โรเตอร์มอเตอร์แม่เหล็กลอย: ความแข็งแรงของปลอกคาร์บอนไฟเบอร์และโซลูชั่นป้องกันการแตกร้าวแบบแรงเหวี่ยงความเร็วสูงสำหรับเหล็กแม่เหล็ก

I. 'การทดสอบการเอาตัวรอด' ภายใต้การหมุนความเร็วสูง

มอเตอร์แม่เหล็กลอยที่มีข้อดีคือการทำงานแบบไร้การสัมผัส ประสิทธิภาพสูง และความเร็วในการหมุนที่สูงมาก กำลังถูกนำมาใช้มากขึ้นในอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์ เช่น โบลเวอร์ทางอุตสาหกรรม คอมเพรสเซอร์ และมู่เล่กักเก็บพลังงาน อย่างไรก็ตาม เมื่อความเร็วในการหมุนสูงถึงหมื่นรอบต่อนาทีหรือสูงกว่านั้น แม่เหล็กถาวรบนโรเตอร์จะต้องได้รับ 'การทดสอบการอยู่รอด' อย่างรุนแรง

ปัญหาอยู่ที่ไหน?

มอเตอร์แม่เหล็กลอยมักใช้ NdFeB เผาเป็นวัสดุแม่เหล็กถาวร แม้ว่า NdFeB จะมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ดีเยี่ยม รวมถึงผลิตภัณฑ์พลังงานแม่เหล็กที่สูงมากและแรงบีบบังคับ แต่ก็มีจุดอ่อนที่สำคัญ:  กำลังรับแรงอัดนั้นมากกว่าความต้านทานแรงดึงอย่าง มาก NdFeB เผาผนึก ซึ่งผลิตโดยกระบวนการโลหะวิทยาแบบผง โดยทั่วไปจะมีความต้านทานแรงดึงไม่เกิน 80 MPa ที่ความเร็วสูง แรงเหวี่ยงจะสร้างความเค้นแรงดึงอย่างมีนัยสำคัญภายในแม่เหล็กถาวร - ภายใต้สภาวะการทำงานที่ 18,000 รอบต่อนาที ความเค้นจากแรงเหวี่ยงใน NdFeB สามารถเกิน 160 MPa หรือ  เกือบสองเท่าของขีดจำกัดความแข็งแกร่งของมันเอง.

ลักษณะนี้เหมือนกับเชือกที่ทำจากวัสดุที่เปราะ: ทนต่อแรงกดทับได้โดยไม่มีปัญหา แต่จะแตกหักได้ง่ายภายใต้แรงตึง เมื่อมอเตอร์หมุนด้วยความเร็วสูง แม่เหล็กถาวรจะได้รับแรงดึงขณะที่ 'โยนออกไปด้านนอก' เมื่อเกินขีดจำกัด เหล็กแม่เหล็กจะแตก แตกกระจาย หรือแม้กระทั่งทำให้โรเตอร์ระเบิด

ครั้งที่สอง ปลอกคาร์บอนไฟเบอร์: 'เกราะแน่น' สำหรับเหล็กแม่เหล็ก

เราจะป้องกันแม่เหล็กถาวรที่เปราะบางจากการแตกร้าวภายใต้แรงเหวี่ยงได้อย่างไร วิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบันคือการเพิ่ม  ปลอกคาร์บอนไฟเบอร์  ไว้เหนือแม่เหล็กถาวร

คาร์บอนไฟเบอร์มีความต้านทานแรงดึงมากกว่า 5,000 MPa ซึ่งเกินขีดจำกัดความแข็งแรงของ NdFeB มาก ที่สำคัญกว่านั้น เมื่อเปรียบเทียบกับปลอกโลหะแบบดั้งเดิม เช่น โลหะผสมไทเทเนียม ปลอกคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อดีหลักสามประการ:

• น้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูง  – ความแข็งแรงจำเพาะ (อัตราส่วนความแข็งแรงต่อความหนาแน่น) ของคาร์บอนไฟเบอร์นั้นสูงกว่าโลหะมาก ดังนั้นวัสดุที่บางและเบากว่าจึงสามารถให้ความแข็งแรงในการป้องกันที่เพียงพอ

• ไม่มีการสูญเสียกระแสไหลวน  – คาร์บอนไฟเบอร์เป็นตัวนำที่ไม่ดี จึงไม่สร้างการสูญเสียกระแสไหลวนความถี่สูง เช่น ปลอกโลหะ จึงหลีกเลี่ยงปัญหาการสูญเสียพลังงานและความร้อนเพิ่มเติม

• การขยายตัวทางความร้อนต่ำ  – คาร์บอนไฟเบอร์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรของขนาดที่ดีภายใต้สภาวะการทำงานที่อุณหภูมิสูง

III. ความลับหลักในการป้องกันการแคร็ก: ความเครียดก่อน

การเพิ่มปลอกหุ้มคาร์บอนไฟเบอร์หมายความว่าทุกอย่างจะได้รับการแก้ไขหรือไม่ ไม่มาก.

