Mouwen en banderolleeropties voor PM rotoren met laminaatstapels

De meeste gelamineerde PM-rotoren eindigen met één van drie realiteiten: een metalen huls die de snelheid en verliezen beperkt, een composiet huls die de temperatuur en koeling beperkt, of een banderolleerproces dat de productieopbrengst stilletjes beperkt. De truc is niet om "de beste" optie te vinden. Het is accepteren met welke beperking je bereid bent te leven voor de volgende productgeneratie.

Wat de lamineerstapel eigenlijk met het hulzenprobleem doet

Zodra je van solide rotoren naar gelamineerde stapelsDe huls klemt niet langer een eenvoudige cilinder. Hij probeert een stapel dunne platen, magneten, lijm en soms poolhulzen of wiggen bij elkaar te houden. Het spanningsveld is niet langer schoon. Radiale vervorming van de lamineringsstapel, sleuven, spiebanen en kanaalkenmerken verschuiven het hoepelspanningspad en veranderen de manier waarop de band of huls de belasting met de magneten deelt.

Analytische modellen die de magneet en de huls behandelen als twee perfecte concentrische ringen beginnen belangrijke interacties te missen zodra de lamineringsstapel lang, gegroefd of scheef wordt. Dat is precies de reden waarom recenter werk expliciet de krimppassing van de huls, de elasticiteit van de magneet en de rotorgeometrie in zowel radiale als axiale richting koppelt, in plaats van elk onderdeel afzonderlijk op te lossen.

Dus als we het hebben over "huls- en bandingopties" voor gelamineerde PM-rotors, hebben we het eigenlijk over hoe je ervoor kiest om mechanische spanning te leiden rond een stapel die eerst werd geoptimaliseerd voor elektromagnetische prestaties en pas later voor structureel gedrag.

De belangrijkste insluitingsfamilies, gestript

Ingenieurs vallen gewoonlijk uiteen in drie families van insluiting voor gelamineerde PM rotoren: metalen hulzen, composiet hulzen (meestal op basis van koolstof) en benaderingen met alleen banding, waarbij vezels of tape direct rond de laminaatstapel of buitenmagneten worden gewikkeld. Zowel commerciële machinebouwers als de academische wereld blijven rond deze families cirkelen omdat de belangrijkste afwegingen weigeren te verdwijnen.

Metalen hulzen geven je een behoorlijk temperatuurvermogen en goede thermische geleiding, maar ze introduceren wervelstroomverliezen in de rotor en voegen massa toe aan de grootste radius. Composiet hulzen verminderen verliezen en inertie, maar worstelen met warmte- en uithardingsbeperkingen. Zuiver banderolleren, vaak gedaan met automatische machines, leunt meer op procesbeheersing en voorspanning dan op materiaalmassa.

De lamineerstapel zit onder dit alles, licht elastisch, licht discontinu, en dat detail bepaalt meestal welke van de drie paden echt werkt in de productie.

Metalen hulzen op gelamineerde PM-rotors

Voor gelamineerde PM rotoren zijn metalen hulzen vaak het standaard uitgangspunt. Inconel 718, roestvast staal en titaanlegeringen komen steeds weer terug omdat ze een vloeigrens van honderden MPa combineren met een aanvaardbare taaiheid en produceerbaarheid.

Met een laminaatstapel onder de hoes let je op drie dingen meer dan normaal.

Ten eerste heeft de huls geen perfect stijve kern. De lamineringen comprimeren onder krimppassing en centrifugale belasting, waardoor de contactdruk bij snelheid lager is dan wat eenvoudige dik-cilinder vergelijkingen voorspellen. Moderne analyses houden expliciet rekening met de lamineringsmodulus en de sleufgeometrie bij het berekenen van de passing en toelaatbare snelheid, omdat de effectieve radiale stijfheid aanzienlijk lager kan zijn dan bij massief staal.

