اختيار درجة حرارة إزالة المغناطيسية من مغناطيس الدوار المحوري: درجة الحرارة هي الموضوع الأول للاختيار

الخطأ الأكثر شيوعا في اختيار المغناطيس ل محركات التدفق المحوري من جدول الدرجات: قم أولاً بإلقاء نظرة على الثبات، ثم على درجة حرارة التشغيل القصوى، واختر درجة 'جيدة بما يكفي' لوضعها في قائمة مكونات الصنف. تبدأ لكن في بنية التدفق المحوري، يكون هذا الترتيب معكوسًا تمامًا. لا يتم تحديد درجة حرارة المغناطيس الدوار بواسطة المغناطيس نفسه؛ يتم فرضه على المغناطيس من خلال الطوبولوجيا والتبريد وظروف التشغيل. إن نقطة البداية الحقيقية للاختيار هي أن نسأل بوضوح:  في ظل أسوأ الحالات التي تتراكب فيها الدائرة القصيرة، والحمل الزائد، والبقع الساخنة، إلى أي درجة يمكن أن يصبح المغناطيس ساخناً، وهل يستطيع أن يظل قادراً على تحمل المجال المغناطيسي العكسي عند درجة الحرارة هذه؟

إن خطر إزالة المغناطيسية من التدفق المحوري 'مكتوب في' الهيكل

إن نقطة البيع لمحركات التدفق المحوري واضحة: بنفس القوة، يمكن خفض الوزن والطول المحوري إلى النصف مقارنة بالمحركات الشعاعية. لكن هذا الاكتناز يأتي بتكلفة حرارية.

في طوبولوجيا العضو الثابت المزدوج، يقع العضو الدوار بين عضوين ساكنين، وبالتالي تقل مساحة الاتصال المباشرة بين العضو الدوار والهواء بشكل كبير، ويكون مسار تبديد الحرارة ضيقًا بطبيعته. وفي الوقت نفسه، تولد المغناطيسات نفسها خسائر في التيار الدوامي في المجال المغناطيسي المتناوب، ويتم إطلاق هذه الحرارة مباشرة داخل المغناطيس الدائم. إن الإشعاع الحراري الصادر عن الأعضاء الساكنة المتراكب على التسخين الذاتي للعضو الدوار يجعل من السهل على درجة حرارة المغناطيس الاقتراب أو حتى عبور الحدود الخطرة في ظل ظروف الطاقة العالية المستمرة. الحكم المتكرر في تحليلات الصناعة هو أن بنية الساندويتش وكثافة الطاقة العالية لمحركات التدفق المحوري تؤدي إلى قدرة حرارية منخفضة للغاية، مما يجعل مغناطيس الدوار 'عرضة للغاية للسخونة الزائدة'.

ولذلك، فإن اختيار المغناطيس للتدفق المحوري لا يمكنه ببساطة نسخ تجربة المحركات الشعاعية. الحدس في المحركات الشعاعية بأن 'الدوار يتم تبريده من خلال العمود والهواء عند الأطراف' يفشل أساسًا في طوبولوجيا من النوع القرصي.

ما يحدث فعليًا في عملية إزالة المغناطيسية: الحدود بين ما يمكن عكسه وما لا يمكن عكسه

لفهم الاختيار، يحتاج المرء فقط إلى فهم مفهومين لدرجة الحرارة.

إزالة المغناطيسية العكسية  هي 'الاضمحلال الحراري' الطبيعي للمغناطيس. مع ارتفاع درجة الحرارة، يتناقص البقاء خطيًا، ويتعافى بعد التبريد، دون تلف دائم. يعمل NdFeB بشكل رئيسي في هذا النطاق أقل من 120 درجة مئوية. تظهر المشكلة عند درجة حرارة أعلى من 120 درجة مئوية: يصبح ميل الاضمحلال العكسي أكثر أهمية، والأهم من ذلك،  أن حدود إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها تقترب أكثر.

المعيار المادي لإزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه هو  نقطة الركبة . يحتوي منحنى إزالة المغناطيسية على نقطة انعطاف في الربع الثاني. نقاط التشغيل فوق نقطة الركبة آمنة؛ بمجرد أن يدفع المجال المغناطيسي العكسي الخارجي نقطة التشغيل أسفل نقطة الركبة، لا يمكن للمغناطيس العودة بعد إزالة المجال الخارجي، ويعاني الثبات من خسارة دائمة. نتيجة ارتفاع درجة الحرارة ذات شقين: انخفاض الثبات، وفي نفس الوقت  تتحرك نقطة الركبة إلى اليمين (باتجاه المجال المغناطيسي السفلي) ، مما يعني أن نفس المجال المغناطيسي العكسي من المرجح أن يعبر نقطة الركبة عند درجة حرارة عالية. بالنسبة لـ NdFeB، تتعامل الممارسة الهندسية عمومًا  مع حوالي 150 درجة مئوية باعتبارها المنطقة الحرجة لإزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه ؛ فوق هذا المستوى، لم يعد خطر الفقدان الكامل للأداء المغناطيسي حدثًا صغير الاحتمال لا يُذكر.

