Ba thách thức chính của rôto động cơ bay lên từ trường và giải pháp của chúng

Động cơ ổ trục từ với ưu điểm hoạt động không tiếp xúc, không mài mòn và hiệu suất cao đang nhanh chóng thay thế động cơ truyền thống trong các lĩnh vực như máy nén tốc độ cao, máy thổi, lưu trữ năng lượng bánh đà. Tuy nhiên, khi tốc độ quay đạt hàng chục nghìn hoặc thậm chí hơn một trăm nghìn vòng quay mỗi phút, độ tin cậy của rôto trở thành yếu tố quyết định sự thành công của sản phẩm – độ rung và tiếng ồn bất thường, hiện tượng bong nam châm và hỏng hóc ở tốc độ cao là ba vấn đề dai dẳng khiến các kỹ sư trong ngành gặp khó khăn từ lâu. Bài viết này bắt đầu từ nguyên nhân gốc rễ, phân tích cơ chế vật lý đằng sau những vấn đề này và giới thiệu giải pháp hiệu quả nhất hiện nay – công nghệ cuộn dây bằng sợi carbon.

1. Rung và tiếng ồn bất thường: Kẻ giết người tần số thấp vô hình

1.1 Hiện tượng và mối nguy hiểm

Trong quá trình hoạt động, động cơ ổ trục từ đôi khi xuất hiện rung động và tiếng ồn bất thường không phụ thuộc vào tốc độ quay. Không giống như rung động mất cân bằng thường gặp ở các máy quay thông thường, rung động này không bị ảnh hưởng bởi mức tốc độ; nó vẫn tồn tại ngay cả ở tốc độ ổn định. Việc tiếp xúc kéo dài với rung động như vậy không chỉ làm tăng tốc độ hư hỏng do mỏi đối với vòng bi và các bộ phận kết cấu mà còn tạo ra tiếng ồn khó chịu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tin cậy của thiết bị và trải nghiệm của người dùng.

1.2 Phân tích nguyên nhân gốc rễ

Các nghiên cứu cho thấy rung động tần số thấp của Rôto động cơ bay lên từ được xác định bởi tần số tự nhiên của hệ thống điều khiển vòng kín và bị kích thích bởi tiếng ồn bên ngoài. Nói cách khác, đây không phải là vấn đề cơ học thuần túy mà là hiện tượng ghép nối giữa hệ thống điều khiển và kết cấu cơ khí.

Cụ thể, các yếu tố sau có thể gây ra rung động tần số thấp:

• Mất cân bằng rôto : độ lệch tâm khối do lỗi gia công và lắp ráp;

• Khe hở ổ trục : không khớp giữa các thông số điều khiển của ổ trục từ và đặc tính động của rôto;

• Các liên kết trung gian trong hệ thống điều khiển : Độ trễ và phi tuyến trong việc thu, xử lý và xuất tín hiệu.

1.3 Giải pháp

Đối với rung động tần số thấp, các phương pháp kỹ thuật chủ đạo bao gồm:

(1) Hiệu chỉnh cân bằng động : sử dụng thiết bị cân bằng có độ chính xác cao để hiệu chỉnh rôto, thêm hoặc bớt các đối trọng để đưa độ mất cân bằng trong phạm vi cho phép.

(2) Tối ưu hóa thuật toán điều khiển : các nhà nghiên cứu đã đề xuất các chiến lược bù rung dựa trên các bộ quan sát trạng thái mở rộng. Kết quả thực nghiệm cho thấy, trong cùng một kích thích tiếng ồn trắng, độ rung cực đại của rôto với bộ bù giảm khoảng 21% so với chỉ điều khiển PID; ở tốc độ 30.000 vòng/phút, độ rung tối đa của rôto giảm 26,6%.

(3) Tối ưu hóa kết cấu : tối ưu hóa thiết kế kết cấu rôto để cải thiện độ cứng và đặc tính giảm chấn của hệ thống rôto.

2. Tách nam châm: 'Cơn đau ly tâm' ở tốc độ cao

2.1 Hiện tượng và mối nguy hiểm

Bong nam châm là một trong những hư hỏng nghiêm trọng nhất của động cơ nam châm vĩnh cửu. Ở tốc độ hàng chục nghìn vòng/phút, lực ly tâm tác dụng lên nam châm có thể đạt tới hàng nghìn lần trọng lượng của chính chúng. Khi nam châm tách ra khỏi bề mặt rôto, hiệu suất của động cơ sẽ giảm mạnh; tệ nhất là nó có thể gây ra hiện tượng kẹt rôto, ghi điểm lỗ khoan stato và các hậu quả thảm khốc khác.

