I. 'Тест на виживання' при швидкісному обертанні
Магнітні левітаційні двигуни з їх перевагами безконтактної роботи, високої ефективності та надзвичайно високої швидкості обертання все частіше застосовуються в високоякісному обладнанні, такому як промислові повітродувки, компресори та маховики накопичувачів енергії. Однак коли швидкість обертання досягає десятків тисяч обертів на хвилину або навіть вище, постійні магніти на роторі піддаються суворому «випробуванню на виживання».
Де криється проблема?
Двигуни на магнітній подушці зазвичай використовують спечений NdFeB як матеріал постійного магніту. Незважаючи на те, що NdFeB має чудові магнітні властивості, включаючи дуже високий добуток магнітної енергії та коерцитивну силу, він має критичну слабкість: його міцність на стиск набагато більша, ніж міцність на розтяг . Спечений NdFeB, виготовлений за допомогою порошкової металургії, зазвичай має міцність на розрив не більше 80 МПа. На високих швидкостях відцентрова сила створює значну напругу розтягування всередині постійного магніту – за робочих умов 18 000 обертів на хвилину відцентрова напруга в NdFeB може перевищувати 160 МПа, що майже вдвічі перевищує межу міцності..
Це як мотузка з крихкого матеріалу: вона без проблем витримує стиснення, але легко ламається під час натягу. Коли двигун обертається на високій швидкості, постійні магніти піддаються розтягувальним силам, оскільки вони «викидаються назовні». Після перевищення межі магнітна сталь трісне, розірветься або навіть спричинить розрив ротора.
II. Гільза з вуглецевого волокна: 'Щільна броня' для магнітної сталі
Як ми можемо захистити крихкі постійні магніти від розтріскування під дією відцентрової сили? Найефективнішим рішенням, доступним сьогодні, є додавання гільзи з вуглецевого волокна поверх постійних магнітів.
Вуглецеве волокно має міцність на розрив понад 5000 МПа, що значно перевищує межу міцності NdFeB. Що ще важливіше, порівняно з традиційними металевими рукавами, такими як титановий сплав, рукав із вуглецевого волокна пропонує три основні переваги:
Легкість і висока міцність – питома міцність (співвідношення міцності до щільності) вуглецевого волокна набагато вища, ніж у металів, тому більш тонкий і легший матеріал може забезпечити достатню захисну міцність.
Відсутність втрат на вихрові струми – вуглецеве волокно є поганим провідником, тому воно не створює втрат на високочастотні вихрові струми, як металеві втулки, що дозволяє уникнути додаткових втрат потужності та проблем з нагріванням.
Низький коефіцієнт теплового розширення – вуглецеве волокно має низький коефіцієнт теплового розширення, що забезпечує хорошу стабільність розмірів за умов експлуатації при високій температурі.
III. Головний секрет захисту від розтріскування: попереднє напруження
Чи означає, що додавання рукава з вуглецевого волокна все вирішено? Не зовсім.
Ключовим моментом є те, що і втулка, і постійні магніти зазнають радіального розширення через відцентрову силу під час високошвидкісного обертання. Якщо гільзу просто «насадити» на магніти, між ними утвориться щілина – тому що радіальна деформація гільзи часто більша, ніж у магнітів. Коли утворюється зазор, гільза втрачає зв’язок з магнітами, і магнітна сталь все одно трісне.
Рішення полягає в застосуванні постійного «попереднього напруження» до постійних магнітів.
Завдяки створенню інтерференційної посадки між рукавом і магнітами (тобто внутрішній діаметр рукава трохи менший, ніж зовнішній діаметр магнітів), рукав діє як «щільний костюм», який щільно огортає магніти, застосовуючи внутрішню радіальну напругу стиску. Коли ротор обертається з високою швидкістю, це попереднє напруження ефективно протидіє напрузі розтягування, спричиненій відцентровою силою.
Дослідження показують, що коли інтерференція досягає більше 0,10 мм, максимальне відцентрове напруження в постійних магнітах може бути зменшено з понад 160 МПа до нижче 70 МПа, що значно нижче їх межі міцності. За екстремальних умов (наприклад, висока температура 200 °C плюс перевищення швидкості обертання), незважаючи на те, що кільцеве напруження в вуглецевому волоконному рукаві може перевищувати 1000 МПа, все ще є достатній запас міцності щодо межі міцності матеріалу з вуглецевого волокна в 1400 МПа.
