Мотори са магнетним лежајевима, са својим предностима бесконтактног рада, без хабања и високе ефикасности, брзо замењују традиционалне моторе у областима као што су компресори велике брзине, дуваљке и складиште енергије замајца. Међутим, када брзине ротације достигну десетине хиљада или чак преко сто хиљада обртаја у минути, поузданост ротора постаје одлучујући фактор за успех производа – вибрације и абнормална бука, одвајање магнета и квар при великој брзини су три упорна проблема која дуго муче инжењере у индустрији. Овај чланак почиње од основних узрока, анализира физичке механизме иза ових проблема и уводи најефикасније тренутно решење – технологију намотавања од угљеничних влакана.
1. Вибрације и абнормална бука: невидљиви „нискофреквентни убица“
1.1 Појаве и опасности
Током рада, мотори са магнетним лежајевима понекад показују абнормалне вибрације и буку који су независни од брзине ротације. За разлику од неуравнотежене вибрације уобичајене у обичним ротирајућим машинама, на ову вибрацију не утиче ниво брзине; опстаје чак и при стабилној брзини. Продужено излагање таквим вибрацијама не само да убрзава оштећење лежајева и структурних делова од замора, већ производи и иритантну буку, озбиљно утичући на поузданост опреме и корисничко искуство.
1.2 Анализа основног узрока
Студије показују да нискофреквентне вибрације Ротор мотора магнетне левитације је одређен природном фреквенцијом контролног система затворене петље и побуђен је спољашњим шумом. Другим речима, ово није чисто механичко питање, већ феномен спреге између контролног система и механичке структуре.
Конкретно, следећи фактори могу изазвати вибрације ниске фреквенције:
Неуравнотеженост ротора : померање центра масе узроковано грешкама у машинској обради и монтажи;
Зазор лежаја : неусклађеност између контролних параметара магнетних лежајева и динамичких карактеристика ротора;
Међукарике у систему управљања : кашњења и нелинеарности у аквизицији, обради и излазу сигнала.
1.3 Решења
За нискофреквентне вибрације, главни технички приступи укључују:
(1) Динамичка корекција балансирања : користите опрему за балансирање високе прецизности за корекцију ротора, додавањем или уклањањем противтега како бисте довели неравнотежу у дозвољени опсег.
(2) Оптимизација контролног алгоритма : истраживачи су предложили стратегије компензације вибрација на основу посматрача проширеног стања. Експериментални резултати показују да се под истом побудом белог шума, максималне вибрације ротора са компензатором смањују за око 21% у поређењу са само ПИД контролом; при 30.000 обртаја у минути, максималне вибрације ротора су смањене за 26,6%.
(3) Оптимизација структуре : оптимизирајте дизајн структуре ротора како бисте побољшали крутост и карактеристике пригушења роторског система.
2. Одвајање магнета: „Центрифугални бол“ при великим брзинама
2.1 Појаве и опасности
Одвајање магнета је један од најозбиљнијих кварова код мотора са трајним магнетима. При брзинама од десетина хиљада обртаја у минути, центрифугална сила на магнете може достићи хиљаде пута већу од сопствене тежине. Једном када се магнет одвоји од површине ротора, у најбољем случају перформансе мотора нагло опадају; у најгорем случају, може изазвати заглављивање ротора, бодовање отвора статора и друге катастрофалне последице.
2.2 Анализа основног узрока
Одвајање магнета и подизање ивица могу се приписати пет кључних фактора:
(1) Недовољна чврстоћа : чврстоћа на смицање лепка је нижа од центрифугалне или ударне силе на магнет, тако да веза не може да се држи.
(2) Отказивање при високим и ниским температурама : лепак постаје крт на ниским температурама или нестаје на високим температурама, драстично смањујући перформансе лепљења. Обични лепкови обично имају радну температуру око 120°Ц, док унутрашњи пораст температуре мотора често прелази овај опсег.
(3) Неусклађеност у коефицијентима термичког ширења : разлике у термичком ширењу између магнета (нпр. НдФеБ) и материјала ротора (нпр. легура алуминијума) су велике, а промене температуре изазивају унутрашње напрезање које пуца у слоју лепка.
Поред тога, неправилан дизајн сегментације магнета може погоршати проблем. Када један сегмент магнета има превелику површину у контакту са ротором, омотавање од угљеничних влакана споља може лако да пукне магнет; чак и ако не пукне током намотавања, може да напукне након неке операције.