2.2 Phân tích nguyên nhân gốc rễ

Việc tách nam châm và nâng cạnh có thể được quy cho năm yếu tố chính:

(1) Độ bền không đủ : độ bền cắt của keo thấp hơn lực ly tâm hoặc lực tác động lên nam châm nên liên kết không giữ được.

(2) Hư hỏng ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp : chất kết dính trở nên giòn ở nhiệt độ thấp hoặc hỏng ở nhiệt độ cao, làm giảm đáng kể hiệu suất liên kết. Chất kết dính thông thường thường có nhiệt độ hoạt động khoảng 120°C, trong khi mức tăng nhiệt độ bên trong của động cơ thường vượt quá phạm vi này.

(3) Sự không phù hợp về hệ số giãn nở nhiệt : chênh lệch giãn nở nhiệt giữa nam châm (ví dụ NdFeB) và vật liệu rôto (ví dụ: hợp kim nhôm) là lớn và sự thay đổi nhiệt độ gây ra ứng suất bên trong làm nứt lớp dính.

(4) Rung tần số cao : rung tần số cao trong thời gian dài liên tục gây áp lực lên lớp dính, làm tăng tốc độ hư hỏng do mỏi.

(5) Ăn mòn môi trường : độ ẩm, nhiệt, phun muối, v.v., tấn công lớp dính và làm suy yếu liên kết.

Ngoài ra, thiết kế phân đoạn nam châm không đúng có thể làm vấn đề trở nên trầm trọng hơn. Khi một đoạn nam châm đơn có diện tích tiếp xúc với rôto quá lớn, việc bọc sợi carbon bên ngoài có thể dễ dàng làm nứt nam châm; ngay cả khi nó không bị nứt trong quá trình cuộn dây, nó có thể bị nứt sau một số thao tác.

2.3 Giải pháp

(1) Tối ưu hóa quá trình liên kết keo : lựa chọn keo kết cấu hiệu suất cao, đảm bảo bề mặt liên kết sạch sẽ và kiểm soát chặt chẽ các điều kiện bảo dưỡng.

(2) Thiết kế phân đoạn nam châm : chia nam châm theo chiều ngang thành các đoạn nhỏ hơn để giảm diện tích từng miếng và giảm nguy cơ bị nứt.

(3) Gia cố ràng buộc vật lý  – đây là giải pháp cơ bản nhất: thêm một ống bọc có độ bền cao bên ngoài nam châm để tạo ra sự hạn chế vật lý chống lại lực ly tâm. Cuộn dây bằng sợi carbon hiện được công nhận là phương pháp gia cố tốt nhất.

3. Lỗi tốc độ cao: Khi rôto 'Không thể giữ vững'

3.1 Hiện tượng và mối nguy hiểm

Khi tốc độ động cơ đạt đến hoặc vượt quá giới hạn cấu trúc của rôto, rôto sẽ gặp phải sự cố nghiêm trọng. Các biểu hiện điển hình bao gồm biến dạng rôto, phân mảnh nam châm vĩnh cửu, đứt ống bọc và rơi rôto. Một khi xảy ra lỗi tốc độ cao, thiết bị không chỉ bị loại bỏ mà còn có thể gây ra tai nạn an toàn nghiêm trọng.

3.2 Phân tích nguyên nhân gốc rễ

Nguyên nhân cơ bản của sự cố tốc độ cao là sự  mâu thuẫn giữa lực ly tâm và độ bền vật liệu.

Lấy nam châm vĩnh cửu NdFeB làm ví dụ. Mặc dù chúng có tích năng lượng từ và độ kháng từ cực cao, khiến chúng trở thành vật liệu nam châm vĩnh cửu hoạt động tốt nhất hiện nay, độ bền kéo của chúng thấp (<80 MPa) và chúng nhạy cảm với nhiệt độ với độ ổn định nhiệt kém. Ở tốc độ hàng chục nghìn vòng/phút, ứng suất ly tâm lên nam châm vĩnh cửu vượt xa giới hạn sức mạnh của chính chúng, do đó, một ống bọc bên ngoài là điều cần thiết để bảo vệ.

