Trije glavni izzivi rotorjev motorjev z magnetno levitacijo in njihove rešitve

Motorji z magnetnimi ležaji s svojimi prednostmi brezkontaktnega delovanja, brez obrabe in visoke učinkovitosti hitro nadomeščajo tradicionalne motorje na področjih, kot so visokohitrostni kompresorji, puhala in shranjevanje energije vztrajnika. Ko pa hitrosti vrtenja dosežejo več deset tisoč ali celo več kot sto tisoč vrtljajev na minuto, postane zanesljivost rotorja odločilni dejavnik za uspeh izdelka – vibracije in neobičajni hrup, odklop magneta in okvara pri visoki hitrosti so tri stalne težave, ki že dolgo skrbijo inženirje v industriji. Ta članek izhaja iz temeljnih vzrokov, analizira fizične mehanizme za temi težavami in predstavlja najučinkovitejšo trenutno rešitev – tehnologijo navijanja ogljikovih vlaken.

1. Vibracije in neobičajni hrup: nevidni 'ubijalec nizkih frekvenc'

1.1 Pojavi in ​​nevarnosti

Med delovanjem motorji z magnetnimi ležaji včasih kažejo nenormalne vibracije in hrup, ki nista odvisna od hitrosti vrtenja. V nasprotju z neuravnoteženimi vibracijami, ki so običajne pri navadnih vrtljivih strojih, na te vibracije ne vpliva raven hitrosti; vztraja tudi pri stabilni hitrosti. Dolgotrajna izpostavljenost takšnim vibracijam ne le pospeši poškodbe zaradi utrujenosti ležajev in konstrukcijskih delov, ampak tudi povzroči dražeč hrup, ki resno vpliva na zanesljivost opreme in uporabniško izkušnjo.

1.2 Analiza temeljnega vzroka

Študije kažejo, da nizkofrekvenčne vibracije Rotor motorja z magnetno levitacijo je določen z lastno frekvenco zaprtozančnega krmilnega sistema in ga vzbuja zunanji hrup. Z drugimi besedami, to ni čisto mehansko vprašanje, temveč pojav povezovanja med krmilnim sistemom in mehansko strukturo.

Naslednji dejavniki lahko povzročijo nizkofrekvenčne vibracije:

• Neuravnoteženost rotorja : odmik središča mase, ki ga povzročijo napake pri obdelavi in ​​sestavljanju;

• Zračnost ležajev : neusklajenost med kontrolnimi parametri magnetnih ležajev in dinamičnimi značilnostmi rotorja;

• Vmesni členi v krmilnem sistemu : zakasnitve in nelinearnosti pri zajemu, obdelavi in ​​izhodu signala.

1.3 Rešitve

Za nizkofrekvenčne vibracije glavni tehnični pristopi vključujejo:

(1) Popravek dinamičnega uravnoteženja : uporabite visoko natančno opremo za uravnoteženje, da popravite rotor, z dodajanjem ali odstranjevanjem protiuteži, da spravite neuravnoteženost v dovoljeno območje.

(2) Optimizacija nadzornega algoritma : raziskovalci so predlagali strategije kompenzacije vibracij, ki temeljijo na opazovalcih razširjenega stanja. Eksperimentalni rezultati kažejo, da se pri istem vzbujanju z belim šumom največje tresenje rotorja s kompenzatorjem zmanjša za približno 21 % v primerjavi s samo regulacijo PID; pri 30.000 vrt./min se največje tresenje rotorja zmanjša za 26,6 %.

(3) Strukturna optimizacija : optimizirajte zasnovo strukture rotorja za izboljšanje togosti in lastnosti dušenja rotorskega sistema.

