Потужність котушок: розкриття процесу обмотування вуглецевим волокном, який збільшує швидкість двигуна в 10 разів
Як можна з вуглецевого волокна, тоншого за людську волосину, побудувати Great Wall на високошвидкісному роторі двигуна, щоб протистояти величезним відцентровим силам?
Компанія Dongfeng Motor випустила надвисокошвидкісну електричну приводну систему 'MACH E' 800 В, яка може похвалитися двигуном із максимальною робочою швидкістю 25 000 об/хв і граничною швидкістю понад 34 447 об/хв..
За цією дивовижною швидкістю стоїть точний процес – технологія обмотування вуглецевим волокном.
01 Вузьке місце міцності високошвидкісних двигунів
Високошвидкісні двигуни стають вирішальним технологічним напрямком нової енергетичної ери. Ці двигуни демонструють величезний потенціал у таких сферах, як газові турбіни, розподілена генерація електроенергії, аерокосмічна промисловість і нові транспортні засоби..
Однак виникає основна проблема: зі збільшенням швидкості відцентрова сила на роторі зростає квадратично.
Як приклад двигуна з постійними магнітами, встановленого на поверхні, коли швидкість досягає десятків тисяч обертів на хвилину, постійні магніти відчувають відцентрові сили, еквівалентні тисячам разів їх власної ваги. Традиційні металеві захисні рукава занадто важкі або недостатньо міцні.
Саме тут композити з вуглецевого волокна демонструють надзвичайну цінність. Завдяки високому відношенню міцності до ваги вуглецеве волокно стає ідеальним матеріалом «броні» для роторів високошвидкісних двигунів.
02 Основні матеріали
Застосування композитів з вуглецевого волокна у високошвидкісних двигунах — це не проста заміна матеріалу, а ретельно розроблена система.
Вуглецеве волокно зазвичай поєднується з матеріалами матриці, такими як епоксидна смола, для утворення полімеру, армованого вуглецевим волокном (CFRP). Модуль пружності та міцність на розрив цього матеріалу є його ключовими показниками ефективності, безпосередньо визначаючи його здатність витримувати величезні навантаження від високошвидкісного обертання.
Для оптимізації продуктивності вуглецевого волокна техніка сухого намотування препрег-стрічок . часто використовується Цей метод передбачає нагрівання та розм’якшення попередньо просоченої препрег-стрічки до в’язкого стану перед намотуванням її на оправку. Під ущільненням натягу намотування шари з’єднуються разом, значно покращуючи однорідність просочення та точність формування , тим самим підвищуючи якість продукції.
03 Розкриття процесу упаковки
Процес обгортання є ключовим для формування захисного рукава з вуглецевого волокна. Виходячи з потреб застосування та властивостей матеріалу, існують два основні методи обгортання:
Вологе обгортання передбачає занурення пучків вуглецевого волокна в смолу, а потім безпосередньо намотування їх на оправку під контрольованим натягом. Він має нижчу вартість, але стикається з такими проблемами, як вплив текучості смоли та труднощі з точним контролем.
Dry Wrapping використовує попередньо просочену препреговану стрічку, яка нагрівається та пом’якшується перед намотуванням на оправку. Цей метод має більш стабільний вміст смоли та більш якісну консистенцію , що робить його особливо придатним для високопродуктивних застосувань.
Дослідження показують, що порівняно з мокрим обгортанням сухе обгортання покращує ефективність виробництва судин на 30% , зменшує вміст смоли на 20% і зменшує загальну площу дефектів на 40%..
04 Кут обгортання та кількість шарів
Обгортка з вуглецевого волокна високошвидкісні ротори двигунів не є випадковим укладанням. Конструкція кута обгортання та кількості шарів безпосередньо впливає на механічні властивості кінцевого продукту.
У типовому дизайні обгортки часто використовується комбінація кількох шарів під різними кутами . Наприклад, патент на композитну гільзу високошвидкісного двигуна ділить її радіально на три шари: внутрішній і зовнішній шари безлужної склотканини з середнім шаром з вуглецевого волокна.
