I. 'Preizkus preživetja' pri visoki hitrosti vrtenja
Magnetni levitacijski motorji s svojimi prednostmi brezkontaktnega delovanja, visoke učinkovitosti in izjemno visokih vrtilnih hitrosti se vedno bolj uporabljajo v vrhunski opremi, kot so industrijski puhalniki, kompresorji in vztrajniki za shranjevanje energije. Ko pa hitrost vrtenja doseže več deset tisoč vrtljajev na minuto ali celo več, so trajni magneti na rotorju podvrženi hudemu 'preizkusu preživetja'.
Kje je problem?
Magnetni levitacijski motorji običajno uporabljajo sintran NdFeB kot trajni magnetni material. Čeprav ima NdFeB odlične magnetne lastnosti – vključno z zelo visokim produktom magnetne energije in koercitivnostjo – ima kritično slabost: njegova tlačna trdnost je veliko večja od natezne trdnosti . Sintrani NdFeB, proizveden s prašno metalurgijo, ima običajno natezno trdnost največ 80 MPa. Pri visokih hitrostih centrifugalna sila ustvari znatno natezno napetost znotraj trajnega magneta – pri delovnih pogojih 18.000 vrtljajev na minuto lahko centrifugalna napetost v NdFeB preseže 160 MPa, kar je skoraj dvakratna lastna meja trdnosti..
To je kot vrv iz krhkega materiala: brez težav prenese stiskanje, vendar se pod napetostjo zlahka zlomi. Ko se motor vrti z visoko hitrostjo, so trajni magneti izpostavljeni nateznim silam, ko se 'vržejo navzven'. Ko je meja presežena, bo magnetno jeklo počilo, se razbilo ali celo povzročilo, da rotor poči.
II. Rokav iz ogljikovih vlaken: 'Tesen oklep' za magnetno jeklo
Kako lahko zaščitimo krhke trajne magnete pred počenjem pod vplivom centrifugalne sile? Najučinkovitejša rešitev, ki je danes na voljo, je dodajanje tulca iz ogljikovih vlaken čez trajne magnete.
Ogljikova vlakna imajo natezno trdnost nad 5000 MPa, kar daleč presega mejo trdnosti NdFeB. Še pomembneje, v primerjavi s tradicionalnimi kovinskimi tulci, kot je titanova zlitina, tulec iz ogljikovih vlaken ponuja tri glavne prednosti:
Lahka in visoka trdnost – specifična trdnost (razmerje med trdnostjo in gostoto) ogljikovih vlaken je veliko večja kot pri kovinah, zato lahko tanjši in lažji material zagotovi zadostno zaščitno trdnost.
Brez izgub na vrtinčne tokove – ogljikova vlakna so slab prevodnik, zato ne ustvarjajo visokofrekvenčnih izgub na vrtinčne tokove kot kovinski tulci, s čimer se izognete dodatnim izgubam moči in težavam s segrevanjem.
Nizka toplotna razteznost – ogljikova vlakna imajo nizek koeficient toplotne razteznosti, kar zagotavlja dobro dimenzijsko stabilnost pri visokih temperaturah.
III. Glavna skrivnost za preprečevanje razpok: predobremenitev
Ali dodajanje tulca iz ogljikovih vlaken pomeni, da je vse rešeno? Ne povsem.
Ključna točka je, da se tako tulec kot trajni magneti radialno razširijo zaradi centrifugalne sile med vrtenjem pri visoki hitrosti. Če je tulec preprosto 'nameščen' čez magnete, bo med njima nastala vrzel – ker je radialna deformacija tulca pogosto večja kot pri magnetih. Ko enkrat nastane reža, tulec izgubi svojo omejitev na magnete, magnetno jeklo pa bo še vedno pokalo.
Rešitev je uporaba stalne 'prednapetosti' na trajnih magnetih.
Z ustvarjanjem interferenčnega prileganja med tulko in magneti (tj. notranji premer tulke je nekoliko manjši od zunanjega premera magnetov), tulka deluje kot 'tesna obleka', ki se tesno ovije okoli magnetov, pri čemer uporablja notranjo radialno tlačno napetost. Ko se rotor vrti z visoko hitrostjo, ta prednapetost učinkovito prepreči natezno napetost, ki jo povzroča centrifugalna sila.
Raziskave kažejo, da ko interferenca doseže več kot 0,10 mm, se lahko največja centrifugalna napetost v trajnih magnetih zmanjša z več kot 160 MPa na pod 70 MPa, kar je precej pod njihovo mejo trdnosti. V ekstremnih pogojih (npr. visoka temperatura 200 °C in vrtenje prekomerne hitrosti), čeprav lahko obročna napetost v tulcu iz ogljikovih vlaken naraste nad 1000 MPa, še vedno obstaja zadostna varnostna rezerva glede na mejo trdnosti materiala iz ogljikovih vlaken 1400 MPa.