Ten tweede is het mogelijk dat de laminaatstapeling geen glad buitenoppervlak oplevert. Schuin, stapsgewijs of met een ventkanaal stansen zorgt voor een golvende OD. Als je deze gewoon rond slijpt en op een strakke metalen huls schuift, riskeer je lokale overbelasting op de overblijvende ribbels of, erger nog, een onvolledig contact dat de warmtestroom van de magneten naar de stapel en vervolgens naar de as in gevaar brengt. Verschillende industriële ontwerpen houden bewust een bescheiden dikte van de huls aan en vertrouwen op zorgvuldig gespecificeerde slijp- en uitloopgrenzen zodat de huls zich kan zetten zonder onvoorspelbare plaatselijke vervorming.

Ten derde wordt de huls een actief onderdeel van je verliesbudget. Een doorlopende geleidende buis rond een gelamineerde rotor vormt een pad met lage weerstand voor hoogfrequente velden die uit magneten en sleuven lekken. Dat vertaalt zich in wervelstroomverlies van de rotor en warmte precies waar je magneten dat het minst willen. Recenter werk verkent gelamineerde metalen hulzen, zoals axiaal gesegmenteerde titanium hulzen met isolatielagen, die de wervelstroomdichtheid verminderen terwijl het grootste deel van het mechanische voordeel behouden blijft.

Het nettoresultaat: metalen hulzen zijn aantrekkelijk op gelamineerde rotors als je ofwel hoge temperaturen, een relatief bescheiden oppervlaktesnelheid of een betrouwbaar thermisch pad nodig hebt. Ze zijn niet nuttig als je ontwerp al verliesbeperkend is en draait aan de hoge kant van wat de magneten mechanisch kunnen overleven.

Samengestelde mouwen en overwinds

Koolstofvezelhulzen rond gelamineerde PM-rotoren werden populair omdat ze wervelstroomverlies van de rotor bijna uit de omhullingsstructuur verwijderen en een hogere oppervlaktesnelheid mogelijk maken voordat spanningslimieten worden bereikt. Typische waarden uit onderzoeken van de industrie tonen een maximale lineaire oppervlaktesnelheid rond 240 m/s voor metalen hulzen en ongeveer 320 m/s voor vezelhulzen, met de juiste lay-up en voorspanning.

De uitdaging is dat composiethulzen zich heel anders gedragen als ze op een laminaatstapel worden gewikkeld.

Vezelhulzen zijn uitstekend in de hoepelrichting maar minder stijf radiaal. Bij hogesnelheidsbedrijf houden ze magneten op druk, maar hun lage thermische geleidbaarheid betekent dat warmte die in magneten of eindgebieden wordt gegenereerd, moeilijk kan ontsnappen. Verschillende studies wijzen erop dat het simpelweg vergroten van de dikte van een composiet huls om meer spanningsmarge te krijgen averechts werkt: de dikkere huls duwt de luchtspleet naar buiten en verlaagt de fluxdichtheid terwijl het ook de koeling verslechtert en de temperatuur van de magneet verhoogt.

De productieroute is belangrijker dan veel specificatiebladen suggereren. Direct gewikkelde koolstof hulzen op een rotor kunnen radiale voorspanning bereiken in de orde van een paar honderd MPa, gedeeltelijk beperkt door de tolerantie van de magneet temperatuur tijdens uitharding en de capaciteit van uw wikkelproces. Opgeperste koolstof hulzen, apart vervaardigd en vervolgens geëxpandeerd en op de rotor gemonteerd, kunnen een hogere netto drukspanning bereiken onder bedrijfsomstandigheden, maar vereisen een zeer nauwkeurige controle van afmetingen en interferentie.

Wanneer de kern een gelamineerde stapel is met oppervlaktemagneten, worden deze verschillen praktische problemen.

Een direct gewikkelde huls moet elke geometrische onvolkomenheid van de stapel volgen en de harsstroom kan worden verstoord door ventilatiegaten of gleufopeningen in de laminering. Een opgedrukte huls heeft een gladde, nauwkeurig bewerkte OD op de stapel en magneten nodig; anders krijg je plaatselijke openingen die zowel de spanningsmarge als de stijfheid uithollen. Op kleine rotoren met extreem hoge snelheden tonen onderzoeksresultaten aan dat de dikte van de huls en de interferentiepasvorm nauw met elkaar verbonden zijn; er is vaak een heel smal gebied waar de trekspanning van de magneet, de spanning van de huls en de produceerbaarheid allemaal aanvaardbaar blijven.

