Demagnetizace magnetu rotoru s axiálním tokem Výběr teploty: Teplota je prvním předmětem výběru

Nejčastější chyba při výběru magnetu pro u motorů s axiálním tokem je třeba začít od tabulky tříd: nejprve se podívejte na remanenci, pak na maximální provozní teplotu a vyberte třídu, která je 'dost dobrá' pro uvedení do kusovníku. Ale ve struktuře s axiálním tokem je toto pořadí přesně obrácené. Teplota magnetu rotoru není určena samotným magnetem; je na magnet uvalen topologií, chlazením a provozními podmínkami. Skutečným výchozím bodem výběru je položit si jasnou otázku:  v nejhorším případě, kdy se překrývají zkraty, přetížení a horká místa, jak horký bude magnet a může ještě odolat reverznímu magnetickému poli při této teplotě?

Riziko demagnetizace axiálního toku je 'zapsáno' do struktury

Přednost axiálních motorů je jasná: při stejném výkonu lze hmotnost a axiální délku snížit na polovinu ve srovnání s radiálními motory. Tato kompaktnost je však spojena s tepelnými náklady.

U dvoustatorové jednorotorové topologie je rotor vložený mezi dva statory, takže plocha přímého kontaktu mezi rotorem a vzduchem je značně zmenšena a dráha odvodu tepla je ze své podstaty úzká. Přitom samotné magnety generují ve střídavém magnetickém poli ztráty vířivými proudy a toto teplo se uvolňuje přímo uvnitř permanentních magnetů. Tepelné záření ze statorů superponované na samozahřívání rotoru usnadňuje přiblížení se nebo dokonce překročení nebezpečné hranice za podmínek trvalého vysokého výkonu. V průmyslových analýzách se opakovaně soudí, že sendvičová struktura a vysoká hustota výkonu motorů s axiálním tokem vedou k extrémně nízké tepelné kapacitě, takže magnety rotoru jsou 'velmi náchylné k přehřátí'.

Proto výběr magnetu pro axiální tok nemůže jednoduše kopírovat zkušenosti s radiálními motory. Intuice u radiálních motorů, že 'rotor je chlazený přes hřídel a vzduch na koncích', v podstatě selhává v topologii diskového typu.

Co se vlastně děje při demagnetizaci: Hranice mezi vratným a nevratným

Pro pochopení výběru stačí pochopit dva teplotní koncepty.

Reverzibilní demagnetizace  je normální 'tepelný rozpad' magnetu. Jak teplota stoupá, remanence lineárně klesá a po ochlazení se obnovuje bez trvalého poškození. NdFeB pracuje hlavně v tomto rozsahu pod 120 °C. Problém se objevuje nad 120 °C: sklon reverzibilního rozpadu se stává významnějším a co je důležitější,  hranice nevratné demagnetizace se přibližuje..

Fyzikálním kritériem pro nevratnou demagnetizaci je  bod kolena . Demagnetizační křivka má inflexní bod ve druhém kvadrantu. Operační body nad kolenním bodem jsou bezpečné; jakmile vnější reverzní magnetické pole zatlačí pracovní bod pod bod kolena, magnet se po odstranění vnějšího pole nemůže vrátit a remanence utrpí trvalou ztrátu. Důsledek rostoucí teploty je dvojí: remanence klesá a současně  se bod kolena posouvá doprava (směrem k nižšímu magnetickému poli) , což znamená, že stejné reverzní magnetické pole pravděpodobněji projde bodem kolena při vysoké teplotě. Pro NdFeB technická praxe obecně považuje teplotu  kolem 150 °C za kritickou oblast pro nevratnou demagnetizaci ; nad touto úrovní již není riziko úplné ztráty magnetického výkonu zanedbatelnou událostí s malou pravděpodobností.

Písmenná přípona stupně magnetu v podstatě udává  teplotu, při které může bod kolena stále zůstat dostatečně daleko vpravo . Běžné shody jsou: SH odpovídá přibližně 150 °C, UH až 180 °C, EH až 200 °C a AH až 220 °C. Existuje však jeden bod, který lze velmi snadno chybně přečíst: teplota uvedená příponou je teplotní odolnost materiálu za  specifických podmínek kalibrace koeficientu permeance , nikoli 'maximální provozní teplota', kterou magnet automaticky získá po instalaci do motoru. Stejný UH magnet může běžet nepřetržitě při 130 °C v dobře chlazeném prototypu, ale v sériově vyráběné části s nedostatečným sendvičovým chlazením může horké místo přímo překročit 170 °C.

Samarium Cobalt: Záložní možnost, ale náklady musí být jasně spočítány

Když je teplotní rozpětí NdFeB skutečně nedostatečné, SmCo je nevyhnutelnou alternativou ve strojírenství. SmCo má výrazně vyšší teplotní odolnost; mnoho druhů lze použít v aplikacích na úrovni  350 °C  a Curieova teplota je také v rozmezí 700–850 °C, mnohem vyšší než 310–350 °C NdFeB. Ve vysokoteplotní oblasti je sklon křivky nevratné demagnetizace SmCo s teplotou také mnohem plošší než u NdFeB.

