Три основні проблеми роторів електродвигунів з магнітною левітацією та їх вирішення

Двигуни з магнітними підшипниками, з їх перевагами безконтактної роботи, відсутності зносу та високої ефективності, швидко замінюють традиційні двигуни в таких сферах, як високошвидкісні компресори, повітродувки та накопичувачі енергії на маховику. Однак, коли швидкість обертання досягає десятків тисяч або навіть понад сто тисяч обертів на хвилину, надійність ротора стає вирішальним фактором успіху продукту – вібрація та ненормальний шум, від’єднання магніту та збій на високій швидкості – це три постійні проблеми, які давно турбують інженерів у галузі. Ця стаття починається з першопричин, аналізує фізичні механізми цих проблем і представляє найефективніше поточне рішення – технологію намотування вуглецевого волокна.

1. Вібрація та аномальний шум: невидимий 'низькочастотний вбивця'

1.1 Явища та небезпеки

Під час роботи двигуни з магнітними підшипниками іноді виявляють ненормальну вібрацію та шум, які не залежать від швидкості обертання. На відміну від вібрації дисбалансу, поширеної у звичайних обертових машинах, на цю вібрацію не впливає рівень швидкості; він зберігається навіть при стабільній швидкості. Тривалий вплив такої вібрації не тільки прискорює втомне пошкодження підшипників і структурних частин, але також створює дратівливий шум, серйозно впливаючи на надійність обладнання та досвід користувача.

1.2 Аналіз першопричини

Дослідження показують, що низькочастотна вібрація Ротор електродвигуна магнітної левітації визначається власною частотою замкнутої системи керування та збуджується зовнішнім шумом. Іншими словами, це не суто механічна проблема, а явище зв’язку між системою керування та механічною структурою.

Зокрема, такі фактори можуть викликати низькочастотну вібрацію:

• Дисбаланс ротора : зміщення центру маси, спричинене помилками обробки та складання;

• Зазор підшипника : невідповідність параметрів керування магнітними підшипниками динамічним характеристикам ротора;

• Проміжні ланки в системі керування : затримки та нелінійності в отриманні, обробці та виведенні сигналу.

1.3 Рішення

Для низькочастотної вібрації основні технічні підходи включають:

(1) Корекція динамічного балансування : використовуйте високоточне обладнання для балансування, щоб виправити ротор, додаючи або видаляючи противаги, щоб привести дисбаланс у допустимий діапазон.

(2) Оптимізація алгоритму керування : дослідники запропонували стратегії компенсації вібрації на основі спостерігачів розширеного стану. Експериментальні результати показують, що за такого самого збудження білого шуму максимальна вібрація ротора з компенсатором зменшується приблизно на 21% порівняно з одним лише ПІД-регулюванням; при 30 000 об/хв максимальна вібрація ротора знижується на 26,6%.

(3) Структурна оптимізація : оптимізація конструкції ротора для покращення жорсткості та характеристик демпфування роторної системи.

2. Відрив магніту: 'Відцентровий біль' на високих швидкостях

2.1 Явища та небезпеки

Відрив магніту є однією з найсерйозніших несправностей двигунів з постійними магнітами. При швидкості в десятки тисяч обертів на хвилину відцентрова сила на магнітах може досягати тисячі разів їх власної ваги. Як тільки магніт від’єднується від поверхні ротора, у кращому випадку продуктивність двигуна різко падає; у гіршому випадку це може спричинити заклинювання ротора, задирання отвору статора та інші катастрофічні наслідки.

2.2 Аналіз першопричини

Від’єднання магніту та підняття краю можна пояснити п’ятьма ключовими факторами:

(1) Недостатня міцність : міцність клею на зсув нижча, ніж відцентрова або ударна сила магніту, тому з’єднання не може витримати.

(2) Порушення при високих і низьких температурах : клей стає крихким при низьких температурах або виходить з ладу при високих температурах, різко знижуючи ефективність з’єднання. Звичайні клеї зазвичай мають робочу температуру близько 120°C, тоді як підвищення внутрішньої температури двигуна часто перевищує цей діапазон.

(3) Невідповідність у коефіцієнтах теплового розширення : різниця в тепловому розширенні між магнітом (наприклад, NdFeB) і матеріалом ротора (наприклад, алюмінієвим сплавом) є великою, а зміни температури викликають внутрішню напругу, яка розтріскує клейовий шар.

(4) Високочастотна вібрація : тривала високочастотна вібрація постійно напружує клейовий шар, прискорюючи втомне руйнування.

