'Ukubwa Pembetatu' ya Rota za Kasi ya Juu: Kipenyo cha Nje, Urefu wa Rafu na Kipenyo cha Shimoni—Kwa Nini Huwezi Kuzidisha Zote Tatu Mara Moja.

Motor yenye kasi kubwa au rota ya flywheel inakaa mbele yako. Kipenyo cha nje, urefu wa mrundikano, kipenyo cha shimoni—nambari tatu ambazo hazionekani zaidi ya maelezo kwenye mchoro. Lakini katika ulimwengu wa mzunguko wa kasi ya juu, vipimo hivi vitatu hubanana na kuunda pembetatu ambayo karibu kamwe haiwezi 'kutolewa nje' kwa wakati mmoja. Fanya kipenyo cha nje kuwa kikubwa zaidi, na torque inaelekea kupanda, lakini nguvu ya katikati itasambaratisha nyenzo kwanza; kunyoosha urefu wa stack, na nguvu inaweza kuongezeka, lakini rotor inaweza kugonga ukuta wa kasi ya kwanza ya kupiga kasi; nene kipenyo cha shimoni, na ugumu unaboresha, lakini fani na kasi ya ncha ya uso huwaka nyekundu.

Kuelewa uteuzi wa rota ya kasi ya juu kimsingi si kuhusu 'kuchagua vipimo,' bali ni kutafuta makutano ambayo yanaweza kusimama ndani ya vizuizi vitatu vya nguvu, sumaku-umeme, na mienendo.

Kipenyo cha Nje: Nambari ya Kwanza ya Kugonga Dari Haiamuliwa na Usumakuumeme bali kwa Kasi ya Kidokezo.

Katika motors za kasi ya chini, kipenyo cha nje cha rotor kinaweza kupanuliwa kwa uhuru kabisa kwa sababu nguvu ya centrifugal haitoi tishio. Lakini mara tu kasi ya ncha ya uso inapovuka kizingiti fulani—mazoezi ya uhandisi mara nyingi huchukua zaidi ya takriban 120 m/s kama kuingia kwenye mfumo wa 'kasi ya juu'—kila ongezeko la kipenyo cha nje husukuma nyenzo kuelekea kikomo chake. Hatua ya kwanza katika muundo wa gari la kasi ya juu mara nyingi sio kuhesabu torque, lakini kuhesabu nyuma kikomo cha juu cha kipenyo cha rota kutoka kwa kasi ya juu inayoruhusiwa ya ncha ya blade.

Mzizi wa kimwili wa kikomo hiki ni rahisi sana: nguvu ya centrifugal ni sawia na radius na mraba wa kasi ya angular. Kwa nyenzo sawa, kipenyo kikubwa cha nje, juu ya mkazo wa hoop juu ya uso. Kwa rota dhabiti ya silinda, chini ya sababu fulani ya usalama, kasi ya juu inayoruhusiwa ya angular inalingana na mzizi wa mraba wa uwiano wa nguvu ya mkazo na msongamano, na inalingana kinyume na kipenyo cha nje. Hii ina maana kwamba juu ya nguvu maalum ya nyenzo, au ndogo ya kipenyo cha nje, juu ya dari ya kasi inaweza kuwa.

Hifadhi ya nishati ya Flywheel inasukuma mantiki hii hadi kupita kiasi. Kasi ya ncha ya magurudumu ya chuma kwa kawaida inaweza kufikia mpangilio wa 200-250 m/s, huku viunzi vya nyuzi za kaboni vinaweza kusukuma nambari hii mbali zaidi ya safu ya chuma. Kwa hivyo, kikwazo cha kanuni za kwanza kwenye kipenyo cha nje cha rota ya kasi ya juu sio 'tunataka kuiunda kwa ukubwa gani,' bali 'ni kasi gani nyenzo huruhusu uso kukimbia.' Mara tu kipenyo cha nje kinapofungwa kwa kasi ya ncha, muundo wa sumakuumeme unaweza kufanya kazi chini ya 'dari' hii pekee.

