Axial-Flux Rotor Magnet Afmagnetisering Temperaturvalg: Temperatur er det første emne for valg

Den mest almindelige fejl i magnetvalg for aksialfluxmotorer skal starte fra karaktertabellen: se først på remanens, derefter på den maksimale driftstemperatur, og vælg en kvalitet, der er 'god nok' til at indsætte i styklisten. Men i en aksial-flux struktur er denne rækkefølge nøjagtigt omvendt. Rotormagnetens temperatur bestemmes ikke af selve magneten; det pålægges magneten af ​​topologien, afkølingen og driftsbetingelserne. Det egentlige udgangspunkt for udvælgelsen er at spørge klart:  I det værste tilfælde, hvor kortslutning, overbelastning og hot spots overlejrer sig, hvor varm bliver magneten, og kan den stadig modstå det omvendte magnetfelt ved den temperatur?

Afmagnetiseringsrisikoen ved aksial flux er 'skrevet ind i' strukturen

Salgsargumentet for aksialfluxmotorer er klart: Ved samme effekt kan vægt og aksial længde halveres sammenlignet med radialmotorer. Men denne kompakthed har en termisk pris.

I en dobbelt-stator enkelt-rotor topologi er rotoren klemt mellem to statorer, så det direkte kontaktareal mellem rotoren og luften er stærkt reduceret, og varmeafledningsvejen er i sagens natur smal. Samtidig genererer magneterne selv hvirvelstrømstab i det vekslende magnetfelt, og denne varme frigives direkte inde i permanentmagneterne. Den termiske stråling fra statorerne overlejret på rotorens selvopvarmning gør det nemt for magnettemperaturen at nærme sig eller endda krydse den farlige grænse under kontinuerlige højeffektforhold. En tilbagevendende vurdering i industrianalyser er, at sandwichstrukturen og høje effekttæthed af aksialfluxmotorer fører til ekstremt lav termisk kapacitet, hvilket gør rotormagneterne 'meget tilbøjelige til at blive overophedet'.

Derfor kan magnetvalg til aksial flux ikke blot kopiere oplevelsen af ​​radiale motorer. Intuitionen i radiale motorer, at 'rotoren afkøles gennem akslen og luften i enderne', svigter grundlæggende i en topologi af skivetypen.

Hvad der faktisk sker i afmagnetisering: Grænsen mellem reversibel og irreversibel

For at forstå udvælgelse behøver man kun at forstå to temperaturbegreber.

Reversibel afmagnetisering  er det normale 'termiske henfald' af en magnet. Når temperaturen stiger, falder remanensen lineært, og den kommer sig efter afkøling uden permanent skade. NdFeB opererer hovedsageligt i dette område under 120°C. Problemet forekommer over 120°C: hældningen af ​​reversibelt henfald bliver mere signifikant, og mere kritisk  bliver grænsen for irreversibel demagnetisering skubbet tættere på.

Det fysiske kriterium for irreversibel afmagnetisering er  knæpunktet . Afmagnetiseringskurven har et vendepunkt i anden kvadrant. Operationspunkter over knæpunktet er sikre; når et eksternt omvendt magnetfelt skubber operationspunktet under knæpunktet, kan magneten ikke vende tilbage, efter at det eksterne felt er fjernet, og remanensen lider permanent tab. Konsekvensen af ​​stigende temperatur er dobbelt: remanens falder, og samtidig  bevæger knæpunktet sig til højre (mod lavere magnetfelt) , hvilket betyder, at det samme omvendte magnetfelt er mere tilbøjeligt til at krydse knæpunktet ved høj temperatur. For NdFeB behandler ingeniørpraksis generelt  omkring 150°C som det kritiske område for irreversibel demagnetisering ; over dette niveau er risikoen for fuldstændigt tab af magnetisk ydeevne ikke længere en ubetydelig hændelse med lille sandsynlighed.

Bogstavsuffikset for en magnetgrad angiver i det væsentlige  den temperatur, hvor knæpunktet stadig kan forblive langt nok til højre . Almindelige overensstemmelser er: SH svarer til ca. 150°C, UH til 180°C, EH til 200°C og AH til 220°C. Men der er et punkt, som meget let kan læses forkert: Temperaturen angivet af suffikset er materialets temperaturmodstand under  specifikke permeancekoefficientkalibreringsbetingelser , ikke den 'maksimale driftstemperatur', som magneten automatisk opnår efter at være blevet installeret i motoren. Den samme UH-magnet kan køre kontinuerligt ved 130°C i en velafkølet prototype, men i en masseproduktionsdel med utilstrækkelig sandwichkøling, kan hotspottet stige direkte over 170°C.

Samarium Cobalt: Fallback-muligheden, men omkostningerne skal beregnes klart

Når temperaturmarginen for NdFeB virkelig er utilstrækkelig, er SmCo et uundgåeligt alternativ inden for teknik. SmCo har væsentlig højere temperaturmodstand; mange kvaliteter kan bruges i applikationer på  350°C  -niveauet, og Curie-temperaturen er også i området 700-850°C, langt højere end 310-350°C for NdFeB. I højtemperaturområdet er hældningen af ​​den irreversible demagnetiseringskurve for SmCo med temperaturen også meget fladere end for NdFeB.

