Tri hlavné výzvy rotorov magnetických levitačných motorov a ich riešenia

Motory s magnetickými ložiskami s ich výhodami bezkontaktnej prevádzky, bez opotrebovania a vysokej účinnosti rýchlo nahrádzajú tradičné motory v oblastiach, ako sú vysokorýchlostné kompresory, dúchadlá a zásobníky energie zotrvačníka. Keď však otáčky dosiahnu desiatky tisíc alebo dokonca viac ako stotisíc otáčok za minútu, spoľahlivosť rotora sa stáva rozhodujúcim faktorom úspechu produktu – vibrácie a abnormálny hluk, odpojenie magnetu a zlyhanie pri vysokej rýchlosti sú tri pretrvávajúce problémy, ktoré už dlho trápia inžinierov v tomto odvetví. Tento článok začína od základných príčin, analyzuje fyzikálne mechanizmy za týmito problémami a predstavuje najefektívnejšie súčasné riešenie – technológiu navíjania uhlíkových vlákien.

1. Vibrácie a abnormálny hluk: Neviditeľný 'nízkofrekvenčný zabijak'

1.1 Javy a riziká

Počas prevádzky motory s magnetickým ložiskom niekedy vykazujú abnormálne vibrácie a hluk, ktoré sú nezávislé od rýchlosti otáčania. Na rozdiel od nevyvážených vibrácií bežných v bežných rotačných strojoch, tieto vibrácie nie sú ovplyvnené úrovňou rýchlosti; pretrváva aj pri stabilnej rýchlosti. Dlhodobé vystavenie takýmto vibráciám nielen urýchľuje únavové poškodenie ložísk a konštrukčných dielov, ale vytvára aj dráždivý hluk, ktorý vážne ovplyvňuje spoľahlivosť zariadenia a používateľskú skúsenosť.

1.2 Analýza hlavných príčin

Štúdie ukazujú, že nízkofrekvenčné vibrácie Magnetický levitačný rotor motora je určený vlastnou frekvenciou riadiaceho systému s uzavretou slučkou a je vybudený vonkajším hlukom. Inými slovami, toto nie je čisto mechanický problém, ale jav spojenia medzi riadiacim systémom a mechanickou štruktúrou.

Nízkofrekvenčné vibrácie môžu vyvolať najmä tieto faktory:

• Nevyváženosť rotora : posunutie ťažiska spôsobené chybami obrábania a montáže;

• Vôľa ložísk : nesúlad medzi riadiacimi parametrami magnetických ložísk a dynamickými charakteristikami rotora;

• Medzičlánky v riadiacom systéme : oneskorenia a nelinearity pri získavaní, spracovaní a výstupe signálu.

1.3 Riešenia

Hlavné technické prístupy pre nízkofrekvenčné vibrácie zahŕňajú:

(1) Dynamická korekcia vyváženia : použite vysoko presné vyvažovacie zariadenie na korekciu rotora pridaním alebo odstránením protizávaží, aby sa nevyváženosť dostala do povoleného rozsahu.

(2) Optimalizácia riadiaceho algoritmu : výskumníci navrhli stratégie kompenzácie vibrácií založené na pozorovateľoch s rozšíreným stavom. Experimentálne výsledky ukazujú, že pri rovnakej excitácii bieleho šumu sa maximálne vibrácie rotora s kompenzátorom znížia o približne 21 % v porovnaní so samotnou reguláciou PID; pri 30 000 otáčkach za minútu sa maximálne vibrácie rotora znížia o 26,6 %.

(3) Štrukturálna optimalizácia : optimalizácia konštrukcie rotora, aby sa zlepšili charakteristiky tuhosti a tlmenia rotorového systému.

2. Odpojenie magnetu: 'Odstredivá bolesť' pri vysokých rýchlostiach

2.1 Javy a riziká

Odpojenie magnetu je jednou z najzávažnejších porúch motorov s permanentnými magnetmi. Pri rýchlostiach desiatok tisíc otáčok za minútu môže odstredivá sila na magnety dosiahnuť tisícnásobok vlastnej hmotnosti. Akonáhle sa magnet odpojí od povrchu rotora, výkon motora v najlepšom prípade prudko klesne; v najhoršom prípade môže spôsobiť zaseknutie rotora, vŕtanie statora a ďalšie katastrofické následky.