ประเด็นสำคัญคือทั้งปลอกและแม่เหล็กถาวรมีการขยายตัวในแนวรัศมีเนื่องจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ในระหว่างการหมุนด้วยความเร็วสูง หากปลอกสวม 'ติดตั้ง' ไว้เหนือแม่เหล็ก ช่องว่างจะปรากฏขึ้นระหว่างแม่เหล็กทั้งสอง เนื่องจากการเปลี่ยนรูปในแนวรัศมีของปลอกมักจะมากกว่าแม่เหล็ก เมื่อเกิดช่องว่าง ปลอกจะสูญเสียข้อจำกัดบนแม่เหล็ก และเหล็กแม่เหล็กจะยังคงแตกร้าว

วิธีแก้ไขคือการใช้ 'ความเครียดก่อน' อย่างต่อเนื่องกับแม่เหล็กถาวร

โดยการสร้างการรบกวนที่พอดีระหว่างปลอกกับแม่เหล็ก (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของปลอกเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของแม่เหล็กเล็กน้อย) ปลอกจะทำหน้าที่เหมือน 'ชุดรัดรูป' ที่พันรอบแม่เหล็กอย่างแน่นหนา ทำให้เกิดความเค้นอัดในแนวรัศมีด้านใน เมื่อโรเตอร์หมุนด้วยความเร็วสูง ความเค้นก่อนนี้  จะต้านแรงดึงที่เกิดจากแรงเหวี่ยง ได้อย่างมีประสิทธิภาพ.

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าเมื่อการรบกวนสูงถึงมากกว่า 0.10 มม. ความเค้นแรงเหวี่ยงสูงสุดในแม่เหล็กถาวรสามารถลดลงจากมากกว่า 160 MPa เป็นต่ำกว่า 70 MPa ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัดความแข็งแกร่งของมันมาก ภายใต้สภาวะที่รุนแรง (เช่น อุณหภูมิสูง 200 °C บวกกับการหมุนด้วยความเร็วเกิน) แม้ว่าความเค้นของห่วงในปลอกคาร์บอนไฟเบอร์อาจสูงถึงมากกว่า 1,000 MPa แต่ก็ยังมีความปลอดภัยเพียงพอเมื่อเทียบกับขีดจำกัดความแข็งแรงของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ที่ 1,400 MPa

IV. จะบรรลุความเครียดก่อนได้อย่างไร? สองเส้นทางกระบวนการ

ปัจจุบัน มีสองวิธีหลักในการทำให้เกิดความเครียดเบื้องต้นในปลอกคาร์บอนไฟเบอร์:

เส้นทางที่ 1: การประกอบสัญญาณรบกวน

ปลอกคาร์บอนไฟเบอร์ผลิตแยกกัน จากนั้นประกอบเข้ากับโรเตอร์โดยใช้ข้อต่อแบบระบายความร้อนหรือเย็น ตัวอย่างเช่น การระบายความร้อนของโรเตอร์ไปที่ –190 °C จะทำให้ปลอกสวมสามารถเลื่อนได้โดยใช้แรงตามแนวแกนเพียงเล็กน้อย อีกทางหนึ่ง สามารถใช้วิธีการกดอัดตามแนวแกนที่มีแรงกดสูงถึง 25 kN ได้

อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีข้อเสีย: คาร์บอนไฟเบอร์จะเปราะและมีความเหนียวต่ำ ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหายและแตกร้าวระหว่างการประกอบที่มีสัญญาณรบกวน นอกจากนี้กระบวนการประกอบยังซับซ้อนและการควบคุมสัญญาณรบกวนก็ทำได้ยาก

เส้นทางที่ 2: ขดลวดแรงสูง (ทางออกที่ดีกว่า)

เส้นใยคาร์บอนถูกพันโดยตรงบนพื้นผิวโรเตอร์ และในระหว่างกระบวนการม้วน  แรงตึงสูง  จะถูกนำไปใช้กับตัวลากไฟเบอร์ ทำให้เส้นใยแต่ละชั้นพันแน่นรอบพื้นผิวแม่เหล็กถาวร

ความละเอียดอ่อนของวิธีนี้ก็คือ  กระบวนการม้วนนั้นเป็นกระบวนการก่อนเกิด ความเครียด ด้วยการควบคุมความตึงของเส้นใย จึงสามารถกำหนดสนามแรงอัดที่ต้องการบนปลอกได้ แทนที่วิธีการรบกวนทางกลแบบเดิม