Urefu wa Stack: Electromagnetics Inataka Muda Mrefu, Dynamics Inautaka Ufupi

Mara tu kipenyo cha nje kitakapowekwa, 'pengo' katika torati na nguvu lazima zijazwe kwa urefu wa mrundikano. Kutoka kwa uhusiano wa sumakuumeme, torati ya pato la motor ni takriban sawia na bidhaa ya mraba ya kipenyo cha rota na urefu wa mrundikano, ikizidishwa na mkazo wa kukatwakatwa kwenye mwango wa hewa. Wakati kipenyo cha nje hakiwezi kupanuliwa kwa sababu ya vikomo vya nguvu, kuongezeka kwa urefu wa rafu huonekana kuwa njia ya moja kwa moja ya kutoka: kwa kipenyo sawa, urefu wa rafu maradufu huongeza uwezo wa torati.

Lakini shida na urefu wa mrundikano ni kwamba sio 'kigeu cha bure' cha sumaku-umeme. Mara tu rota inakuwa ndefu, ugumu wa kuinama hupungua, na kasi ya kwanza ya kuinama inashuka ipasavyo. Kikwazo ngumu kutoka kwa mienendo ya rotor ni: kasi ya uendeshaji lazima ihifadhi kiasi cha kutosha cha kujitenga kutoka kwa kasi muhimu. Kwa muundo thabiti wa rota, kasi iliyokadiriwa inahitaji kuwa chini ya mzunguko wa kwanza wa kuinama na ukingo wa usalama. Rota yenye kipenyo kidogo cha nje na urefu wa mrundikano mrefu inaweza kuonekana 'nguvu ya kutosha' sumakuumeme, lakini kwa nguvu inaweza kugonga mlio ndani ya masafa ya kasi iliyokadiriwa.

Hii ndiyo njia ya kawaida ya kuvuta kamba katika muundo wa rota ya kasi ya juu. Kesi ya kubuni kwa utaratibu wa 60,000 r / min na 100 kW inaonyesha wazi biashara kati ya mipango mitatu: wakati rotor ni fupi na nene, ugumu ni mzuri, lakini ukingo wa nguvu ni mkali; baada ya kupunguza kipenyo cha rota na kurefusha urefu wa mrundikano, nguvu na utendakazi wa sumakuumeme huboresha, lakini masafa ya moduli ya bending ya kwanza hushuka hadi 1385 Hz, na hivyo kuunda hatari ya kupiga resonance karibu na kasi iliyokadiriwa; mpango wa mwisho unaoweza kutumika ni maelewano yenye urefu wa wastani ambayo wakati huo huo yanakidhi sumaku-umeme, kasi muhimu na nguvu. Kiini cha urefu wa rafu ni tikiti ya chumba cha kusimama iliyonunuliwa kati ya 'kile sumakuumeme inahitaji' na 'kile mienendo inaruhusu'—hakuna upande unaoweza kuvuka.

Kipenyo cha Shimoni: Sio 'Kilicho Kinene zaidi, Kilicho Salama zaidi,' bali Kutembea Kamba Kati ya Ugumu na Mihimili

Kipenyo cha shimo mara nyingi hakieleweki kama 'kinene kinamaanisha kuwa thabiti zaidi.' Katika hali ya kasi ya juu, uteuzi wa kipenyo cha shimoni hukabili shinikizo mbili zinazopingana kwa wakati mmoja.