2.3 Решења
(1) Оптимизујте процес лепљења : изаберите структуралне лепкове високих перформанси, обезбедите чисте површине за лепљење и строго контролишите услове очвршћавања.
(2) Дизајн сегментације магнета : поделите магнете дуж хоризонталног правца на мање сегменте да бисте смањили површину сваког дела и смањили ризик од пуцања.
(3) Појачање физичког ограничења – ово је најосновније решење: додајте навлаку високе чврстоће изван магнета да бисте обезбедили физичко ограничење против центрифугалне силе. Намотавање од карбонских влакана је тренутно препознато као најбоља метода ојачања.
3. Квар при великој брзини: када ротор „не може да се држи“
3.1 Појаве и опасности
Када се брзина мотора приближи или премаши границу структуре ротора, ротор се суочава са катастрофалним кваром. Типичне манифестације укључују деформацију ротора, фрагментацију трајног магнета, пукнуће рукава и пад ротора. Када дође до квара при великој брзини, не само да се опрема распада, већ може изазвати и озбиљне сигурносне несреће.
3.2 Анализа основног узрока
Основни узрок квара при великим брзинама је контрадикција између центрифугалне силе и чврстоће материјала.
Узмите НдФеБ трајне магнете као пример. Иако имају изузетно висок производ магнетне енергије и коерцитивност, што их чини најбољим трајним магнетним материјалом данас, њихова затезна чврстоћа је ниска (<80 МПа) и осетљиви су на температуру са слабом термичком стабилношћу. При брзинама од десетина хиљада обртаја у минути, центрифугални напон на трајним магнетима далеко премашује њихову сопствену границу чврстоће, тако да је спољна чаура неопходна за заштиту.
Традиционално решење је употреба немагнетних металних навлака (као што је Инцонел 718 или легура титанијума). Међутим, металне навлаке имају фаталан недостатак: губитке вртложних струја . Што је већа проводљивост чауре, то су веће вртложне струје које се стварају, а губитак вртложним струјама је озбиљнији, што узрокује нагли пораст температуре ротора, што додатно повећава ризик од демагнетизације трајних магнета.
3.3 Решења
Композитни рукави од карбонских влакана тренутно су препознати као најбоље решење.
Предности рукава од карбонских влакана су:
Ниска проводљивост : они практично не стварају губитке на вртложне струје, што резултира најнижим порастом температуре ротора;
Висока чврстоћа : специфична чврстоћа карбонских влакана је много већа од оне метала, пружајући јаче задржавање уз мању тежину;
Висок модул : кроз оптимизацију материјала смоле и процеса намотавања, модул еластичности се може повећати са традиционалних 130-160 ГПа на преко 200 ГПа.
4. Крајње решење: технологија намотавања од угљеничних влакана
Да би се истовремено решила три главна проблема буке вибрација, одвајања магнета и квара велике брзине, намотавање од угљеничних влакана је незаменљива основна технологија. Његов принцип је да намотава композитни материјал од угљеничних влакана високе чврстоће око трајних магнета, формирајући чврст „оклоп“ преко ротора који обезбеђује континуирано радијално ограничење против центрифугалне силе која се генерише ротацијом велике брзине.
4.1 Два главна процеса
Тренутно постоје два главна приступа за производњу ротора од угљеничних влакана:
Метода пресовања : прво израдите навлаку од карбонских влакана, а затим је притисните на ротор или користите скупљајући спој. Код скупљања, ротор се хлади на -190°Ц, а чаура се може уградити са врло малом аксијалном силом. Метода пресовања је релативно зрела, али захтева изузетно прецизну контролу приањања - превише сметњи може да напукне магнете, док премало пружа недовољно ограничење.
Метода директног намотавања : намотајте карбонска влакна директно на површину перманентног магнета, а затим га осушите. Овај метод захтева изузетно стриктну контролу над затегнутошћу намотаја, температуром очвршћавања, међуслојним везивањем и другим процесним параметрима, али може постићи уједначеније преднапрезање и веће коришћење материјала.