กระบวนการม้วนคาร์บอนไฟเบอร์ของ V. SDM

ในด้านโรเตอร์มอเตอร์ความเร็วสูงแบบแม่เหล็กลอย บริษัท  โจว SDM Magnetics Co. , Ltd.  ได้เชี่ยวชาญ  กระบวนการม้วนคาร์บอนไฟเบอร์ ที่เป็นผู้ใหญ่ หาง คุณสมบัติทางเทคนิคของมันสะท้อนให้เห็นเป็นหลักในด้านต่อไปนี้:

เทคโนโลยีการพันเส้นรอบวงแรงดึงสูง  SDM ใช้เส้นทางกระบวนการของการพันเส้นใยคาร์บอนโดยตรงเป็นเส้นรอบวงบนพื้นผิวโรเตอร์ ด้วยการควบคุมความตึงที่ใช้กับสายพ่วงคาร์บอนไฟเบอร์อย่างแม่นยำในระหว่างการพัน ชั้นของเส้นใยจึงประสานเข้ากับพื้นผิวด้านนอกของแม่เหล็กถาวรอย่างแน่นหนา กระบวนการนี้ให้แรงขันล่วงหน้าที่จำเป็นแก่แม่เหล็กไปพร้อมๆ กันในขณะที่สร้างปลอก หลีกเลี่ยงความเสี่ยงในการแตกร้าวและความยากลำบากในการประกอบที่เกี่ยวข้องกับการประกอบแบบรบกวนแบบดั้งเดิม

การควบคุมตารางเวลาความตึงเครียดที่แม่นยำ  กระบวนการของ SDM ใช้โหมดการควบคุมความตึงที่แตกต่างกันอย่างยืดหยุ่นตามความต้องการการปฏิบัติงานที่หลากหลาย เพื่อตอบสนองความต้องการการกระจายความเค้นที่แตกต่างกัน เช่น 'ด้านในหลวมกว่า ด้านนอกแน่นกว่า' หรือ 'ด้านในแน่นกว่า ด้านนอกหลวมกว่า' สามารถเลือกโหมดความตึงคงที่ แรงบิดคงที่ หรือโหมดการพันขดลวดความตึงแบบเรียวได้ ด้วยการควบคุมชั้นความตึงของขดลวดทีละชั้น ความเค้นที่ตกค้างในชั้นไฟเบอร์จึงสามารถกระจายอย่างสม่ำเสมอไปสู่สภาวะในอุดมคติ

การตรวจสอบเชิงปริมาณของแรงขันล่วงหน้า  SDM ได้สร้างวงจรปิดทางเทคนิคที่สมบูรณ์ ตั้งแต่การคำนวณทางทฤษฎีไปจนถึงการจำลององค์ประกอบไฟไนต์เอลิเมนต์ และสุดท้ายคือการตรวจสอบยืนยันการทดลอง สำหรับแรงขันล่วงหน้าที่เกิดจากปลอกคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีแรงดึงสูงบนแม่เหล็กถาวร ความคลาดเคลื่อนโดยเฉลี่ยระหว่างผลการทดสอบการทดลองและการคำนวณเชิงวิเคราะห์คือ 8.56% และข้อผิดพลาดโดยเฉลี่ยสัมพันธ์กับการจำลององค์ประกอบไฟไนต์คือ 7.88% - ระดับความแม่นยำนี้รับประกันความน่าเชื่อถือของการออกแบบก่อนความเครียดอย่างเต็มที่

บูรณาการความสามารถเต็มกระบวนการ  ตั้งแต่การเลือกวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ การออกแบบโครงสร้าง และการออกแบบแม่เหล็กไฟฟ้า ไปจนถึงกระบวนการประกอบแม่พิมพ์ การผลิตอุปกรณ์ ตลอดจนการตรวจสอบและการทดสอบ SDM มีความสามารถทางเทคนิคที่สมบูรณ์ บริษัทมีสำนักงานใหญ่ในหางโจว และมีรูปแบบการค้าอุตสาหกรรมแบบบูรณาการ ช่วยให้สามารถนำเสนอโซลูชันแบบห่วงโซ่เต็มรูปแบบแก่ลูกค้า ตั้งแต่แม่เหล็กไปจนถึงชุดโรเตอร์

กระบวนการม้วนด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ที่ผ่านการขัดเกลานี้ทำให้โรเตอร์มอเตอร์ความเร็วสูงแบบลอยด้วยแม่เหล็กของ SDM สามารถป้องกันการแตกร้าวของเหล็กแม่เหล็กภายใต้สภาวะแรงเหวี่ยงความเร็วสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มั่นใจได้ถึงการทำงานของโรเตอร์ที่ปลอดภัย เสถียร และเชื่อถือได้ภายใต้สภาวะที่ต้องการการปฏิวัตินับหมื่นครั้งต่อนาที