Вуглецеве волокно в середньому шарі далі розділене на два підшари: внутрішні пучки вуглецевого волокна намотані під кутом ±88° по окружності , а зовнішні пучки намотані під кутом ±65° по окружності . Ця конструкція спрямована на збалансування радіального та окружного розподілу напруги.
У дослідженні високошвидкісних двигунів з постійними магнітами для мікрогазових турбін дослідники виявили, що коли всі три шари вуглецевого волокна використовують окружну обмотку під кутом 90° , постійні магніти перебувають у кращому стані стиснення, що робить його придатним для виготовлення прототипу.
05 Виклики та інновації
Технологія обгортання вуглецевим волокном роторів високошвидкісних двигунів стикається з кількома проблемами. Зміна властивостей матеріалу під впливом високотемпературного середовища є критичною проблемою.
Модальний аналіз з урахуванням підвищення температури в дослідженні високошвидкісних двигунів з постійними магнітами для мікрогазових турбін показав, що власна частота ротора з постійними магнітами зменшилася більш ніж на 8,3% у стані високої температури. Високі температури також спричиняють зміни властивостей матеріалу, таких як модуль пружності, впливаючи на жорсткість ротора.
Послідовність і точність процесу обгортання – ще одна проблема. Такі компанії, як Cygnet Texkimp і Bowman Power, співпрацюють, щоб розробити рішення для підвищення швидкості, точності та повторюваності намотування високої напруги.
Щоб вирішити проблеми контролю допусків і шорсткості поверхні, Tianweilan E-Drive Technology запропонувала інноваційний метод: по-перше, розпиліть і затвердіть гель-коут на внутрішній поверхні форми; потім розташуйте цю прес-форму поза корпусом ротора; нарешті, нагрійте, щоб затвердіти вуглецеве волокно, дозволяючи йому інтегруватися з гелевим покриттям. Цей метод дозволяє уникнути потенційних проблем з розривом нитки, пов’язаних із традиційними процесами шліфування та полірування.
06 Перспективи та застосування
Заглядаючи вперед, можна сказати, що тенденція розвитку технології обгортання вуглецевим волокном у сфері високошвидкісних двигунів очевидна. Рівень автоматизації та інтелекту буде зростати.
Інтеграція передових технологій керування, зондування та роботизованих технологій не тільки покращить стабільність роботи та стабільність композитних виробів з вуглецевого волокна, але й значно підвищить ефективність виробництва та знизить витрати.
Технологія обгортання вуглецевим волокном вже продемонструвала потенціал застосування в різних сферах, включаючи транспортні засоби з новою енергією, аерокосмічну продукцію, продукти для спорту та відпочинку, а також медичні пристрої . Зокрема, в автомобільному секторі резервуари для зберігання водню та високошвидкісні ротори двигунів з постійними магнітами є важливими напрямками застосування.
Оскільки попит на системи приводу з високою щільністю потужності в електромобілях продовжує зростати, технологія обгортання вуглецевим волокном відіграватиме все більш вирішальну роль.
Команда SDM провела моделювання міцності на високошвидкісному двигуні з постійними магнітами з номінальною потужністю 150 кВт і номінальною швидкістю 30 000 об/хв . Використовуючи технологію обгортання вуглецевим волокном, вони успішно гарантували, що всі компоненти ротора залишаються в безпечних межах міцності під час високошвидкісного обертання.
Інженери прискіпливо перевіряють кут укладання та контроль натягу кожного шару вуглецевого волокна, подібно до того, як давньоримські будівельники ретельно розраховували несучу здатність кожного каменю. Однак відцентрові сили, з якими вони борються, у тисячі разів сильніші за вагу самих каменів.
Коли цей двигун нарешті працює на проектній швидкості, кожне вуглецеве волокно відчуває зміни напруги сотні разів на секунду. Проте вони повинні стояти на своєму, як Велика стіна, захищаючи внутрішні постійні магніти та залізне ядро.