Zároveň však musí být předloženy náklady na SmCo. Jeho typická remanence je v rozmezí  0,95–1,1 T  , zatímco NdFeB může dosáhnout 1,1–1,4 T; maximální energetický produkt je obvykle  o 25–30 %  nižší než u NdFeB. To znamená, že k dosažení stejné hustoty toku ve vzduchové mezeře musí být magnety SmCo tlustší a těžší, což zase zasahuje do již tak těsného axiálního prostoru strojů s axiálním tokem a může dokonce zvýšit setrvačnost rotoru a ztráty vířivými proudy. SmCo je také dražší a jeho vyspělost dodavatelského řetězce a flexibilita dodávek nejsou tak dobré jako u NdFeB. Pokud tedy tepelná kontrola jasně neukáže, že 'dokonce ani NdFeB upgradovaný na EH/AH nemůže vydržet,'  použití SmCo k 'nákupu' teplotní marže je často transakce zaplacená trojnásobně v hmotnosti, ceně a hustotě výkonu..

Správné pořadí výběru: Odvozte stupeň z teploty magnetu

Aplikovatelný proces výběru magnetu pro axiální tok založený na teplotě by se měl řídit níže uvedeným pořadím, spíše než začínat od tabulky tříd.

Krok 1: Nejprve definujte chlazení a poté diskutujte o jakosti.  Metoda chlazení rotoru stroje s axiálním tokem přímo určuje 'podlahu' teploty magnetu. Chlazení vzduchem je jednoduché a má nízké parazitní ztráty, ale tepelná vodivost a měrná tepelná kapacita vzduchu jsou omezené a schopnost chlazení silně závisí na rychlosti a prostředí. Chlazení oleje je vysoce očekáváno v axiálním toku; experimentální data ukazují, že rozumné schéma chlazení oleje může snížit maximální teplotu o  15–20 °C  dále než čisté vodní chlazení, ale chlazení oleje 'odvádění tepla' se nerovná 'eliminaci tepla' Teplotní rozdíl mezi okrajem a středem struktury diskového typu může stále dosahovat  30-50 K a místní horké místo je předmětem ověření demagnetizace. Před zmrazením schématu chlazení postrádá jakýkoli výběr stupně spolehlivý předpoklad.

Krok 2: Uveďte stav zkratu do kontroly teploty.  Teplota za normálního provozu je pouze základní. Ověření demagnetizace musí pokrývat reverzní magnetické pole generované poruchou ovladače nebo zkratem vinutí a tato kontrola musí být provedena při  nejvyšší teplotě, jaké může magnet za těchto podmínek dosáhnout . Konstrukční kritérium v ​​literatuře je jednoduché: tloušťka magnetu by měla být zvolena tak, aby se zabránilo nevratné demagnetizaci po třífázovém zkratovém proudu při nejnižší teplotě. Obecněji je nutné potvrdit, že pracovní bod neklesne pod bod kolena při superpozici nejhorší teploty a nejhoršího demagnetizačního pole.

Krok 3: Pomocí 'skutečné teploty magnetu + pole demagnetizace nakrátko' zkontrolujte příponu stupně.  Pokud je teplota horkého bodu magnetu daná schématem chlazení a elektromagnetickým designem řádově  140–150 °C a pole demagnetizace zkratu není silné, může být SH zařazen do seznamu kandidátů; jakmile se horké místo přiblíží nebo překročí  160 °C , UH je spolehlivější výchozí bod; když horké místo dosáhne teploty  nad 180 °C , musí být vážně zhodnocena EH nebo ještě vyšší třídy, nebo musí být přehodnocena samotná konstrukce chlazení. Logika zde zní:  přípona není 'úroveň výkonu', ale 'úroveň schopností pro zachování bodu kolena při dané teplotě.'  Náklady na stupně s vyšší příponou (UH/EH) jsou obvykle o něco nižší remanence nebo vyšší přídavek těžkých kovů a vzácných zemin; není to pojištění zdarma.

Krok 4: Použijte segmentaci rotoru a geometrii magnetu k 'snížení zátěže' na teplotu.  Výběr magnetu není izolovaným rozhodnutím o materiálu. Ztráta vířivých proudů magnetů rotoru s axiálním tokem přímo souvisí s délkou dráhy vířivých proudů a povrchovou plochou na povrchu magnetu a segmentace permanentními magnety je účinným prostředkem ke snížení ztrát vířivými proudy a potlačení nárůstu teploty. Když již byl určen jakost a teplotní rozpětí je těsné, snížení vlastního generování tepla magnetu pomocí optimalizace segmentace je někdy ekonomičtější než pouhé zvýšení přípony jakosti o jednu úroveň, a také to více přispívá k zachování hustoty točivého momentu.

Praktická soudní linie

Pokud má být tento článek zkomprimován do jedné věty, aby se dostal do revize návrhu, je to:  jakost rotorového magnetu s axiálním tokem by neměla být 'zvolena'; měla by být 'vypočítána' — nejprve použijte podmínky chlazení a zkratu k výpočtu, jaké teploty magnet dosáhne, pak použijte tuto teplotu k vyhledání bodu kolena a nakonec se usaďte na příponu.

Pro NdFeB je  120 °C  pozorovacím bodem, ve kterém se reverzibilní rozpad začíná stávat významným, a kolem  150 °C  je oblast, kde riziko nevratné demagnetizace vstupuje do úrovně, kterou je třeba vážně ověřit. Tato dvě čísla nepředstavují 'maximální provozní teplotu' v tabulce tříd; spíše připomínají konstruktérům, že v sendvičové struktuře axiálního toku mizí teplotní rezerva rychleji než u radiálních strojů. Zacházení s teplotou jako s předmětem výběru spíše než s předmětem třídy je to, co brání tomu, aby se demagnetizace změnila z materiálového problému na systémovou mezeru ve spolehlivosti.