2. Ločitev magneta: 'centrifugalna bolečina' pri visokih hitrostih

2.1 Pojavi in ​​nevarnosti

Ločitev magneta je ena najresnejših okvar pri motorjih s trajnimi magneti. Pri hitrostih več deset tisoč vrtljajev na minuto lahko centrifugalna sila na magnetih doseže tisočkratnik njihove lastne teže. Ko se magnet enkrat loči od površine rotorja, zmogljivost motorja v najboljšem primeru močno pade; v najslabšem primeru lahko povzroči zagozditev rotorja, zareze v izvrtini statorja in druge katastrofalne posledice.

2.2 Analiza temeljnega vzroka

Ločitev magneta in dviganje robov lahko pripišemo petim ključnim dejavnikom:

(1) Nezadostna trdnost : strižna trdnost lepila je nižja od centrifugalne ali udarne sile na magnet, zato spoj ne more obdržati.

(2) Odpoved pri visokih in nizkih temperaturah : lepilo postane krhko pri nizkih temperaturah ali odpove pri visokih temperaturah, kar drastično zmanjša učinkovitost lepljenja. Običajna lepila imajo običajno delovno temperaturo okoli 120 °C, medtem ko dvig notranje temperature motorja pogosto presega to območje.

(3) Neusklajenost koeficientov toplotne razteznosti : razlike v toplotni razteznosti med magnetom (npr. NdFeB) in materialom rotorja (npr. aluminijevo zlitino) so velike in temperaturne spremembe povzročijo notranjo napetost, ki poči lepilno plast.

(4) Visokofrekvenčne vibracije : dolgotrajne visokofrekvenčne vibracije nenehno obremenjujejo lepilno plast, kar pospešuje odpoved zaradi utrujenosti.

(5) Okoljska korozija : vlaga, vročina, slani pršič itd. napadajo lepilno plast in oslabijo vez.

Poleg tega lahko neustrezna zasnova segmentacije magnetov poslabša težavo. Če ima posamezen segment magneta preveliko površino v stiku z rotorjem, lahko ovijanje ogljikovih vlaken na zunanji strani zlahka poči magnet; tudi če med navijanjem ne poči, lahko po nekaj posegu poči.

2.3 Rešitve

(1) Optimizirajte postopek lepljenja z lepilom : izberite visoko zmogljiva strukturna lepila, zagotovite čiste površine za lepljenje in strogo nadzorujte pogoje strjevanja.

(2) Zasnova segmentacije magneta : magnete razdelite vzdolž vodoravne smeri na manjše segmente, da zmanjšate površino vsakega kosa in zmanjšate tveganje za pokanje.

(3) Ojačitev fizične omejitve  – to je najbolj temeljna rešitev: dodajte visoko trdno pušo zunaj magnetov, da zagotovite fizično omejitev proti centrifugalni sili. Navijanje iz ogljikovih vlaken je trenutno priznano kot najboljši način ojačitve.

3. Okvara visoke hitrosti: ko rotor 'ne more zadržati'

3.1 Pojavi in ​​nevarnosti

Ko se hitrost motorja približa ali preseže strukturno mejo rotorja, se rotor sooči s katastrofalno okvaro. Tipične manifestacije vključujejo deformacijo rotorja, fragmentacijo trajnega magneta, zlom tulca in padec rotorja. Ko pride do okvare pri visoki hitrosti, se oprema ne le zavrže, ampak lahko povzroči tudi resne varnostne nesreče.

3.2 Analiza temeljnega vzroka

Temeljni vzrok odpovedi pri visokih hitrostih je  protislovje med centrifugalno silo in trdnostjo materiala.

Vzemimo za primer trajne magnete NdFeB. Čeprav imajo izredno visok produkt magnetne energije in koercitivnost, zaradi česar so danes najučinkovitejši trajni magnetni material, je njihova natezna trdnost nizka (<80 MPa) in so temperaturno občutljivi s slabo toplotno stabilnostjo. Pri hitrostih več deset tisoč vrtljajev na minuto centrifugalna obremenitev trajnih magnetov daleč presega njihovo lastno mejo trdnosti, zato je zunanji tulec bistvenega pomena za zaščito.