Giải pháp truyền thống là sử dụng ống bọc kim loại không từ tính (như Inconel 718 hoặc hợp kim titan). Tuy nhiên, ống bọc kim loại có một nhược điểm chết người:  tổn thất do dòng điện xoáy . Độ dẫn điện của ống bọc càng cao thì dòng điện xoáy tạo ra càng lớn và tổn thất dòng điện xoáy càng nghiêm trọng, khiến nhiệt độ rôto tăng mạnh, càng làm tăng thêm nguy cơ khử từ của nam châm vĩnh cửu.

3.3 Giải pháp

Ống bọc composite bằng sợi carbon  hiện được công nhận là giải pháp tốt nhất.

Ưu điểm của tay áo bằng sợi carbon là:

• Độ dẫn điện thấp : chúng hầu như không tạo ra tổn thất dòng điện xoáy, dẫn đến mức tăng nhiệt độ rôto thấp nhất;

• Độ bền cao : cường độ riêng của sợi carbon cao hơn nhiều so với kim loại, mang lại khả năng kiềm chế mạnh mẽ hơn với trọng lượng nhẹ hơn;

• Mô đun cao : thông qua tối ưu hóa vật liệu nhựa và quy trình cuộn dây, mô đun đàn hồi có thể tăng từ 130-160 GPa truyền thống lên hơn 200 GPa.

4. Giải pháp tối ưu: Công nghệ cuộn sợi carbon

Để giải quyết đồng thời ba vấn đề chính là tiếng ồn rung, hiện tượng tách nam châm và hư hỏng ở tốc độ cao, cuộn dây bằng sợi carbon là công nghệ cốt lõi không thể thiếu. Nguyên lý của nó là quấn vật liệu composite sợi carbon cường độ cao xung quanh các nam châm vĩnh cửu, tạo thành một 'lớp giáp' chặt chẽ trên rô-to cung cấp lực cản hướng tâm liên tục chống lại lực ly tâm được tạo ra bởi chuyển động quay tốc độ cao.

4.1 Hai quy trình chính thống

Hiện nay, có hai phương pháp chính để sản xuất cánh quạt bằng sợi carbon:

Phương pháp lắp ép : đầu tiên chế tạo ống bọc bằng sợi carbon, sau đó ép nó vào rôto hoặc sử dụng khớp nối co ngót. Trong khớp nối co ngót, rôto được làm mát đến -190°C và ống bọc ngoài có thể được lắp đặt với lực dọc trục rất nhỏ. Phương pháp lắp ép đã tương đối hoàn thiện, nhưng nó đòi hỏi sự kiểm soát cực kỳ chính xác đối với khớp nối nhiễu - quá nhiều nhiễu có thể làm nứt nam châm, trong khi quá ít sẽ không đủ khả năng kiềm chế.

Phương pháp quấn trực tiếp : quấn sợi carbon trực tiếp lên bề mặt nam châm vĩnh cửu, sau đó xử lý. Phương pháp này yêu cầu kiểm soát cực kỳ nghiêm ngặt đối với lực căng cuộn dây, nhiệt độ xử lý, liên kết giữa các lớp và các thông số quy trình khác, nhưng nó có thể đạt được ứng suất trước đồng đều hơn và sử dụng vật liệu cao hơn.

4.2 Những khó khăn kỹ thuật chính

(1) Kiểm soát ứng suất trước : phải áp dụng lực căng ban đầu thích hợp trong quá trình cuộn dây để sợi carbon tạo ra lực nén trước liên tục lên nam châm sau khi đóng rắn. Lực căng quá mức có thể làm nứt nam châm, trong khi lực căng không đủ không thể tạo ra sự kiềm chế thích hợp.

(2) Khớp nhiệt : hệ số giãn nở nhiệt của hỗn hợp sợi carbon, nam châm vĩnh cửu và vật liệu trục cần phải khớp chính xác để tránh ứng suất bên trong quá mức do thay đổi nhiệt độ.

(3) Phân tích ứng suất: nên sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (ví dụ: MSC Patran/Nastran) để phân tích chính xác ứng suất và biến dạng của cấu trúc rôto, xác định độ dày, góc và các thông số quy trình tối ưu của lớp cuộn dây.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng rôto động cơ bay từ trường với vòng gia cố bằng sợi carbon có thể đáp ứng các yêu cầu về độ bền và biến dạng ở tốc độ cao 72.000 vòng / phút.

