I. 'Thử thách sinh tồn' dưới chế độ Xoay tốc độ cao
Động cơ bay từ trường, với ưu điểm hoạt động không tiếp xúc, hiệu suất cao và tốc độ quay cực cao, đang ngày càng được áp dụng trong các thiết bị cao cấp như máy thổi công nghiệp, máy nén và bánh đà lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, khi tốc độ quay đạt tới hàng chục nghìn vòng/phút hoặc thậm chí cao hơn, các nam châm vĩnh cửu trên rôto sẽ phải trải qua một 'thử nghiệm sinh tồn' khắc nghiệt.\
Vấn đề nằm ở đâu?
Động cơ bay lên từ thường sử dụng NdFeB thiêu kết làm vật liệu nam châm vĩnh cửu. Mặc dù NdFeB có các đặc tính từ tuyệt vời – bao gồm tích năng lượng từ rất cao và lực cưỡng bức – nhưng nó có một điểm yếu nghiêm trọng: cường độ nén của nó lớn hơn nhiều so với cường độ kéo . NdFeB thiêu kết, được sản xuất thông qua luyện kim bột, thường có độ bền kéo không quá 80 MPa. Ở tốc độ cao, lực ly tâm tạo ra ứng suất kéo đáng kể bên trong nam châm vĩnh cửu – trong điều kiện hoạt động 18.000 vòng/phút, ứng suất ly tâm trong NdFeB có thể vượt quá 160 MPa, gần gấp đôi giới hạn cường độ của chính nó.
Điều này giống như một sợi dây làm bằng vật liệu giòn: nó chịu được lực nén mà không gặp vấn đề gì, nhưng dễ bị đứt khi bị căng. Khi động cơ quay ở tốc độ cao, các nam châm vĩnh cửu sẽ chịu lực kéo khi chúng 'ném ra ngoài'. Khi vượt quá giới hạn, thép nam châm sẽ bị nứt, vỡ hoặc thậm chí khiến rôto nổ tung.
II. Vỏ sợi carbon: Một 'Áo giáp chắc chắn' cho thép nam châm
Làm thế nào chúng ta có thể bảo vệ các nam châm vĩnh cửu mỏng manh khỏi bị nứt dưới lực ly tâm? Giải pháp hiệu quả nhất hiện nay là thêm một lớp bọc bằng sợi carbon lên trên nam châm vĩnh cửu.
Sợi carbon có độ bền kéo trên 5000 MPa, vượt xa giới hạn cường độ của NdFeB. Quan trọng hơn, so với ống bọc kim loại truyền thống như hợp kim titan, ống bọc bằng sợi carbon có ba ưu điểm chính:
Nhẹ và độ bền cao - Cường độ riêng (tỷ lệ cường độ trên mật độ) của sợi carbon cao hơn nhiều so với kim loại, do đó vật liệu mỏng hơn và nhẹ hơn có thể cung cấp đủ cường độ bảo vệ.
Không gây tổn thất dòng điện xoáy - Sợi carbon là chất dẫn điện kém nên không tạo ra tổn thất dòng điện xoáy tần số cao như ống bọc kim loại, do đó tránh được các vấn đề mất điện và nóng thêm.
Độ giãn nở nhiệt thấp – Sợi carbon có hệ số giãn nở nhiệt thấp, đảm bảo độ ổn định kích thước tốt trong điều kiện hoạt động ở nhiệt độ cao.
III. Bí quyết cốt lõi để chống nứt: Ứng suất trước
Liệu việc bổ sung thêm ống bọc bằng sợi carbon có nghĩa là mọi thứ đã được giải quyết? Không hẳn.
Điểm mấu chốt là cả ống bọc và nam châm vĩnh cửu đều trải qua quá trình giãn nở xuyên tâm do lực ly tâm trong quá trình quay tốc độ cao. Nếu ống bọc chỉ được 'lắp' phía trên nam châm thì sẽ xuất hiện một khe hở giữa chúng – vì biến dạng hướng tâm của ống bọc thường lớn hơn biến dạng hướng tâm của nam châm. Khi một khoảng trống hình thành, ống bọc sẽ mất đi lực cản đối với nam châm và thép nam châm sẽ vẫn bị nứt.
Giải pháp là áp dụng một 'ứng suất trước' liên tục lên nam châm vĩnh cửu.
Bằng cách tạo ra sự vừa khít giữa ống bọc và nam châm (tức là đường kính trong của ống bọc nhỏ hơn một chút so với đường kính ngoài của nam châm), ống bọc hoạt động giống như một 'bộ đồ bó sát' quấn chặt quanh nam châm, tạo ra một lực nén hướng tâm vào trong. Khi rôto quay ở tốc độ cao, ứng suất trước này sẽ chống lại ứng suất kéo do lực ly tâm gây ra một cách hiệu quả..
Nghiên cứu cho thấy rằng khi nhiễu đạt tới hơn 0,10 mm, ứng suất ly tâm tối đa trong nam châm vĩnh cửu có thể giảm từ trên 160 MPa xuống dưới 70 MPa, thấp hơn nhiều so với giới hạn cường độ của chúng. Trong các điều kiện khắc nghiệt (ví dụ: nhiệt độ cao 200 °C cộng với tốc độ quay quá cao), mặc dù ứng suất vòng trong ống bọc sợi carbon có thể tăng lên trên 1000 MPa, nhưng vẫn có đủ giới hạn an toàn so với giới hạn độ bền của vật liệu sợi carbon là 1400 MPa.