تحدد اللاحقة الحرفية لدرجة المغناطيس بشكل أساسي  درجة الحرارة التي يمكن أن تظل عندها نقطة الركبة بعيدة بدرجة كافية إلى اليمين . المراسلات الشائعة هي: SH يتوافق مع حوالي 150 درجة مئوية، UH إلى 180 درجة مئوية، EH إلى 200 درجة مئوية، وAH إلى 220 درجة مئوية. ولكن هناك نقطة يمكن إساءة فهمها بسهولة: درجة الحرارة التي تشير إليها اللاحقة هي مقاومة درجة الحرارة للمادة في ظل  ظروف معايرة معامل النفاذية المحددة ، وليست 'درجة حرارة التشغيل القصوى' التي يحصل عليها المغناطيس تلقائيًا بعد تثبيته في المحرك. قد يعمل نفس المغناطيس UH بشكل مستمر عند 130 درجة مئوية في نموذج أولي مبرد جيدًا، ولكن في جزء الإنتاج الضخم مع تبريد غير كافي للساندويتش، قد ترتفع النقطة الساخنة مباشرة فوق 170 درجة مئوية.

كوبالت السماريوم: الخيار الاحتياطي، لكن يجب حساب التكلفة بشكل واضح

عندما يكون هامش درجة الحرارة لـ NdFeB غير كافٍ حقًا، فإن SmCo هو بديل لا مفر منه في الهندسة. تتمتع SmCo بمقاومة درجات الحرارة أعلى بكثير؛ يمكن استخدام العديد من الدرجات في التطبيقات عند مستوى  350 درجة مئوية  ، كما تتراوح درجة حرارة كوري أيضًا بين 700-850 درجة مئوية، وهي أعلى بكثير من 310-350 درجة مئوية لـ NdFeB. في المنطقة ذات درجات الحرارة المرتفعة، يكون ميل منحنى إزالة المغناطيسية الذي لا رجعة فيه لـ SmCo مع درجة الحرارة أكثر تسطحًا أيضًا من ميل NdFeB.

ولكن يجب وضع تكلفة SmCo على الطاولة في نفس الوقت. يتراوح ثباته النموذجي بين  0.95 و1.1 طن  ، بينما يمكن أن يصل ندفيب إلى 1.1 و1.4 طن؛ عادةً ما يكون منتج الطاقة الأقصى أقل  بنسبة 25% إلى 30%  من منتج NdFeB. هذا يعني أنه لتحقيق نفس كثافة تدفق فجوة الهواء، يجب أن تكون مغناطيسات SmCo أكثر سمكًا وأثقل، مما يؤدي بدوره إلى التعدي على المساحة المحورية الضيقة بالفعل لآلات التدفق المحوري، وقد يؤدي أيضًا إلى زيادة القصور الذاتي للدوار وخسائر التيار الدوامي. كما أن SmCo أكثر تكلفة، كما أن نضج سلسلة التوريد ومرونة التسليم الخاصة بها ليست بنفس جودة NdFeB. لذلك، ما لم يشير الفحص الحراري بوضوح إلى أنه 'حتى ترقية NdFeB إلى EH/AH لا يمكن أن تصمد'،  فإن استخدام SmCo من أجل 'شراء' هامش درجة الحرارة غالبًا ما يكون معاملة مدفوعة ثلاثة أضعاف الوزن والتكلفة وكثافة الطاقة.

الترتيب الصحيح للاختيار: استنتج الدرجة من درجة حرارة المغناطيس

يجب أن تتبع عملية اختيار المغناطيس القابلة للتنفيذ على أساس درجة الحرارة للتدفق المحوري الترتيب الموضح أدناه، بدلاً من البدء من جدول التقديرات.

الخطوة 1: تحديد التبريد أولا، ثم مناقشة الدرجة.  تحدد طريقة تبريد العضو الدوار لآلة التدفق المحوري بشكل مباشر 'أرضية' درجة حرارة المغناطيس. تبريد الهواء بسيط وله خسائر طفيلية منخفضة، ولكن التوصيل الحراري والقدرة الحرارية المحددة للهواء محدودة، وتعتمد قدرة التبريد بشدة على السرعة والبيئة. من المتوقع بشدة أن يتم تبريد الزيت في التدفق المحوري؛ تظهر البيانات التجريبية أن نظام تبريد الزيت المعقول يمكن أن يقلل درجة الحرارة القصوى بمقدار  15-20 درجة مئوية  أكثر من التبريد بالماء النقي، لكن تبريد الزيت ''حمل الحرارة بعيدًا'' لا يساوي ''إزالة الحرارة'.' لا يزال فرق درجة الحرارة بين حافة ومركز الهيكل من النوع القرصي يصل إلى  30-50 كلفن ، والنقطة الساخنة المحلية هي موضوع التحقق من إزالة المغناطيسية. قبل أن يتم تجميد نظام التبريد، فإن أي اختيار للدرجة يفتقر إلى فرضية موثوقة.