(5) Корозія навколишнього середовища : волога, тепло, сольові бризки тощо впливають на клейовий шар і послаблюють з’єднання.

Крім того, неправильна конструкція сегментації магнітів може погіршити проблему. Коли окремий сегмент магніту має занадто велику площу контакту з ротором, обгортання вуглецевого волокна зовні може легко зламати магніт; навіть якщо він не трісне під час намотування, він може тріснути після деякої операції.

2.3 Рішення

(1) Оптимізуйте процес склеювання : виберіть високоефективні конструкційні клеї, забезпечте чисті поверхні склеювання та суворо контролюйте умови затвердіння.

(2) Сегментація магніту : розділіть магніти вздовж горизонтального напрямку на менші сегменти, щоб зменшити площу кожної частини та знизити ризик розтріскування.

(3) Підсилення фізичного обмеження  – це найбільш фундаментальне рішення: додайте високоміцну втулку поза магнітами, щоб забезпечити фізичне обмеження проти відцентрової сили. Найкращим способом армування на даний момент визнано намотування вуглецевим волокном.

3. Відмова високої швидкості: коли ротор «не може триматися»

3.1 Явища та небезпеки

Коли швидкість двигуна наближається або перевищує структурну межу ротора, ротор стикається з катастрофічною поломкою. Типові прояви включають деформацію ротора, фрагментацію постійного магніту, розрив гільзи та падіння ротора. Коли відбувається збій на високій швидкості, обладнання не тільки викидається, але й може спричинити серйозні нещасні випадки.

3.2 Аналіз першопричини

Основною причиною високошвидкісного руйнування є  протиріччя між відцентровою силою та міцністю матеріалу.

Візьмемо, наприклад, постійні магніти NdFeB. Незважаючи на те, що вони мають надзвичайно високий добуток магнітної енергії та коерцитивну силу, що робить їх найкращими на сьогоднішній день матеріалами для постійних магнітів, їх міцність на розрив низька (<80 МПа), і вони чутливі до температури з поганою термічною стабільністю. При швидкості в десятки тисяч об/хв відцентрова напруга на постійних магнітах значно перевищує їх власну межу міцності, тому для захисту необхідна зовнішня втулка.

Традиційним рішенням є використання немагнітних металевих гільз (таких як інконель 718 або титановий сплав). Однак металеві гільзи мають фатальний недолік:  втрати на вихрові струми . Чим вища провідність гільзи, тим більші вихрові струми генеруються, і тим серйозніші втрати на вихрові струми, що спричиняє різке підвищення температури ротора, що ще більше збільшує ризик розмагнічування постійних магнітів.

3.3 Рішення

Композитні гільзи з вуглецевого волокна  на даний момент визнані найкращим рішенням.

Перевагами карбонових рукавів є:

• Низька провідність : вони практично не генерують втрат на вихрові струми, що призводить до найнижчого підвищення температури ротора;

• Висока міцність : питома міцність вуглецевого волокна набагато вища, ніж у металів, що забезпечує міцніше утримання при меншій вазі;

• Високий модуль пружності : завдяки оптимізації смоляних матеріалів і процесів намотування модуль пружності можна збільшити від традиційних 130-160 ГПа до понад 200 ГПа.

4. Ідеальне рішення: технологія намотування вуглецевого волокна

Для одночасного вирішення трьох основних проблем шуму вібрації, від'єднання магніту та високошвидкісного збою намотування вуглецевого волокна є незамінною основною технологією. Його принцип полягає в намотуванні високоміцного композитного матеріалу з вуглецевого волокна навколо постійних магнітів, утворюючи щільну «броню» над ротором, що забезпечує постійне радіальне обмеження проти відцентрової сили, створюваної високошвидкісним обертанням.

4.1 Два основні процеси

На даний момент існує два основних підходи до виготовлення роторів з вуглецевого волокна:

Метод запресовування : спочатку виготовте втулку з вуглецевого волокна, потім притисніть її до ротора або скористайтеся термоусадочною посадкою. У термоусадочній установці ротор охолоджується до -190°C, і втулку можна встановити з дуже невеликим осьовим зусиллям. Метод запресовування є відносно зрілим, але він вимагає надзвичайно точного контролю посадки з натягом – занадто сильне втручання може призвести до тріщин на магнітах, тоді як надто мало забезпечує недостатнє обмеження.

Метод прямого намотування : намотайте вуглецеве волокно безпосередньо на поверхню постійного магніту, а потім затвердіть його. Цей метод вимагає надзвичайно суворого контролю за натягом намотування, температурою затвердіння, міжшаровим з’єднанням та іншими параметрами процесу, але він може досягти більш рівномірного попереднього напруження та більшого використання матеріалу.