Men omkostningerne til SmCo skal lægges på bordet samtidig. Dens typiske remanens er i området  0,95-1,1 T  , mens NdFeB kan nå 1,1-1,4 T; det maksimale energiprodukt er normalt  25 %-30 %  lavere end NdFeB. Dette betyder, at SmCo-magneter skal være tykkere og tungere for at opnå den samme luftgab-fluxtæthed, hvilket igen griber ind i det allerede snævre aksiale rum i aksialfluxmaskiner og kan endda øge rotorinerti og hvirvelstrømtab. SmCo er også dyrere, og dens forsyningskædemodenhed og leveringsfleksibilitet er ikke så god som NdFeB. Medmindre det termiske tjek tydeligt indikerer, at 'selv NdFeB opgraderet til EH/AH ikke kan holde',  er brug af SmCo til 'køb' temperaturmargin ofte en transaktion, der betales tre gange mere i vægt, pris og effekttæthed.

Den korrekte rækkefølge af udvælgelse: Udled karakteren ud fra magnettemperaturen

En handlingsbar temperaturbaseret magnetudvælgelsesproces for aksial flux bør følge rækkefølgen nedenfor i stedet for at starte fra karaktertabellen.

Trin 1: Definer først kølingen, og diskuter derefter karakteren.  Rotorkølemetoden i en aksialfluxmaskine bestemmer direkte 'gulvet' for magnettemperaturen. Luftkøling er enkel og har lave parasitære tab, men luftens varmeledningsevne og specifikke varmekapacitet er begrænset, og køleevnen er stærkt afhængig af hastighed og miljø. Oliekøling forventes stærkt i aksial flux; eksperimentelle data viser, at et rimeligt oliekølesystem kan reducere den maksimale temperatur med  15-20°C  længere end ren vandkøling, men oliekøling 'bære varme væk' er ikke lig med 'eliminering af varme' Temperaturforskellen mellem kanten og midten af ​​en skive-type struktur kan stadig nå  30-50 K , og den lokale hotspot er verifikationsobjektet for demagnet. Før køleordningen fryses, mangler ethvert kvalitetsvalg en pålidelig forudsætning.

Trin 2: Sæt kortslutningstilstanden i temperaturkontrollen.  Temperaturen under normal drift er kun basislinjen. Afmagnetiseringsverifikation skal dække det omvendte magnetiske felt, der genereres af en controllerfejl eller viklingskortslutning, og denne kontrol skal udføres ved  den højeste temperatur, magneten kan nå under denne tilstand . Designkriteriet i litteraturen er ligetil: Magnettykkelsen bør vælges for at undgå irreversibel afmagnetisering efter en trefaset kortslutningsstrøm ved den laveste temperatur. Mere generelt er det nødvendigt at bekræfte, at operationspunktet ikke falder under knæpunktet ved overlejring af den værste temperatur og det værste afmagnetiseringsfelt.

Trin 3: Brug 'faktisk magnettemperatur + kortslutningsafmagnetiseringsfelt' for at kontrollere karaktersuffikset.  Hvis magnet-hot-spot-temperaturen givet af køleskemaet og det elektromagnetiske design er i størrelsesordenen  140-150°C , og kortslutningsafmagnetiseringsfeltet ikke er alvorligt, kan SH komme ind på kandidatlisten; når hot spot nærmer sig eller overstiger  160°C , er UH et mere pålideligt udgangspunkt; når hot spot når  over 180°C , skal EH eller endnu højere kvaliteter vurderes seriøst, eller selve køledesignet skal genovervejes. Logikken her er:  suffikset er ikke et 'ydeevneniveau' men et 'evneniveau til at bevare knæpunktet ved en given temperatur.'  Omkostningerne ved højere suffikskvaliteter (UH/EH) er normalt lidt lavere remanens eller en højere tung-sjældne jordarters tilføjelse; det er ikke gratis forsikring.

Trin 4: Brug rotorsegmentering og magnetgeometri til at 'lette belastningen' på temperaturen.  Magnetvalg er ikke en isoleret materialebeslutning. Hvirvelstrømstabet af aksialfluxrotormagneter er direkte relateret til hvirvelstrømsvejlængden og overfladearealet på magnetoverfladen, og permanentmagnetsegmentering er et effektivt middel til at reducere hvirvelstrømtab og undertrykke temperaturstigning. Når karakteren allerede er bestemt, og temperaturmarginen er stram, er det nogle gange mere økonomisk at reducere magnetens egen varmegenerering gennem segmenteringsoptimering end blot at hæve karaktersuffikset et niveau, og det er også mere befordrende for at bevare momenttætheden.

En praktisk vurderingslinje

Hvis denne artikel skal komprimeres til én sætning for at bringe ind i en designgennemgang, er det:  karakteren af ​​en aksialflux rotormagnet bør ikke 'vælges'; det skal 'beregnes'—brug først afkølings- og kortslutningsbetingelserne til at beregne, hvilken temperatur magneten vil nå, brug derefter den temperatur til at slå knæpunktet op og til sidst bestemme sig for suffikset.

For NdFeB er  120°C  det observationspunkt, hvor reversibelt henfald begynder at blive signifikant, og omkring  150°C  er det område, hvor irreversibel demagnetiseringsrisiko kommer ind på det niveau, der skal verificeres seriøst. Disse to tal er ikke den 'maksimale driftstemperatur' i karaktertabellen; snarere minder de designere om, at i sandwichstrukturen af ​​aksial flux forsvinder temperaturmarginen hurtigere end i radiale maskiner. At behandle temperatur som genstand for udvælgelse snarere end objektet for karakteren er det, der forhindrer demagnetisering i at blive fra et materielt problem til et systemisk pålidelighedsgab.