الخطوة 2: ضع حالة الدائرة القصيرة في فحص درجة الحرارة.  درجة الحرارة في ظل التشغيل العادي ليست سوى خط الأساس. يجب أن يغطي التحقق من إزالة المغناطيسية المجال المغناطيسي العكسي الناتج عن خطأ في وحدة التحكم أو دائرة قصر متعرجة، ويجب إجراء هذا الفحص عند  أعلى درجة حرارة قد يصل إليها المغناطيس في ظل هذه الحالة . معيار التصميم في الأدبيات واضح ومباشر: يجب اختيار سمك المغناطيس لتجنب إزالة المغناطيسية التي لا رجعة فيها بعد تيار دائرة قصر ثلاثي الطور عند أدنى درجة حرارة. وبشكل أعم، من الضروري التأكد من أن نقطة التشغيل لا تقع تحت نقطة الركبة عند تراكب أسوأ درجة حرارة وأسوأ مجال لإزالة المغناطيسية.

الخطوة 3: استخدم 'درجة حرارة المغناطيس الفعلية + مجال إزالة المغناطيسية للدائرة القصيرة' للتحقق من لاحقة الدرجة.  إذا كانت درجة حرارة النقطة الساخنة للمغناطيس التي يوفرها نظام التبريد والتصميم الكهرومغناطيسي في حدود  140-150 درجة مئوية ، وكان مجال إزالة المغناطيسية من الدائرة القصيرة ليس شديدًا، فقد يدخل SH في قائمة المرشحين؛ بمجرد أن تقترب النقطة الساخنة من  160 درجة مئوية أو تتجاوزها ، تصبح UH نقطة بداية أكثر موثوقية؛ عندما تصل النقطة الساخنة  إلى ما فوق 180 درجة مئوية ، يجب تقييم EH أو حتى درجات أعلى بشكل جدي، أو يجب إعادة النظر في تصميم التبريد نفسه. المنطق هنا هو:  اللاحقة ليست 'مستوى أداء' ولكنها 'مستوى قدرة على الحفاظ على نقطة الركبة عند درجة حرارة معينة'.  تكلفة الدرجات ذات اللاحقة الأعلى (UH/EH) عادة ما تكون أقل قليلاً من الثبات أو إضافة أعلى للعناصر الأرضية النادرة الثقيلة؛ إنه ليس تأمينًا مجانيًا.

الخطوة 4: استخدم تجزئة الجزء الدوار وهندسة المغناطيس 'لتخفيف الحمل' على درجة الحرارة.  إن اختيار المغناطيس ليس قرارًا ماديًا معزولًا. يرتبط فقدان التيار الدوامي لمغناطيس الدوار ذو التدفق المحوري ارتباطًا مباشرًا بطول مسار التيار الدوامي ومساحة السطح على سطح المغناطيس، ويعتبر تجزئة المغناطيس الدائم وسيلة فعالة لتقليل فقدان التيار الدوامي وقمع ارتفاع درجة الحرارة. عندما يتم تحديد الدرجة بالفعل ويكون هامش درجة الحرارة ضيقًا، يكون تقليل توليد الحرارة للمغناطيس من خلال تحسين التجزئة في بعض الأحيان أكثر اقتصادا من مجرد رفع لاحقة الدرجة بمستوى واحد، كما أنه أكثر ملاءمة للحفاظ على كثافة عزم الدوران.

خط الحكم العملي

إذا كان سيتم ضغط هذه المقالة في جملة واحدة لإدخالها في مراجعة التصميم، فهي:  لا ينبغي 'تحديد' درجة مغناطيس الدوار ذو التدفق المحوري؛ يجب أن تكون 'محسوبة' - استخدم أولاً ظروف التبريد والدائرة القصيرة لحساب درجة الحرارة التي سيصل إليها المغناطيس، ثم استخدم درجة الحرارة هذه للبحث عن نقطة الركبة، واستقر أخيرًا على اللاحقة.

بالنسبة لـ NdFeB،  فإن 120 درجة مئوية  هي نقطة المراقبة التي يبدأ عندها الاضمحلال القابل للعكس ليصبح كبيرًا، وحوالي  150 درجة مئوية  هي المنطقة التي يدخل فيها خطر إزالة المغناطيسية الذي لا رجعة فيه إلى المستوى الذي يجب التحقق منه بجدية. هذان الرقمان ليسا 'درجة حرارة التشغيل القصوى' في جدول التقديرات؛ بل يذكرون المصممين أنه في البنية الساندوتشية للتدفق المحوري، يختفي هامش درجة الحرارة بشكل أسرع منه في الآلات الشعاعية. إن معاملة درجة الحرارة كموضوع للاختيار بدلاً من كونها موضوعًا للدرجة هو ما يمنع إزالة المغناطيسية من التحول من مشكلة مادية إلى فجوة موثوقية نظامية.