Kwa mtazamo wa kukunja kasi muhimu, ugumu wa kukunja shimoni ni sawia na nguvu ya nne ya kipenyo cha shimoni na inawiana kinyume na nguvu ya tatu ya muda wa usaidizi, na kasi muhimu inatofautiana takriban kama √(k/m). Kuongezeka kwa kipenyo cha shimoni huongeza ugumu, ambayo inaonekana inafaa kusukuma kasi muhimu na kufanya rota 'imara.' Lakini kipenyo cha shimoni hakiwezi kuwa mnene bila kikomo. Sababu ya kwanza iko katika fani: kasi ya kuruhusiwa ya fani za jadi za rolling hupungua kwa kiasi kikubwa kama kipenyo kinaongezeka; mzito wa shimoni, chini ya dari ya kasi ya kuzaa inaweza kutoa. Fani za sumaku hutoa nafasi kubwa ya kipenyo cha shimoni katika suala hili, lakini kipenyo cha shimoni yao bado inazuiliwa na kasi inayoruhusiwa ya ncha ya uso wa nyenzo za sumaku. Pili, unene wa shimoni huongeza wingi wa rotor, na kasi muhimu ni kinyume chake na mizizi ya mraba ya wingi, hivyo sehemu ya faida ya ugumu inakabiliwa na adhabu ya wingi.

Kikwazo cha hila zaidi kinatokana na kifafa kati ya shimoni na mwili wa rotor. Uchaguzi wa kipenyo cha ndani cha rotor (yaani, kipenyo cha shimoni) huathiri nafasi ya radial kwa sumaku za kudumu au sleeves za kubakiza, na hali ya shida ya kuingilia kati pia inabadilisha ugumu wa ufanisi wa rotor, na hivyo kuathiri kasi muhimu. Kwa hivyo, kipenyo cha shimoni si 'kipimo cha muundo' kilichotengwa, lakini ni kigezo cha kitovu ambacho huathiri wakati huo huo uteuzi wa kuzaa, mkazo wa kufaa, na mienendo ya rota. Lazima iwe nene ya kutosha kuweka rotor rigid au imara kwa kasi iliyokadiriwa, lakini imezuiliwa kutosha kuacha nafasi ya fani na kasi ya ncha ya uso.

Muundo Halisi Ni Urudiaji wa Fizikia Nyingi, Sio Hesabu ya Njia Moja

Ukiangalia vipimo vitatu kando, kila moja ina mantiki yake ya kizuizi: kipenyo cha nje kimefungwa na kasi ya ncha, urefu wa mrundikano unanyoshwa na mahitaji ya sumakuumeme na kupunguzwa kwa kasi kubwa, na kipenyo cha shimoni hutembea kamba kati ya ugumu na fani. Lakini ukweli wa muundo wa rotor ya kasi ni kwamba vipimo hivi vitatu haviwezi kuamua kwa mlolongo; wanaweza tu kuungana kwa njia ya kurudia.

Mtiririko wa dhana unaoweza kutekelezwa ni: kwanza chagua kipenyo cha nje kulingana na kasi inayokubalika ya ncha ya blade, kisha ukadiria urefu wa rafu unaohitajika ili kukidhi torati/nguvu kulingana na dhana ya mkazo wa hewa-pengo la mkataji, kisha uingize uthibitishaji wa kimakanika na unaobadilika-kuangalia mkazo wa katikati, hali ya mkazo ya kikohozi kinachobakiza na sumaku muhimu za kudumu. Ikiwa ukingo wa kasi muhimu hautoshi, rudi nyuma na urekebishe urefu wa rafu au kipenyo cha shimoni; ikiwa nguvu haitoshi, rudi nyuma na urekebishe kipenyo cha nje au mpango wa kubaki wa sleeve. Kila marekebisho si 'kubadilisha nambari moja,' bali ni kukokota nambari nyingine mbili hadi kwenye eneo linalowezekana. Ukweli wa uhandisi wa muundo wa rota ya kasi ya juu ni kutumia urudiaji wa fizikia nyingi ndani ya eneo linalowezekana linalopakana na nguvu, sumaku-umeme na mienendo ili kupata uhakika ambao haugosi ukuta wa nguvu wala ukuta wa miale.

Kwa hivyo unapoona kipenyo cha nje, urefu wa rafu, na kipenyo cha shimoni cha rota ya kasi ya juu, swali la kufaa zaidi si 'kwa nini nambari hii,' lakini 'nambari zingine mbili ziliisukuma wapi?' Kila suluhisho linalowezekana la pembetatu ya saizi ni alama iliyobaki baada ya mazungumzo kati ya vizuizi vitatu.