Nieuwere composietbenaderingen voegen nog een andere draai toe: geautomatiseerde vezelplaatsing met thermoplastische tapes maakt een strak gecontroleerde hoepelspanning en vezels met een hogere modulus mogelijk, terwijl ook wateropname en dimensionale zwelling van de huls worden beperkt. Voor gelamineerde rotors die in hete, natte omgevingen werken, kunnen deze details het verschil betekenen tussen een stabiele speling en wrijving na een paar duizend uur.

Banderolleren als proces, niet alleen als materiaalkeuze

Als mensen "banderolleren" zeggen, bedoelen ze soms het materiaal (een vezelverband) en soms het proces (automatisch wikkelen van vooraf geïmpregneerde tape met gedefinieerde voorspanning). Voor gelamineerde PM-rotors is het proces wat het spel echt verandert.

Banderolleermachines voor rotoren met permanente magneten regelen de tapespanning, draaisnelheid en uitharding in één compact station. Dit is aantrekkelijk als je lamineerstapels hebt met magneten op de OD of iets ingegraven in sleuven, omdat de banderolleerbewerking zich kan aanpassen aan verschillende rotorgeometrieën zonder een bewerkte huls te veranderen.

De lamineerstapel duwt echter terug. Letterlijk.

Elke laminaatlaag is geïsoleerd, zodat de effectieve radiale stijfheid lager is dan bij een massieve ring. Onder bandspanning kunnen de buitenste lamineringen iets inzakken, waardoor de uiteindelijke voorspanning verandert als de rotor eenmaal op snelheid en temperatuur is. Betere banderolleerprocessen proberen hier rekening mee te houden door een combinatie van gemeten rotorcompliance, temperatuurcompensatie en soms gefaseerd wikkelen met verschillende spanningen. Recent onderzoek naar wikkeltechnieken voor rotormantels suggereert om het wikkelen en uitharden te behandelen als onderdeel van het structurele ontwerp, en niet alleen als een laatste assemblagestap.

Banding heeft ook een sterke interactie met axiale retentie-eigenschappen: eindkappen, schouders en lippen. Deze kenmerken onderbreken de laminaatstapel en creëren lokale spanningsconcentraties onder hoepelspanning. Een afschuining op de overgang tussen de laminaat OD en een eindring kan bijvoorbeeld de spanning in een metalen huls verlichten, maar kan harsrijke pockets creëren in een composietband, die vervolgens barsten bij herhaaldelijk thermisch cycleren. Hier bepaalt de geometrie van de lamineringsstapel hoe ver je de bandspanning kunt opdrijven voordat de betrouwbaarheid op lange termijn afneemt.

Hybride en gelamineerde mouwconcepten

De laatste tijd duiken hybride en gelamineerde hulzen op in de literatuur en in vroege producten. Het idee is eenvoudig: in plaats van te kiezen tussen "geleidend en sterk" of "isolerend en minder geleidend", combineer je ze op een gestructureerde manier.

Eén tak onderzoekt gelamineerde metalen hulzen, zoals hulzen van titaniumlegeringen met axiale segmentatie en isolatie tussen de segmenten. Simulaties en tests tonen aan dat deze hulzen de wervelstroomverliezen van de rotor aanzienlijk kunnen verminderen in vergelijking met massieve titanium hulzen, terwijl de mechanische capaciteit grotendeels behouden blijft. Voor een hogesnelheids-PMSM met een vermogen van 10 kW en 30.000 tpm verminderde een gelamineerde titanium huls met een isolerende laag de wervelstroomverliezen van de rotor in vergelijking met zowel massief titanium als composiet hulzen, terwijl de toelaatbare spanningslimieten werden aangehouden.

