Auswahl der Entmagnetisierungstemperatur für Axialflussrotormagnete: Die Temperatur ist das erste Thema der Auswahl

Der häufigste Fehler bei der Magnetauswahl für Bei Axialflussmotoren beginnt man mit der Sortentabelle: Betrachten Sie zunächst die Remanenz, dann die maximale Betriebstemperatur und wählen Sie eine Sorte aus, die „gut genug“ ist, um in die Stückliste aufgenommen zu werden. In einer Axialflussstruktur ist diese Reihenfolge jedoch genau umgekehrt. Die Temperatur des Rotormagneten wird nicht durch den Magneten selbst bestimmt; Sie wird dem Magneten durch die Topologie, die Kühlung und die Betriebsbedingungen auferlegt. Der eigentliche Ausgangspunkt der Auswahl besteht darin, sich klar zu fragen:  Wie heiß wird der Magnet im schlimmsten Fall, in dem sich Kurzschluss, Überlastung und Hotspots überlagern, und kann er dem umgekehrten Magnetfeld bei dieser Temperatur noch standhalten?

Das Entmagnetisierungsrisiko des Axialflusses ist in die Struktur „eingeschrieben“.

Das Verkaufsargument von Axialflussmotoren ist klar: Bei gleicher Leistung können Gewicht und axiale Länge im Vergleich zu Radialmotoren halbiert werden. Doch diese Kompaktheit hat ihren Preis.

Bei einer Doppelstator-Einzelrotor-Topologie ist der Rotor zwischen zwei Statoren eingebettet, sodass die direkte Kontaktfläche zwischen Rotor und Luft stark reduziert wird und der Wärmeableitungspfad von Natur aus schmal ist. Gleichzeitig erzeugen die Magnete selbst Wirbelstromverluste im magnetischen Wechselfeld, die direkt im Inneren der Permanentmagnete freigesetzt werden. Die Wärmestrahlung der Statoren, die sich mit der Eigenerwärmung des Rotors überlagert, führt dazu, dass sich die Magnettemperatur unter kontinuierlichen Hochleistungsbedingungen leicht der gefährlichen Grenze nähert oder diese sogar überschreitet. Ein in Industrieanalysen immer wiederkehrendes Urteil ist, dass die Sandwichstruktur und die hohe Leistungsdichte von Axialflussmotoren zu einer extrem geringen Wärmekapazität führen, was die Rotormagnete „sehr anfällig für Überhitzung“ macht.

Daher kann die Magnetauswahl für den Axialfluss nicht einfach die Erfahrung von Radialmotoren kopieren. Die Intuition bei Radialmotoren, dass „der Rotor durch die Welle und die Luft an den Enden gekühlt wird“, versagt bei einer Scheibentopologie grundsätzlich.

Was tatsächlich bei der Entmagnetisierung passiert: Die Grenze zwischen reversibel und irreversibel

Um die Auswahl zu verstehen, muss man nur zwei Temperaturkonzepte verstehen.

Reversible Entmagnetisierung  ist der normale „thermische Zerfall“ eines Magneten. Mit steigender Temperatur nimmt die Remanenz linear ab und erholt sich nach dem Abkühlen ohne bleibende Schäden. NdFeB arbeitet hauptsächlich in diesem Bereich unterhalb von 120 °C. Oberhalb von 120 °C tritt das Problem auf: Die Steigung des reversiblen Zerfalls wird bedeutender und, was noch wichtiger ist,  die Grenze der irreversiblen Entmagnetisierung rückt näher.

Das physikalische Kriterium für eine irreversible Entmagnetisierung ist der  Kniepunkt . Die Entmagnetisierungskurve weist im zweiten Quadranten einen Wendepunkt auf. Arbeitspunkte oberhalb des Kniepunktes sind sicher; Sobald ein externes umgekehrtes Magnetfeld den Arbeitspunkt unter den Kniepunkt verschiebt, kann der Magnet nach Entfernung des externen Feldes nicht mehr zurückkehren und die Remanenz geht dauerhaft verloren. Die steigende Temperatur hat zwei Konsequenzen: Die Remanenz nimmt ab und gleichzeitig  verschiebt sich der Kniepunkt nach rechts (in Richtung eines niedrigeren Magnetfelds) , was bedeutet, dass das gleiche umgekehrte Magnetfeld bei hoher Temperatur eher den Kniepunkt durchquert. Für NdFeB geht die technische Praxis im Allgemeinen  von etwa 150 °C als kritischem Bereich für eine irreversible Entmagnetisierung aus ; Oberhalb dieses Werts ist das Risiko eines vollständigen Verlusts der magnetischen Leistung kein vernachlässigbares Ereignis mit geringer Wahrscheinlichkeit mehr.