2.2 Analýza hlavných príčin

Odpojenie magnetu a zdvíhanie hrán možno pripísať piatim kľúčovým faktorom:

(1) Nedostatočná pevnosť : šmyková pevnosť lepidla je nižšia ako odstredivá alebo nárazová sila na magnet, takže spoj nemôže držať.

(2) Zlyhanie pri vysokej a nízkej teplote : lepidlo sa stáva krehkým pri nízkych teplotách alebo zlyhá pri vysokých teplotách, čím sa výrazne znižuje výkon lepenia. Bežné lepidlá majú zvyčajne prevádzkovú teplotu okolo 120 °C, pričom vnútorný nárast teploty motora často prekračuje tento rozsah.

(3) Nesúlad v koeficientoch tepelnej rozťažnosti : rozdiely v tepelnej rozťažnosti medzi magnetom (napr. NdFeB) a materiálom rotora (napr. hliníkovou zliatinou) sú veľké a teplotné zmeny vyvolávajú vnútorné napätie, ktoré popraská adhéznu vrstvu.

(4) Vysokofrekvenčné vibrácie : dlhodobé vysokofrekvenčné vibrácie nepretržite namáhajú vrstvu lepidla a urýchľujú poruchu únavy.

(5) Korózia prostredia : vlhkosť, teplo, soľný sprej atď., Napádajú vrstvu lepidla a oslabujú spojenie.

Okrem toho môže problém zhoršiť nesprávna konštrukcia segmentácie magnetov. Keď má jeden segment magnetu príliš veľkú plochu v kontakte s rotorom, obalenie uhlíkových vlákien na vonkajšej strane môže magnet ľahko prasknúť; aj keď pri navíjaní nepraskne, po nejakej operácii môže prasknúť.

2.3 Riešenia

(1) Optimalizujte proces lepenia lepidla : vyberte vysokovýkonné štrukturálne lepidlá, zaistite čisté lepené povrchy a prísne kontrolujte podmienky vytvrdzovania.

(2) Dizajn segmentácie magnetov : rozdeľte magnety v horizontálnom smere na menšie segmenty, aby ste zmenšili plochu každého kusu a znížili riziko prasknutia.

(3) Zosilnenie fyzického obmedzenia  – toto je najzákladnejšie riešenie: pridajte vysokopevnostnú manžetu mimo magnetov, aby ste poskytli fyzické obmedzenie proti odstredivej sile. Vinutie uhlíkových vlákien je v súčasnosti uznávané ako najlepšia metóda vystuženia.

3. Zlyhanie pri vysokej rýchlosti: Keď sa rotor 'nemôže udržať'

3.1 Javy a nebezpečenstvá

Keď sa rýchlosť motora priblíži alebo prekročí konštrukčný limit rotora, rotor čelí katastrofálnej poruche. Medzi typické prejavy patrí deformácia rotora, fragmentácia permanentného magnetu, prasknutie puzdra a pád rotora. Akonáhle dôjde k zlyhaniu vysokej rýchlosti, zariadenie sa nielen zošrotuje, ale môže to spôsobiť aj vážne bezpečnostné nehody.

3.2 Analýza hlavnej príčiny

Základnou príčinou zlyhania pri vysokej rýchlosti je  rozpor medzi odstredivou silou a pevnosťou materiálu.

Ako príklad si vezmite permanentné magnety NdFeB. Hoci majú extrémne vysoký produkt magnetickej energie a koercitivitu, vďaka čomu sú dnes najvýkonnejším materiálom permanentných magnetov, ich pevnosť v ťahu je nízka (<80 MPa) a sú citlivé na teplotu so zlou tepelnou stabilitou. Pri rýchlostiach desiatok tisíc otáčok za minútu odstredivé namáhanie permanentných magnetov ďaleko presahuje ich vlastnú medzu pevnosti, takže vonkajšia manžeta je nevyhnutná pre ochranu.