IV. Kako doseči predstres? Dve procesni poti
Trenutno obstajata dve glavni metodi za doseganje prednapetosti v tulcu iz ogljikovih vlaken:
Pot 1: Interferenčni sklop
Tulec iz ogljikovih vlaken se izdela ločeno in se nato sestavi na rotor s toplotno ali hladno montažo. Na primer, hlajenje rotorja na –190 °C omogoča drsenje tulca z zelo malo aksialne sile; alternativno se lahko uporabi metoda aksialnega stiskanja s stiskalno silo do 25 kN.
Vendar ima ta metoda pomanjkljivosti: ogljikova vlakna so krhka in imajo slabo žilavost, zaradi česar so nagnjena k poškodbam in razpokam med interferenčnim sestavljanjem. Poleg tega je postopek sestavljanja zapleten in nadzor nad motnjami težaven.
2. način: visokonapetostno navijanje (boljša rešitev)
Ogljikova vlakna so navita neposredno na površino rotorja, med postopkom navijanja pa visoka napetost , zaradi česar se vsaka plast vlaken tesno ovije okoli površine trajnega magneta. se na pramene vlaken uporabi
Prefinjenost te metode je, da je sam postopek navijanja postopek nanašanja prednapetosti . Z nadzorovanjem napetosti vlaken je mogoče na tulko naložiti želeno polje prednapetosti, kar nadomesti tradicionalno metodo mehanskega motenja.
V. Postopek navijanja ogljikovih vlaken SDM
Na področju visokohitrostnih motornih rotorjev z magnetno levitacijo je podjetje Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. obvladalo zrel postopek navijanja ogljikovih vlaken . Njegove tehnične lastnosti se odražajo predvsem v naslednjih vidikih:
Tehnologija visokonapetostnega obodnega navijanja. SDM uporablja procesno pot neposrednega navijanja ogljikovih vlaken obodno na površino rotorja. Z natančnim nadzorom napetosti, ki se uporablja za preje iz ogljikovih vlaken med navijanjem, so plasti vlaken tesno povezane z zunanjo površino trajnih magnetov. Ta postopek istočasno zagotavlja zahtevano silo pred zategovanjem magnetov med izdelavo tulca, s čimer se izogne tveganjem razpok in težavam pri montaži, ki so povezane s tradicionalnim interferenčnim sestavljanjem.
Natančen nadzor urnika napetosti. Postopek SDM prilagodljivo uporablja različne načine nadzora napetosti glede na različne delovne zahteve. Za izpolnjevanje različnih potreb po porazdelitvi napetosti – na primer 'ohlapneje znotraj, težje zunaj' ali 'tesneje znotraj, ohlapneje zunaj' - lahko izberejo načine navijanja s konstantno napetostjo, s konstantnim navorom ali zoženo napetostjo. Z nadzorom napetosti navitja plast za plastjo je mogoče preostalo napetost v plasteh vlaken enakomerno porazdeliti v idealno stanje.
Kvantitativno preverjanje sile pred zategovanjem. SDM je vzpostavil popolno tehnično zaprto zanko, od teoretičnega izračuna do simulacije končnih elementov in končno do eksperimentalne verifikacije. Za silo pred zategovanjem, ki jo ustvari visokonapetostno navit tulec iz ogljikovih vlaken na trajnih magnetih, je povprečna napaka med rezultati eksperimentalnih testov in analitičnimi izračuni 8,56 %, povprečna napaka glede na simulacijo končnih elementov pa 7,88 % – ta stopnja natančnosti v celoti zagotavlja zanesljivost zasnove prednapetosti.
Integrirana zmogljivost celotnega procesa. Od izbire materiala iz ogljikovih vlaken, strukturnega načrtovanja in elektromagnetnega načrtovanja do procesov sestavljanja vlivanja, izdelave opreme ter inšpekcije in testiranja, SDM ima popolno tehnično zmogljivost. Sedež podjetja je v mestu Hangzhou in ima integrirano trgovinsko postavitev, ki strankam omogoča, da strankam zagotovi rešitev celotne verige od magnetov do sklopov rotorjev.
Ravno s tem prefinjenim postopkom navijanja iz ogljikovih vlaken lahko SDM-jevi visokohitrostni motorni rotorji z magnetno levitacijo učinkovito preprečijo pokanje magnetnega jekla v centrifugalnih pogojih visoke hitrosti, kar zagotavlja varno, stabilno in zanesljivo delovanje rotorja v zahtevnih pogojih več deset tisoč vrtljajev na minuto.