IV. Як досягти попереднього стресу? Два маршрути процесу
На даний момент існує два основні методи досягнення попереднього напруження в рукаві з вуглецевого волокна:
Маршрут 1: Збірка перешкод
Гільза з вуглецевого волокна виготовляється окремо, а потім монтується на ротор термічним або холодним монтажем. Наприклад, охолодження ротора до –190 °C дозволяє ковзати втулкою з дуже невеликою осьовою силою; альтернативно можна використовувати метод аксіального пресування із зусиллям пресування до 25 кН.
Однак цей метод має недоліки: вуглецеве волокно є крихким і має низьку міцність, що робить його схильним до пошкоджень і тріщин під час монтажу з перешкодами. Крім того, процес складання складний, а контроль перешкод складний.
Шлях 2: обмотка високої напруги (краще рішення)
Вуглецеве волокно намотується безпосередньо на поверхню ротора, і під час процесу намотування до джгутів волокон прикладається висока напруга , змушуючи кожен шар волокна щільно обертатися навколо поверхні постійного магніту.
Тонкість цього методу полягає в тому, що сам процес намотування є процесом застосування попереднього напруження . Контролюючи натяг волокна, бажане поле попереднього напруження може бути накладено на втулку, замінюючи традиційний метод механічного втручання.
V. Процес намотування вуглецевого волокна SDM
У галузі високошвидкісних роторів двигунів магнітної левітації Hangzhou SDM Magnetics Co., Ltd. освоїла зрілий процес намотування вуглецевого волокна . Його технічні характеристики в основному відображаються в наступних аспектах:
Технологія окружної намотування високої напруги. SDM використовує процес безпосереднього намотування вуглецевого волокна по колу на поверхню ротора. Завдяки точному контролю натягу, що прикладається до джгутів вуглецевого волокна під час намотування, шари волокна щільно прилягають до зовнішньої поверхні постійних магнітів. Цей процес одночасно забезпечує необхідну силу попереднього затягування магнітів під час виготовлення втулки, уникаючи ризиків тріщин і труднощів при складанні, пов’язаних із традиційним монтажем із перешкодами.
Точний контроль графіка натягу. Процес SDM гнучко використовує різні режими контролю натягу відповідно до різних робочих вимог. Щоб задовольнити різні потреби в розподілі напруги – наприклад, «вільніше всередині, щільніше зовні» або «щільніше всередині, слабше зовні» – вони можуть вибрати режими постійного натягу, постійного крутного моменту або конічного натягу. Контролюючи натяг намотування шар за шаром, залишкова напруга в шарах волокон може бути рівномірно розподілена до ідеального стану.
Кількісна перевірка сили попереднього затягування. SDM створив повний технічний замкнутий цикл, від теоретичних розрахунків до моделювання кінцевих елементів і, нарешті, до експериментальної перевірки. Для сили попереднього затягування, створеної високонапруженою втулкою з вуглецевого волокна на постійних магнітах, середня похибка між результатами експериментальних випробувань і аналітичними розрахунками становить 8,56%, а середня похибка відносно кінцевого моделювання становить 7,88% – цей рівень точності повністю гарантує надійність конструкції попереднього напруження.
Інтегрована можливість повного процесу. Від вибору матеріалу з вуглецевого волокна, структурного проектування та електромагнітного проектування до процесів складання лиття, виробництва обладнання, а також перевірки та випробувань, SDM має повний технічний потенціал. Штаб-квартира компанії розташована в Ханчжоу, і вона має інтегрований макет промислової торгівлі, що дозволяє надавати клієнтам комплексне рішення від магнітів до роторних вузлів.
Саме завдяки цьому вдосконаленому процесу намотування вуглецевого волокна високошвидкісні ротори двигунів SDM на магнітній левітації можуть ефективно запобігати розтріскуванню магнітної сталі під час високошвидкісного відцентрового обертання, забезпечуючи безпечну, стабільну та надійну роботу ротора в складних умовах десятків тисяч обертів на хвилину.