Tradicionalna rešitev je uporaba nemagnetnih kovinskih tulcev (kot je Inconel 718 ali titanova zlitina). Vendar imajo kovinski tulci usodno pomanjkljivost:  izgube zaradi vrtinčnih tokov . Večja kot je prevodnost rokava, večji so ustvarjeni vrtinčni tokovi in ​​resnejša je izguba vrtinčnega toka, zaradi česar temperatura rotorja močno naraste, kar še poveča nevarnost demagnetizacije trajnih magnetov.

3.3 Rešitve

Kompozitni rokavi iz ogljikovih vlaken  so trenutno priznani kot najboljša rešitev.

Prednosti rokavov iz ogljikovih vlaken so:

• Nizka prevodnost : praktično ne ustvarjajo izgub zaradi vrtinčnih tokov, kar ima za posledico najnižji dvig temperature rotorja;

• Visoka trdnost : specifična trdnost ogljikovih vlaken je veliko višja kot pri kovinah, kar zagotavlja močnejši zadržek z manjšo težo;

• Visok modul : z optimizacijo smolnih materialov in postopkov navijanja se lahko elastični modul poveča s tradicionalnih 130–160 GPa na več kot 200 GPa.

4. Končna rešitev: Tehnologija navijanja ogljikovih vlaken

Za sočasno reševanje treh glavnih težav hrupa vibracij, odklopa magneta in okvare pri visoki hitrosti je navijanje ogljikovih vlaken nepogrešljiva osnovna tehnologija. Njegovo načelo je navijanje kompozitnega materiala iz ogljikovih vlaken visoke trdnosti okoli trajnih magnetov, ki tvorijo tesen 'oklep' nad rotorjem, ki zagotavlja neprekinjeno radialno omejitev proti centrifugalni sili, ki jo ustvarja vrtenje pri visoki hitrosti.

4.1 Dva glavna procesa

Trenutno obstajata dva glavna pristopa za izdelavo rotorjev iz ogljikovih vlaken:

Metoda stiskanja : najprej izdelajte tulec iz ogljikovih vlaken, nato ga pritisnite na rotor ali uporabite skrčno pritrditev. Pri skrčnem pritrjevanju je rotor ohlajen na -190 °C, tulec pa je mogoče namestiti z zelo malo aksialne sile. Metoda stiskanja je razmeroma zrela, vendar zahteva izjemno natančen nadzor interferenčnega prileganja – prevelika interferenca lahko poči magnete, premajhna pa zagotavlja nezadostno zadrževanje.

Metoda neposrednega navijanja : ogljikova vlakna navijte neposredno na površino trajnega magneta, nato pa jih utrdite. Ta metoda zahteva izredno strog nadzor nad napetostjo navitja, temperaturo utrjevanja, medslojnim lepljenjem in drugimi procesnimi parametri, vendar lahko doseže bolj enakomerno prednapetost in večji izkoristek materiala.

4.2 Ključne tehnične težave

(1) Kontrola prednapetosti : med navijanjem je treba uporabiti ustrezno začetno napetost, tako da ogljikova vlakna izvajajo neprekinjeno predkompresijo na magnete po utrjevanju. Prekomerna napetost lahko poči magnete, medtem ko nezadostna napetost ne more zagotoviti ustreznega zadrževanja.

(2) Toplotno ujemanje : koeficiente toplotnega raztezanja kompozita iz ogljikovih vlaken, trajnih magnetov in materiala gredi je treba natančno ujemati, da se izognete čezmernemu notranjemu stresu zaradi temperaturnih sprememb.

(3) Analiza napetosti: programsko opremo za analizo končnih elementov (npr. MSC Patran/Nastran) je treba uporabiti za natančno analizo napetosti in deformacije strukture rotorja, določanje optimalne debeline plasti navitja, kota in procesnih parametrov.

Študije so pokazale, da lahko rotor magnetnega levitacijskega motorja z ojačitvenim obročem iz ogljikovih vlaken izpolni zahteve glede trdnosti in deformacije pri visokih hitrostih 72.000 vrt./min.