IV. Làm thế nào để đạt được trạng thái căng thẳng trước? Hai lộ trình xử lý
Hiện tại, có hai phương pháp chủ đạo để đạt được ứng suất trước trong ống bọc sợi carbon:
Cách 1: Hội nhiễu
Ống bọc bằng sợi carbon được sản xuất riêng biệt và sau đó được lắp ráp vào rôto bằng khớp nối nhiệt hoặc nguội. Ví dụ, làm mát rôto đến -190 °C cho phép ống bọc được trượt vào với lực dọc trục rất nhỏ; Ngoài ra, có thể sử dụng phương pháp lắp ép dọc trục với lực ép lên tới 25 kN.
Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm: sợi carbon giòn và có độ bền kém nên dễ bị hư hỏng và nứt trong quá trình lắp ráp giao thoa. Hơn nữa, quá trình lắp ráp rất phức tạp và việc kiểm soát nhiễu rất khó khăn.
Cách 2: Cuộn dây có độ căng cao (giải pháp tốt hơn)
Sợi carbon được quấn trực tiếp lên bề mặt rôto và trong quá trình cuộn dây, lực căng cao được tác dụng lên các sợi sợi, khiến từng lớp sợi quấn chặt quanh bề mặt nam châm vĩnh cửu.
Điểm tinh tế của phương pháp này là bản thân quá trình quấn dây là quá trình ứng suất trước . Bằng cách kiểm soát độ căng của sợi, trường ứng suất trước mong muốn có thể được áp dụng lên ống bọc ngoài, thay thế phương pháp can thiệp cơ học truyền thống.
Quy trình quấn sợi carbon của V. SDM
Trong lĩnh vực rôto động cơ tốc độ cao bay lên từ tính, Công ty TNHH Từ tính SDM Hàng Châu đã làm chủ được quy trình cuộn dây bằng sợi carbon trưởng thành . Các tính năng kỹ thuật của nó chủ yếu được phản ánh ở các khía cạnh sau:
Công nghệ cuộn dây theo chu vi có độ căng cao. SDM áp dụng lộ trình xử lý sợi carbon quấn trực tiếp theo chu vi trên bề mặt rôto. Bằng cách kiểm soát chính xác lực căng tác dụng lên các sợi carbon trong quá trình cuộn dây, các lớp sợi được kết hợp chặt chẽ với bề mặt bên ngoài của nam châm vĩnh cửu. Quá trình này đồng thời cung cấp lực siết trước cần thiết cho nam châm trong khi chế tạo ống bọc, tránh nguy cơ nứt và khó lắp ráp liên quan đến lắp ráp nhiễu truyền thống.
Kiểm soát lịch trình căng thẳng chính xác. Quy trình của SDM sử dụng linh hoạt các chế độ kiểm soát lực căng khác nhau tùy theo các yêu cầu vận hành khác nhau. Để đáp ứng các nhu cầu phân bổ ứng suất khác nhau – chẳng hạn như 'bên trong lỏng hơn, bên ngoài chặt hơn' hoặc 'bên trong chặt hơn, bên ngoài lỏng hơn' – họ có thể chọn chế độ cuộn dây căng thẳng không đổi, mô-men xoắn không đổi hoặc căng thẳng giảm dần. Bằng cách kiểm soát độ căng cuộn dây theo từng lớp, ứng suất dư trong các lớp sợi có thể được phân bổ đồng đều đến trạng thái lý tưởng.
Xác minh định lượng lực siết trước. SDM đã thiết lập một vòng khép kín kỹ thuật hoàn chỉnh, từ tính toán lý thuyết đến mô phỏng phần tử hữu hạn và cuối cùng là xác minh bằng thực nghiệm. Đối với lực siết trước được tạo ra bởi ống bọc sợi carbon quấn có độ căng cao trên nam châm vĩnh cửu, sai số trung bình giữa kết quả thử nghiệm thực nghiệm và tính toán phân tích là 8,56% và sai số trung bình liên quan đến mô phỏng phần tử hữu hạn là 7,88% – mức độ chính xác này đảm bảo hoàn toàn độ tin cậy của thiết kế ứng suất trước.
Tích hợp khả năng toàn bộ quá trình. Từ lựa chọn vật liệu sợi carbon, thiết kế kết cấu và thiết kế điện từ đến quy trình lắp ráp khuôn, sản xuất thiết bị cũng như kiểm tra và thử nghiệm, SDM sở hữu năng lực kỹ thuật hoàn chỉnh. Công ty có trụ sở chính tại Hàng Châu và có cách bố trí tích hợp thương mại công nghiệp, cho phép công ty cung cấp cho khách hàng giải pháp toàn chuỗi từ nam châm đến cụm rôto.
Chính với quy trình cuộn dây bằng sợi carbon tinh chế này mà rôto động cơ tốc độ cao bay lên từ của SDM có thể ngăn chặn hiệu quả hiện tượng nứt thép nam châm trong điều kiện ly tâm tốc độ cao, đảm bảo rôto hoạt động an toàn, ổn định và đáng tin cậy trong các điều kiện đòi hỏi hàng chục nghìn vòng quay mỗi phút.
