И. 'Тест преживљавања' под ротацијом велике брзине
Мотори са магнетном левитацијом, са својим предностима бесконтактног рада, високе ефикасности и изузетно великих брзина ротације, све више се усвајају у врхунској опреми као што су индустријске дуваљке, компресори и замајци за складиштење енергије. Међутим, када брзина ротације достигне десетине хиљада обртаја у минути или чак и више, трајни магнети на ротору су подвргнути озбиљном 'тесту преживљавања'.
Где је проблем?
Мотори са магнетном левитацијом обично користе синтеровани НдФеБ као материјал трајног магнета. Иако НдФеБ нуди одлична магнетна својства – укључујући веома висок производ магнетне енергије и коерцитивност – он има критичну слабост: његова чврстоћа на притисак је далеко већа од затезне чврстоће . Синтеровани НдФеБ, произведен металургијом праха, обично има затезну чврстоћу не већу од 80 МПа. При великим брзинама, центрифугална сила ствара значајан затезни напон унутар трајног магнета – под радним условима од 18.000 о/мин, центрифугални напон у НдФеБ може премашити 160 МПа, што је скоро дупло од сопствене границе чврстоће.
Ово је попут ужета направљеног од крхког материјала: без проблема издржава компресију, али се лако ломи под напоном. Када се мотор ротира великом брзином, трајни магнети су подвргнути силама затезања јер су „избачени напоље“. Једном када се прекорачи граница, челик магнета ће пуцати, разбити се или чак изазвати пуцање ротора.
ИИ. Навлака од карбонских влакана: „Тесан оклоп“ за магнетни челик
Како можемо заштитити крхке трајне магнете од пуцања под центрифугалном силом? Најефикасније решење које је данас доступно је додавање рукава од угљеничних влакана преко трајних магнета.
Угљенична влакна имају затезну чврстоћу од преко 5000 МПа, што далеко премашује границу чврстоће НдФеБ. Што је још важније, у поређењу са традиционалним металним навлакама као што је легура титанијума, рукав од угљеничних влакана нуди три главне предности:
Лагана и висока чврстоћа – Специфична чврстоћа (однос чврстоће и густине) угљеничних влакана је много већа од оне код метала, тако да тањи и лакши материјал може пружити довољну заштитну снагу.
Нема губитка вртложних струја – Угљена влакна су лош проводник, тако да не стварају губитке високофреквентних вртложних струја попут металних навлака, чиме се избегавају додатни губици струје и проблеми са грејањем.
Ниска термичка експанзија – Карбонска влакна имају низак коефицијент топлотног ширења, обезбеђујући добру стабилност димензија у условима рада на високим температурама.
ИИИ. Основна тајна против пуцања: пре стреса
Да ли додавање рукава од угљеничних влакана значи да је све решено? Не баш.
Кључна ствар је да се и рукав и трајни магнети подвргавају радијалном ширењу услед центрифугалне силе током велике брзине ротације. Ако се чаура једноставно „намести“ преко магнета, између њих ће се појавити размак – јер је радијална деформација чауре често већа од оне код магнета. Једном када се створи празнина, рукав губи ограничење на магнете, а челик магнета ће и даље пуцати.
Решење је у примени континуираног 'преднапрезања' на трајне магнете.
Стварањем интерференције између рукава и магнета (тј. унутрашњи пречник чауре је нешто мањи од спољашњег пречника магнета), рукав се понаша као „тесно одело“ које се чврсто обавија око магнета, примењујући радијални притисак на притисак према унутра. Када се ротор ротира великом брзином, ово преднапрезање ефикасно се супротставља затезном напрезању узрокованом центрифугалном силом.
Истраживања показују да када интерференција достигне више од 0,10 мм, максимални центрифугални напон у трајним магнетима може да се смањи са преко 160 МПа на испод 70 МПа, знатно испод границе њихове чврстоће. У екстремним условима (нпр., висока температура од 200 °Ц плус ротација прекомерне брзине), иако напрезање обруча у навлаци од угљеничних влакана може порасти до изнад 1000 МПа, још увек постоји довољна сигурносна граница у односу на границу чврстоће материјала од угљеничних влакана од 1400 МПа.