Een andere tak onderzoekt composiet hulzen met ingebedde geleidende paden, bijvoorbeeld hulzen die koperen elementen inbedden in een anders composiet structuur. Recent werk meldt dat dergelijke met koper ingelegde composiet hulzen de spanningsmarge bij hoge snelheid kunnen verbeteren in vergelijking met een zuivere composiet huls, dankzij aangepaste stijfheid en voorspanningspatronen.

Voor gelamineerde PM-rotors bieden deze hybride hulzen iets nuttigs: ze maken het mogelijk om elektromagnetische verliezen en mechanische prestaties afzonderlijk af te stellen, terwijl ze toch voldoen aan een laminaatstapel die vanuit structureel oogpunt misschien niet helemaal ideaal is. Ze vereisen echter wel een complexere productie en een zorgvuldige analyse van het thermisch gedrag bij de interfaces.

Vergelijking van huls- en bandingopties voor gelamineerde PM-rotoren

Onderstaande tabel geeft een overzicht van typische opties voor gelamineerde PM-rotoren met oppervlakte- of bijna-oppervlakmagneten. De waarden zijn indicatief, niet universeel; ze weerspiegelen trends uit verschillende industriële en academische bronnen.

Deze bereiken liggen bovenop de eigen limieten van de laminaatstapel: treksterkte van de magneet, rekgrens van de laminaatstapel bij temperatuur en eventuele spanningsverhogers bij spiebanen, ventilatiesleuven of krimpzittingen.

Hoe de lamineergeometrie in stilte je keuze bepaalt

Lamineringsstapels worden in de eerste plaats ontworpen voor elektromagnetische prestaties. Dat betekent dat sleufopening, tandbreedte, brugdikte en rotor OD allemaal gekozen worden om een specifieke koppelrimpel, efficiëntie en inductantieprofiel te leveren. Structurele gevolgen komen later.

In PM-rotoren met hoge snelheid leidt deze volgorde van beslissingen soms tot stapels met buitenste bruggen die dunner zijn dan ideaal, of met webgebieden die te flexibel zijn. Onder voorbelasting van de huls of band vervormen deze onderdelen, waardoor de magneten iets naar buiten worden geduwd en de plaatselijke luchtspleet verandert. Bij bedrijfssnelheid buigen ze weer naar buiten. Elke keuze voor een huls of band die dit negeert, zal zich op de echte rotor anders gedragen dan in de berekening.

Moderne ontwerpmethoden voor gelamineerde PM-rotors doen daarom meestal het volgende, ook al is dat niet altijd even duidelijk gedocumenteerd.

Eerst wordt een mechanisch model gemaakt van alleen de laminaatstapel en de magneten. Krimppassingen, banden en hulzen worden pas toegevoegd nadat de lamineringsconformiteit bekend is. Deze stap onthult of bruggen en banen zullen vervormen voordat ze hun nominale spanningslimieten bereiken.

Vervolgens wordt het ontwerp van de huls of band afgestemd op die conformiteit. Voor een zeer stijve laminaatstapel kan een dunnere composietmof met hoge voorspanning optimaal zijn. Voor een zachtere stapel kan een metalen huls met minder interferentie maar meer dikte dezelfde opsluiting bieden met minder gevoeligheid voor geometrische onvolkomenheden.

Tot slot worden de wervelstroom- en thermische modellen van de rotor bijgewerkt met de werkelijke geometrie van de huls of band. Studies tonen aan dat het materiaal en de structuur van de hulzen het verlies van de magneten naar de huls of van beide kunnen verplaatsen, maar het juiste antwoord hangt meer af van de snelheid, de frequentie-inhoud en het koelsysteem dan van de materiaalkeuze alleen.

De geometrie van de lamineerstapel duwt deze stappen in de ene of andere richting; soms subtiel, soms heel sterk.

Casusgericht denken in plaats van algemene regels

Het helpt om te denken in een paar gestileerde gevallen in plaats van in universele regels, omdat laminaatstapeling en toepassingsdetails domineren.