5. Quy trình quấn sợi carbon của SDM

Trong lĩnh vực cuộn dây sợi carbon cho ổ trục từ/rotor động cơ tốc độ cao,  SDM  là một trong số ít các công ty trong nước làm chủ được công nghệ cốt lõi.

Trong lĩnh vực ổ trục từ/cánh quạt động cơ tốc độ cao, quy trình quấn dây bằng sợi carbon của SDM có những đặc điểm nổi bật sau:

(1) Năng lực sản xuất toàn dây chuyền : công ty sở hữu khả năng sản xuất toàn dây chuyền một cửa từ vật liệu từ tính (từ mềm + từ cứng) đến các bộ phận stator/rotor động cơ, sau đó đến hệ thống vi động cơ cảm biến phân giải. Điều này có nghĩa là từ việc lựa chọn nam châm và thiết kế rôto đến cuộn dây bằng sợi carbon và thử nghiệm cuối cùng, mọi thứ đều được thực hiện nội bộ, đảm bảo khả năng kiểm soát chất lượng cực cao.

(2) R&D nam châm vĩnh cửu đất hiếm thế hệ thứ tư : công ty liên tục đầu tư vào phát triển vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm thế hệ thứ tư, cung cấp chất nền nam châm tốt hơn cho cuộn dây sợi carbon. Bản thân chất lượng của nam châm – bao gồm độ bền kéo, độ ổn định nhiệt và độ chính xác về kích thước – quyết định trực tiếp hiệu suất cuối cùng của cuộn dây sợi carbon.

(3) Khả năng gia công chính xác : công ty sử dụng các quy trình gia công chính xác như mài trụ CNC để đảm bảo độ chính xác về kích thước của rôto và ống bọc. Cuộn dây bằng sợi carbon đòi hỏi độ tròn và độ đồng trục cực cao của đế rôto; bất kỳ lỗi gia công nhỏ nào cũng sẽ được khuếch đại ở tốc độ cao.

(4) Thiết kế phân đoạn nam châm được tối ưu hóa : SDM thiết kế các phân đoạn nam châm có xem xét đầy đủ các đặc tính của cuộn dây bằng sợi carbon, phân chia các nam châm một cách hợp lý để đảm bảo đủ hiệu suất từ ​​tính đồng thời tránh nguy cơ nứt do diện tích nam châm riêng lẻ quá lớn – phương pháp thiết kế này trực tiếp giải quyết các điểm yếu của quá trình cuộn dây.

(5) Tối ưu hóa tổng hợp quy trình cuộn dây và vật liệu : thông qua nghiên cứu liên tục về vật liệu nhựa và tối ưu hóa quy trình cuộn dây, công ty đã tăng đều đặn mô đun đàn hồi của hỗn hợp sợi carbon, giảm thiểu tổn thất dòng điện xoáy trong khi vẫn đảm bảo độ bền, từ đó giải quyết cơ bản vấn đề tăng nhiệt độ quá mức liên quan đến ống bọc kim loại.

Phần kết luận

Tiếng ồn rung, tách nam châm và hỏng hóc ở tốc độ cao của rôto động cơ bay từ trường về cơ bản là biểu hiện của sự mâu thuẫn giữa lực ly tâm và vật liệu, kết cấu cũng như hệ thống điều khiển ở tốc độ quay cao. Công nghệ cuộn dây bằng sợi carbon, bằng cách mang lại khả năng hạn chế vật lý mạnh mẽ, ít tổn thất, đã trở thành giải pháp tối ưu cho ba thách thức lớn này.

SDM, với 16 năm kinh nghiệm trong ngành vật liệu từ tính, khả năng sản xuất toàn chuỗi, cường độ R&D nam châm đất hiếm thế hệ thứ tư và quy trình cuộn dây bằng sợi carbon tinh chế, đang cung cấp các giải pháp rôto ngày càng đáng tin cậy cho ổ trục từ tính/động cơ tốc độ cao. Trong tương lai, với những tiến bộ liên tục về vật liệu sợi carbon và công nghệ cuộn dây, giới hạn tốc độ và độ tin cậy của động cơ ổ trục từ tính sẽ còn được đẩy xa hơn nữa.