Tradičným riešením je použitie nemagnetických kovových puzdier (napríklad Inconel 718 alebo zliatiny titánu). Kovové manžety však majú fatálnu nevýhodu:  straty vírivými prúdmi . Čím vyššia je vodivosť objímky, tým väčšie sú generované vírivé prúdy a tým vážnejšie sú straty vírivými prúdmi, ktoré spôsobujú prudký nárast teploty rotora, čo ďalej zvyšuje riziko demagnetizácie permanentných magnetov.

3.3 Riešenia

Kompozitné návleky z uhlíkových vlákien  sú v súčasnosti uznávané ako najlepšie riešenie.

Výhody rukávov z uhlíkových vlákien sú:

• Nízka vodivosť : nevytvárajú prakticky žiadne straty vírivými prúdmi, čo má za následok najnižší nárast teploty rotora;

• Vysoká pevnosť : špecifická pevnosť uhlíkových vlákien je oveľa vyššia ako u kovov, čo poskytuje silnejšie obmedzenie pri nižšej hmotnosti;

• Vysoký modul : optimalizáciou živicových materiálov a procesov navíjania možno modul pružnosti zvýšiť z tradičných 130-160 GPa na viac ako 200 GPa.

4. Konečné riešenie: Technológia navíjania uhlíkových vlákien

Na súčasné vyriešenie troch hlavných problémov hluku vibrácií, odpojenia magnetu a zlyhania pri vysokej rýchlosti je navíjanie uhlíkových vlákien nepostrádateľnou hlavnou technológiou. Jeho princípom je navíjanie vysokopevnostného kompozitného materiálu z uhlíkových vlákien okolo permanentných magnetov, čím sa vytvára tesný 'pancier' nad rotorom, ktorý poskytuje nepretržité radiálne obmedzenie proti odstredivej sile generovanej vysokorýchlostnou rotáciou.

4.1 Dva hlavné procesy

V súčasnosti existujú dva hlavné prístupy k výrobe rotorov z uhlíkových vlákien:

Metóda lisovania : najprv vyrobte objímku z uhlíkových vlákien, potom ju natlačte na rotor alebo použite nasadenie za tepla. Pri nasadzovaní za tepla sa rotor ochladí na -190 °C a objímku je možné inštalovať s veľmi malou axiálnou silou. Metóda lisovania je relatívne vyspelá, vyžaduje si však mimoriadne presné ovládanie uloženia s presahom – príliš veľké zasahovanie môže prasknúť magnety, zatiaľ čo príliš málo poskytuje nedostatočné obmedzenie.

Metóda priameho vinutia : naviňte uhlíkové vlákno priamo na povrch permanentného magnetu a potom ho vytvrdnite. Táto metóda vyžaduje extrémne prísnu kontrolu nad napätím vinutia, teplotou vytvrdzovania, spájaním medzi vrstvami a inými procesnými parametrami, ale môže dosiahnuť rovnomernejšie predpätie a vyššie využitie materiálu.

4.2 Kľúčové technické ťažkosti

(1) Kontrola predpätia : počas navíjania sa musí použiť vhodné počiatočné napätie, aby uhlíkové vlákno po vytvrdnutí vyvíjalo na magnety kontinuálne predbežné stlačenie. Nadmerné napätie môže popraskať magnety, zatiaľ čo nedostatočné napätie nemôže poskytnúť dostatočné obmedzenie.

(2) Tepelné prispôsobenie : koeficienty tepelnej rozťažnosti kompozitu z uhlíkových vlákien, permanentných magnetov a materiálu hriadeľa musia byť presne prispôsobené, aby sa predišlo nadmernému vnútornému namáhaniu v dôsledku zmien teploty.

(3) Analýza napätia: softvér na analýzu konečných prvkov (napr. MSC Patran/Nastran) by sa mal použiť na presnú analýzu napätia a deformácie konštrukcie rotora, na určenie optimálnej hrúbky vrstvy vinutia, uhla a procesných parametrov.

