas montáže interferencií. Okrem toho je proces montáže zložitý a kontrola rušenia je náročná.
Cesta 2: Vysokonapäťové navíjanie (lepšie riešenie)
Uhlíkové vlákno je navinuté priamo na povrch rotora a počas procesu navíjania vysoké napätie , vďaka čomu sa každá vrstva vlákna tesne ovinie okolo povrchu permanentného magnetu. je na vlákna vlákna aplikované
Jemnosť tejto metódy spočíva v tom, že samotný proces navíjania je procesom predpätia . Riadením napätia vlákna môže byť požadované pole predpätia uložené na objímku, čím sa nahradí tradičný spôsob mechanickej interferencie.
Proces navíjania uhlíkových vlákien V. SDM
V oblasti magnetických levitačných vysokorýchlostných motorových rotorov spoločnosť Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. zvládla vyspelý proces navíjania uhlíkových vlákien . Jeho technické vlastnosti sa odrážajú najmä v nasledujúcich aspektoch:
Vysokonapäťová technológia obvodového vinutia. SDM využíva procesnú cestu priameho navíjania uhlíkových vlákien po obvode na povrch rotora. Presným riadením napätia aplikovaného na kúdele z uhlíkových vlákien počas navíjania sú vrstvy vlákien pevne prispôsobené vonkajšiemu povrchu permanentných magnetov. Tento proces súčasne poskytuje potrebnú uťahovaciu silu pre magnety pri výrobe objímky, čím sa predchádza rizikám prasklín a montážnym ťažkostiam spojeným s tradičnou interferenčnou montážou.
Presná kontrola harmonogramu napätia. Proces SDM flexibilne využíva rôzne režimy riadenia napätia podľa rôznych prevádzkových požiadaviek. Na splnenie rôznych potrieb rozloženia napätia – ako „voľnejšie vnútri, tesnejšie zvonka“ alebo „tesnejšie vnútri, voľnejšie vonku“ – si môžu zvoliť režimy navíjania s konštantným napätím, konštantným krútiacim momentom alebo kužeľovým ťahom. Riadením napätia vinutia vrstva po vrstve môže byť zvyškové napätie vo vrstvách vlákien rovnomerne rozdelené do ideálneho stavu.
Kvantitatívne overenie sily predbežného utiahnutia. SDM vytvorilo úplnú technickú uzavretú slučku, od teoretického výpočtu po simuláciu konečných prvkov a nakoniec po experimentálne overenie. Pre silu predbežného utiahnutia generovanú vysokonapäťovým navinutým puzdrom z uhlíkových vlákien na permanentných magnetoch je priemerná chyba medzi výsledkami experimentálnych testov a analytickými výpočtami 8,56 % a priemerná chyba v porovnaní so simuláciou konečných prvkov je 7,88 % – táto úroveň presnosti plne zaručuje spoľahlivosť návrhu predpätia.
Integrovaná schopnosť celého procesu. Od výberu materiálu z uhlíkových vlákien, konštrukčného dizajnu a elektromagnetického dizajnu až po procesy montáže výliskov, výrobu zariadení a kontrolu a testovanie, SDM má kompletné technické možnosti. Spoločnosť má ústredie v Hangzhou a má integrovanú štruktúru pre priemysel, čo jej umožňuje poskytovať zákazníkom komplexné riešenie od magnetov až po zostavy rotorov.
Presne s týmto rafinovaným procesom navíjania uhlíkových vlákien môžu rotory vysokorýchlostných motorov SDM s magnetickou levitáciou účinne zabrániť praskaniu magnetickej ocele pri vysokorýchlostných odstredivých podmienkach, čo zaisťuje bezpečnú, stabilnú a spoľahlivú prevádzku rotora v náročných podmienkach desiatok tisíc otáčok za minútu.