ИВ. Како постићи предстрес? Два процеса процеса
Тренутно постоје две главне методе за постизање преднапрезања у рукаву од угљеничних влакана:
Пут 1: Ометање скупштине
Навлака од угљеничних влакана се производи одвојено, а затим се монтира на ротор термичким или хладним уградњом. На пример, хлађење ротора на –190 °Ц омогућава клизање чауре са врло малом аксијалном силом; алтернативно, може се користити метода аксијалне пресовања са силом притиска до 25 кН.
Међутим, ова метода има недостатке: карбонска влакна су крхка и слабе жилавости, што их чини подложним оштећењу и пуцању током монтаже. Штавише, процес склапања је сложен и контрола сметњи је тешка.
Пут 2: Намотавање високог напона (боље решење)
Угљенична влакна се намотају директно на површину ротора, а током процеса намотавања, висока напетост , чинећи да се сваки слој влакана чврсто омота око површине трајног магнета. на влакна се примењује
Суптилност ове методе је у томе што је сам процес намотавања процес примене пре напрезања . Контролом напетости влакана, жељено поље преднапрезања може се наметнути на рукаву, замењујући традиционални метод механичких сметњи.
В. Процес намотавања карбонских влакана СДМ
У области моторних ротора велике брзине магнетне левитације, Хангзхоу СДМ Магнетицс Цо., Лтд. је савладао зрели процес намотавања карбонских влакана . Његове техничке карактеристике се углавном огледају у следећим аспектима:
Технологија ободног намотаја високог напона. СДМ усваја процесни пут директног намотавања угљеничних влакана по ободу на површину ротора. Прецизним контролисањем напетости примењене на плетенице од угљеничних влакана током намотавања, слојеви влакана су чврсто усклађени са спољашњом површином трајних магнета. Овај процес истовремено обезбеђује потребну силу претходног затезања за магнете током производње навлаке, избегавајући ризике од пуцања и потешкоће при монтажи повезане са традиционалном монтажом сметњи.
Прецизна контрола распореда напетости. СДМ-ов процес флексибилно користи различите начине контроле напетости у складу са различитим оперативним захтевима. Да би задовољили различите потребе за расподелом напрезања – као што су „лабавије изнутра, чвршће споља“ или „чвршће изнутра, лабавије споља“ – могу да изаберу модове константне напетости, константног обртног момента или конусног затезања намотаја. Контролисањем затезања намотаја слој по слој, заостало напрезање у слојевима влакана може бити равномерно распоређено до идеалног стања.
Квантитативна провера силе претходног затезања. СДМ је успоставио комплетну техничку затворену петљу, од теоретског прорачуна до симулације коначних елемената, и коначно до експерименталне верификације. За силу претходног затезања коју генерише високонапето намотана навлака од угљеничних влакана на трајним магнетима, просечна грешка између резултата експерименталног испитивања и аналитичких прорачуна је 8,56%, а просечна грешка у односу на симулацију коначних елемената је 7,88% – овај ниво тачности у потпуности гарантује поузданост преднапрегнутог дизајна.
Интегрисана способност пуног процеса. Од избора материјала од угљеничних влакана, конструкцијског дизајна и електромагнетног дизајна до процеса склапања калупа, производње опреме и инспекције и тестирања, СДМ поседује потпуну техничку способност. Седиште компаније је у Хангџоуу и има интегрисани распоред за индустрију, што јој омогућава да купцима пружи решење целог ланца, од магнета до склопова ротора.
Управо са овим префињеним процесом намотавања од угљеничних влакана, СДМ-ови моторни ротори велике брзине са магнетном левитацијом могу ефикасно спречити пуцање магнетног челика под центрифугалним условима велике брзине, обезбеђујући сигуран, стабилан и поуздан рад ротора у захтевним условима од десетина хиљада обртаја у минути.