4.2 Основні технічні труднощі

(1) Контроль попереднього напруження : під час намотування має бути застосовано відповідне початкове натягнення, щоб вуглецеве волокно здійснювало безперервне попереднє стиснення магнітів після затвердіння. Надмірна напруга може призвести до тріщини магнітів, тоді як недостатня напруга не може забезпечити належне утримання.

(2) Теплове узгодження : коефіцієнти теплового розширення композиту з вуглецевого волокна, постійних магнітів і матеріалу валу повинні бути точно узгоджені, щоб уникнути надмірної внутрішньої напруги через зміни температури.

(3) Аналіз напруги: програмне забезпечення аналізу кінцевих елементів (наприклад, MSC Patran/Nastran) слід використовувати для точного аналізу напруги та деформації конструкції ротора, визначення оптимальної товщини шару обмотки, кута та параметрів процесу.

Дослідження показали, що ротор електродвигуна з магнітною левітацією з армуючим кільцем з вуглецевого волокна може відповідати вимогам щодо міцності та деформації на високих швидкостях 72 000 об/хв.

5. Процес намотування вуглецевого волокна SDM

У сфері намотування вуглецевого волокна для роторів магнітних підшипників / високошвидкісних двигунів  SDM  є однією з небагатьох вітчизняних компаній, які опанували основну технологію.

У сфері роторів магнітних підшипників/високошвидкісних двигунів процес намотування вуглецевого волокна SDM має такі видатні характеристики:

(1) Можливості повного виробничого ланцюга : компанія має комплексні виробничі можливості від магнітних матеріалів (магнітно-м’які + магнітно-тверді) до компонентів статора/ротора двигуна, а потім до мікромоторних систем датчика резольвера. Це означає, що від вибору магніту та конструкції ротора до намотування вуглецевого волокна та остаточного випробування все виконується власними силами, забезпечуючи надзвичайно високий контроль якості.

(2) Дослідження та розробки рідкісноземельних постійних магнітів четвертого покоління : компанія постійно інвестує в розробку рідкоземельних постійних магнітних матеріалів четвертого покоління, забезпечуючи кращі магнітні підкладки для намотування вуглецевого волокна. Якість самих магнітів, включаючи міцність на розрив, термічну стабільність і точність розмірів, безпосередньо визначає кінцеву продуктивність обмотки з вуглецевого волокна.

(3) Можливість точної обробки : компанія використовує процеси прецизійної обробки, такі як циліндричне шліфування з ЧПК, щоб забезпечити точність розмірів роторів і гільз. Намотування вуглецевого волокна вимагає надзвичайно високої круглості та співвісності підкладки ротора; будь-яка незначна помилка обробки буде посилена на високій швидкості.

(4) Оптимізована конструкція сегментації магніту : SDM розробляє сегменти магніту з повним урахуванням характеристик намотування вуглецевого волокна, раціонально сегментуючи магніти, щоб забезпечити достатню магнітну продуктивність, уникаючи ризику розтріскування, спричиненого надмірно великими окремими площами магніту – цей підхід до конструкції безпосередньо вирішує проблемні точки процесу намотування.

(5) Синергічна оптимізація процесу намотування та матеріалів : завдяки безперервним дослідженням смоляних матеріалів та оптимізації процесу намотування компанія постійно збільшувала модуль пружності композиту з вуглецевого волокна, мінімізуючи втрати на вихрові струми, забезпечуючи міцність, таким чином принципово вирішуючи проблему надмірного підвищення температури, пов’язану з металевими рукавами.

Висновок

Шум вібрації, від’єднання магніту та збій на високій швидкості ротора електродвигуна з магнітною подушкою по суті є проявами протиріччя між відцентровою силою та матеріалами, структурою та системами керування на високих швидкостях обертання. Технологія намотування вуглецевого волокна, забезпечуючи міцне фізичне обмеження з низькими втратами, стала оптимальним вирішенням цих трьох основних проблем.

SDM, який має 16-річний досвід роботи в промисловості магнітних матеріалів, повну виробничу потужність, міцність рідкісноземельних магнітів четвертого покоління в дослідженнях і розробках і вдосконалений процес намотування вуглецевого волокна, надає все більш надійні роторні рішення для магнітних підшипників / високошвидкісних двигунів. У майбутньому, з постійним прогресом у матеріалах з вуглецевого волокна та намотувальних технологіях, обмеження швидкості та надійність двигунів на магнітних підшипниках будуть ще далі розширені.