Denk aan een kleine rotor met ultrahoge snelheden van tientallen tot honderden watt, die draait op enkele honderdduizenden tpm met een gelamineerde stack. Hier zijn de magneten klein en de laminaat OD is klein. Samengestelde hulzen of direct banding zijn zinvol: wervelstroomverliezen in zo'n kleine metalen huls kunnen een groot deel van het totale verlies vertegenwoordigen en het thermische pad door de as en lagers is vaak al voldoende. De lamineringsstapeling is meestal eenvoudig en kan worden geslepen tot een zeer nauwkeurige OD, waardoor de composietmof zich voorspelbaar gedraagt.

Voor een industriële hogesnelheidscompressoraandrijving van honderden kilowatts tot megawatts, die draait op tienduizenden tpm met een gelamineerde stack, verandert het plaatje. De rotordiameter is groter, de omgeving heter en de storingsomstandigheden zwaarder. Metalen hulzen worden aantrekkelijker vanwege hun temperatuurbestendigheid en taaiheid. Als rotorverlies problematisch is, kunnen gelamineerde metalen hulzen of zorgvuldig ontworpen ontluchting en afscherming dit verminderen, terwijl composiet hulzen moeite kunnen hebben met warmteafvoer en stabiliteit op lange termijn bij hoge temperaturen.

In tractiemotoren voor auto's die gelamineerde rotors met oppervlaktemagneten of ingegraven magneten dicht bij de buitendiameter gebruiken, zijn composietbussen en -banding aantrekkelijk, vooral met koolstofvezelversterkte bussen. Ze verminderen de rotortraagheid en kunnen helpen bij het bereik en de transiëntrespons. Ze vereisen echter een goed gecontroleerde uitharding en een robuust beheer van de magneettemperatuur, en hun thermische barrièrewerking moet worden gecompenseerd door agressieve koeling elders in het systeem.

Elk van deze gevallen wordt bepaald door de geometrie van de lamineringsstapel en door het bredere systeem, niet door een abstracte voorkeur voor één materiaalfamilie.

Wat je eigenlijk moet beslissen en in welke volgorde

Als je je elektromagnetische ontwerp en lamineerstapel al kent, valt de beslissing over sleeve of band uiteen in een paar praktische vragen.

U vraagt hoeveel mechanische snelheidsmarge u nodig hebt, inclusief tests op te hoge snelheid en foutgevallen. U vraagt hoeveel wervelstroomverlies van de rotor u kunt accepteren voordat de magneten hun temperatuurbudget overschrijden. U vraagt welke productievariatie realistisch is voor stack OD, runout en rechtheid. U vraagt onder welke omstandigheden de machine moet starten, stoppen en weken.

Zodra die grenzen duidelijk zijn, zijn de eerdere vergelijkingen niet meer algemeen.

Als je laminaatstapel stijf is, je budget voor rotorverliezen krap is en je de rotortemperaturen onder controle kunt houden, is een composiet sleeve of bandingoplossing waarschijnlijk de beste oplossing, vooral als automatisch wikkelen of automatische vezelplaatsing beschikbaar is.

Als de omgeving heet is, verontreinigingen waarschijnlijk zijn en je lamineerstapel een lastige geometrie of grote diameter heeft, is een metalen of gelamineerde metalen huls vaak de veiligste optie, eventueel met lokale voorzieningen om verlies te beperken en spanning rond ventilatiegaten en spiebanen te beheren.

Als uw productfamilie verschillende rotorvarianten omvat die dezelfde lamineerstapels hebben, maar verschillen in magneetkwaliteit, aantal polen of snelheid, dan wordt banderolleren als proces aantrekkelijk: één lamineergereedschap, één basisrotorfamilie, verschillende banderolleerpatronen en -diktes. Het banderolleerstation wordt onderdeel van uw product roadmap, niet alleen van een werkcel.

In al deze richtingen is de lamineringsstapel geen passieve deelnemer. Hij bepaalt stijfheid, toleranties en geometrie. De huls of band werkt dan met die realiteit of vecht ertegen. De beste ontwerpen werken ermee, uit vrije keuze.