Štúdie ukázali, že rotor motora s magnetickou levitáciou s vystužovacím prstencom z uhlíkových vlákien dokáže splniť požiadavky na pevnosť a deformáciu pri vysokých rýchlostiach 72 000 ot./min.

5. Proces navíjania uhlíkových vlákien SDM

V oblasti vinutia uhlíkových vlákien pre magnetické ložiská / rotory vysokorýchlostných motorov je  SDM  jednou z mála domácich spoločností, ktoré ovládajú hlavnú technológiu.

V oblasti magnetických ložísk / rotorov vysokorýchlostných motorov má proces navíjania uhlíkových vlákien SDM nasledujúce vynikajúce vlastnosti:

(1) Schopnosť výroby celého reťazca : spoločnosť disponuje komplexnou výrobnou kapacitou na jednom mieste od magnetických materiálov (mäkké magnetické + tvrdé magnetické) po komponenty statora/rotora motora a potom až po mikromotorové systémy so snímačom rezolveru. To znamená, že od výberu magnetu a konštrukcie rotora až po navíjanie uhlíkových vlákien a záverečné testovanie sa všetko robí interne, čím sa zabezpečuje extrémne vysoká kvalita kontroly.

(2) Výskum a vývoj štvrtej generácie permanentných magnetov zo vzácnych zemín : spoločnosť neustále investuje do vývoja materiálov s permanentnými magnetmi zo vzácnych zemín štvrtej generácie, ktoré poskytujú lepšie magnetické substráty pre navíjanie uhlíkových vlákien. Kvalita samotných magnetov – vrátane pevnosti v ťahu, tepelnej stability a rozmerovej presnosti – priamo určuje konečný výkon vinutia uhlíkových vlákien.

(3) Schopnosť presného obrábania : spoločnosť používa presné obrábacie procesy, ako je CNC valcové brúsenie, aby sa zabezpečila rozmerová presnosť rotorov a puzdier. Vinutie uhlíkových vlákien vyžaduje extrémne vysokú kruhovitosť a koaxiálnosť rotorového substrátu; akákoľvek malá chyba obrábania sa zosilní pri vysokej rýchlosti.

(4) Optimalizovaný dizajn segmentácie magnetov : SDM navrhuje segmenty magnetov s plným zohľadnením charakteristík vinutia uhlíkových vlákien, racionálne segmentuje magnety, aby sa zabezpečil dostatočný magnetický výkon a zároveň sa zabránilo riziku prasknutia spôsobeného nadmerne veľkými oblasťami jednotlivých magnetov – tento dizajnový prístup priamo rieši bolestivé body procesu navíjania.

(5) Synergická optimalizácia procesu navíjania a materiálov : prostredníctvom neustáleho výskumu živicových materiálov a optimalizácie procesu navíjania spoločnosť neustále zvyšovala modul pružnosti kompozitu z uhlíkových vlákien, minimalizovala straty vírivými prúdmi a zároveň zabezpečila pevnosť, čím zásadne vyriešila problém nadmerného nárastu teploty spojeného s kovovými rukávmi.

Záver

Vibračný hluk, odpojenie magnetu a vysokorýchlostné zlyhanie rotora magnetického levitačného motora sú v podstate prejavom rozporu medzi odstredivou silou a materiálmi, štruktúrou a riadiacimi systémami pri vysokých otáčkach. Technológia navíjania uhlíkových vlákien, ktorá poskytuje silné fyzické obmedzenie s nízkymi stratami, sa stala optimálnym riešením týchto troch hlavných výziev.

Spoločnosť SDM so svojimi 16-ročnými skúsenosťami v priemysle magnetických materiálov, schopnosťou výroby celého reťazca, silou výskumu a vývoja magnetov zo vzácnych zemín štvrtej generácie a rafinovaným procesom navíjania uhlíkových vlákien poskytuje čoraz spoľahlivejšie riešenia rotorov pre magnetické ložiská / vysokorýchlostné motory. V budúcnosti, s neustálym pokrokom v materiáloch z uhlíkových vlákien a technológiách navíjania, sa rýchlostné limity a spoľahlivosť motorov s magnetickými ložiskami posunú ešte ďalej.