4.2 Кључне техничке потешкоће
(1) Контрола преднапрезања : одговарајућа почетна напетост мора бити примењена током намотавања тако да карбонска влакна врши континуирану пред-компресију на магнетима након очвршћавања. Превелика напетост може да напукне магнете, док недовољна напетост не може да обезбеди адекватно задржавање.
(2) Термичко усклађивање : коефицијенти термичког ширења композита од угљеничних влакана, трајних магнета и материјала осовине морају бити прецизно усклађени да би се избегло прекомерно унутрашње напрезање услед температурних промена.
(3) Анализа напона: софтвер за анализу коначних елемената (нпр. МСЦ Патран/Настран) треба да се користи за прецизну анализу напона и деформације структуре ротора, одређивање оптималне дебљине слоја намотаја, угла и параметара процеса.
Студије су показале да ротор мотора са магнетном левитацијом са прстеном за ојачање од карбонских влакана може испунити захтеве за чврстоћу и деформацију при великим брзинама од 72.000 о/мин.
5. СДМ-ов процес намотавања карбонских влакана
У области намотаја од угљеничних влакана за магнетне лежајеве/брзинске моторне роторе, СДМ је једна од ретких домаћих компанија које савладавају основну технологију.
У области магнетних лежајева / ротора мотора велике брзине, СДМ-ов процес намотавања од угљеничних влакана има следеће изванредне карактеристике:
(1) Производна способност целог ланца : компанија поседује производне капацитете целог ланца на једном месту од магнетних материјала (меки магнет + тврди магнет) до компоненти статора/ротора мотора, а затим до микромоторних система сензора резолвера. То значи да се од избора магнета и дизајна ротора до намотаја од угљеничних влакана и финалног тестирања, све ради у кући, обезбеђујући изузетно високу контролу квалитета.
(2) Истраживање и развој трајних магнета ретких земаља четврте генерације : компанија континуирано улаже у развој материјала са трајним магнетом од ретке земље четврте генерације, обезбеђујући боље магнетне подлоге за намотаје од угљеничних влакана. Квалитет самих магнета – укључујући затезну чврстоћу, термичку стабилност и тачност димензија – директно одређује коначне перформансе намотаја од угљеничних влакана.
(3) Способност прецизне машинске обраде : компанија користи прецизне процесе обраде као што је ЦНЦ цилиндрично брушење како би се осигурала тачност димензија ротора и чаура. Намотавање од угљеничних влакана захтева изузетно велику заобљеност и коаксијалност подлоге ротора; свака мала грешка у машинској обради ће бити појачана великом брзином.
(4) Оптимизован дизајн сегментације магнета : СДМ дизајнира магнетне сегменте уз потпуно узимање у обзир карактеристика намотаја од угљеничних влакана, рационално сегментирајући магнете како би се обезбедиле довољне магнетне перформансе, избегавајући ризик од пуцања изазваног претерано великим појединачним магнетним површинама – овај приступ дизајну директно се бави болним тачкама процеса намотавања.
(5) Синергистичка оптимизација процеса и материјала намотаја : кроз континуирано истраживање смоластих материјала и оптимизацију процеса намотавања, компанија је стално повећавала модул еластичности композита од угљеничних влакана, минимизирајући губитке вртложних струја уз обезбеђивање чврстоће, чиме је фундаментално решавао проблем прекомерног пораста температуре повезан са металним навлакама.
Закључак
Вибрациони шум, одвајање магнета и квар при великој брзини ротора мотора магнетне левитације су у суштини манифестације контрадикторности између центрифугалне силе и материјала, структуре и контролних система при великим брзинама ротације. Технологија намотаја од угљеничних влакана, пружањем снажног физичког ограничења са малим губицима, постала је оптимално решење за ова три главна изазова.
СДМ, са својим 16 година искуства у индустрији магнетних материјала, способношћу производње пуног ланца, снагом истраживања и развоја магнета ретких земаља четврте генерације и рафинираним процесом намотавања од угљеничних влакана, пружа све поузданија решења ротора за магнетне лежајеве / моторе велике брзине. У будућности, са сталним напретком у материјалима од угљеничних влакана и технологијама намотаја, ограничења брзине и поузданост мотора са магнетним лежајевима биће још више померена.
СДМ Магнетицс је један од најинтегративнијих произвођача магнета у Кини. Главни производи: Трајни магнет, неодимијумски магнети, статор и ротор мотора, резолверт сензора и магнетни склопови.