5. Postopek navijanja ogljikovih vlaken SDM

Na področju navijanja iz ogljikovih vlaken za rotorje magnetnih ležajev / visokohitrostnih motorjev je  SDM  eno redkih domačih podjetij, ki obvladajo osnovno tehnologijo.

Na področju magnetnih ležajev/hitrohitrostnih motornih rotorjev ima postopek navijanja ogljikovih vlaken SDM naslednje izjemne lastnosti:

(1) Zmogljivost proizvodnje v celotni verigi : podjetje ima proizvodno zmogljivost v celotni verigi na enem mestu od magnetnih materialov (mehki magnetni + trdi magnetni) do komponent statorja/rotorja motorja in nato do mikromotornih sistemov senzorjev razreševalnika. To pomeni, da se od izbire magneta in zasnove rotorja do navijanja ogljikovih vlaken in končnega testiranja vse opravi v podjetju, kar zagotavlja izjemno visoko kontrolo kakovosti.

(2) Raziskave in razvoj s trajnimi magneti redkih zemelj četrte generacije : podjetje nenehno vlaga v razvoj materialov s trajnimi magneti redkih zemelj četrte generacije, ki zagotavljajo boljše magnetne podlage za navijanje ogljikovih vlaken. Kakovost samih magnetov – vključno z natezno trdnostjo, toplotno stabilnostjo in dimenzijsko natančnostjo – neposredno določa končno zmogljivost navitja iz ogljikovih vlaken.

(3) Zmogljivost natančne obdelave : podjetje uporablja postopke natančne obdelave, kot je CNC valjasto brušenje, da zagotovi dimenzijsko natančnost rotorjev in rokavov. Navijanje iz ogljikovih vlaken zahteva izjemno visoko okroglost in koaksialnost podlage rotorja; vsaka manjša strojna napaka se bo povečala pri visoki hitrosti.

(4) Optimizirana zasnova segmentacije magneta : SDM oblikuje segmente magneta s popolnim upoštevanjem značilnosti navijanja iz ogljikovih vlaken, racionalno segmentira magnete, da zagotovi zadostno magnetno zmogljivost, hkrati pa se izogne ​​tveganju pokanja, ki ga povzročajo pretirano velike posamezne magnetne površine – ta pristop k oblikovanju neposredno obravnava boleče točke postopka navijanja.

(5) Sinergistična optimizacija postopka navijanja in materialov : z nenehnim raziskovanjem smolnih materialov in optimizacijo postopka navijanja je podjetje vztrajno povečevalo modul elastičnosti kompozita iz ogljikovih vlaken, kar je zmanjšalo izgube zaradi vrtinčnih tokov, hkrati pa zagotovilo trdnost, s čimer je temeljno rešilo problem prekomernega dviga temperature, povezanega s kovinskimi tulci.

Zaključek

Hrup tresljajev, ločevanje magneta in okvara rotorja magnetnega levitacijskega motorja pri visoki hitrosti so v bistvu manifestacije protislovja med centrifugalno silo in materiali, strukturo in krmilnimi sistemi pri visokih vrtilnih hitrostih. Tehnologija navijanja iz ogljikovih vlaken je z zagotavljanjem močne fizične omejitve z nizkimi izgubami postala optimalna rešitev za te tri glavne izzive.

SDM s svojimi 16-letnimi izkušnjami v industriji magnetnih materialov, proizvodno zmogljivostjo v celotni verigi, močjo raziskav in razvoja magneta redkih zemelj četrte generacije ter prefinjenim postopkom navijanja iz ogljikovih vlaken zagotavlja vse bolj zanesljive rešitve rotorjev za magnetne ležaje/hitrohitrostne motorje. V prihodnosti bodo z nenehnim napredkom materialov iz ogljikovih vlaken in tehnologij navijanja omejitve hitrosti in zanesljivost motorjev z magnetnimi ležaji še bolj pomaknjene.