Der Buchstabenzusatz einer Magnetsorte gibt im Wesentlichen  die Temperatur an, bei der der Kniepunkt noch weit genug rechts bleiben kann . Übliche Entsprechungen sind: SH entspricht etwa 150 °C, UH entspricht 180 °C, EH entspricht 200 °C und AH entspricht 220 °C. Es gibt jedoch einen Punkt, der sehr leicht missverstanden wird: Die durch das Suffix angegebene Temperatur ist die Temperaturbeständigkeit des Materials unter  bestimmten Kalibrierungsbedingungen des Permeanzkoeffizienten und nicht die „maximale Betriebstemperatur“, die der Magnet nach dem Einbau in den Motor automatisch erreicht. Derselbe UH-Magnet kann in einem gut gekühlten Prototyp kontinuierlich bei 130 °C laufen, aber in einem Massenproduktionsteil mit unzureichender Sandwich-Kühlung kann der Hotspot direkt auf über 170 °C ansteigen.

Samarium-Kobalt: Die Alternative, aber die Kosten müssen klar kalkuliert werden

Wenn der Temperaturspielraum von NdFeB wirklich nicht ausreicht, ist SmCo in der Technik eine unvermeidliche Alternative. SmCo weist eine deutlich höhere Temperaturbeständigkeit auf; Viele Qualitäten können für Anwendungen im Temperaturbereich von  350 °C verwendet werden  , und die Curie-Temperatur liegt ebenfalls im Bereich von 700–850 °C und liegt damit weit über den 310–350 °C von NdFeB. Im Hochtemperaturbereich ist auch die Steigung der irreversiblen Entmagnetisierungskurve von SmCo mit der Temperatur viel flacher als die von NdFeB.

Aber gleichzeitig müssen die Kosten für SmCo auf den Tisch gelegt werden. Seine typische Remanenz liegt im Bereich  von 0,95–1,1 T  , während NdFeB 1,1–1,4 T erreichen kann; Das maximale Energieprodukt ist normalerweise  25–30 %  niedriger als das von NdFeB. Das bedeutet, dass SmCo-Magnete dicker und schwerer sein müssen, um die gleiche Luftspalt-Flussdichte zu erreichen, was wiederum den bereits engen axialen Raum von Axialflussmaschinen beeinträchtigt und sogar die Rotorträgheit und Wirbelstromverluste erhöhen kann. SmCo ist außerdem teurer und seine Lieferkettenreife und Lieferflexibilität sind nicht so gut wie die von NdFeB. Daher ist die Verwendung von SmCo zum „Kauf“ der Temperaturspanne oft eine Transaktion, die dreimal so viel Gewicht, Kosten und Leistungsdichte kostet, es sei denn, die thermische Prüfung zeigt eindeutig, dass „selbst auf EH/AH aufgerüstetes NdFeB nicht halten kann“  ..

Die richtige Auswahlreihenfolge: Den Grad aus der Magnettemperatur ableiten

Ein umsetzbarer temperaturbasierter Magnetauswahlprozess für den Axialfluss sollte der folgenden Reihenfolge folgen und nicht von der Sortentabelle ausgehen.

Schritt 1: Definieren Sie zunächst die Kühlung und besprechen Sie dann die Qualität.  Die Rotorkühlungsmethode einer Axialflussmaschine bestimmt direkt die „Untergrenze“ der Magnettemperatur. Die Luftkühlung ist einfach und weist geringe parasitäre Verluste auf, allerdings sind die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität der Luft begrenzt und die Kühlleistung hängt stark von der Geschwindigkeit und der Umgebung ab. Im Axialfluss ist eine Ölkühlung in hohem Maße zu erwarten; Experimentelle Daten zeigen, dass ein vernünftiges Ölkühlungsschema die Maximaltemperatur um  15–20 °C  weiter senken kann als eine reine Wasserkühlung, aber Ölkühlung „Wärme abführen“ ist nicht gleichbedeutend mit „Wärmeableitung“. Der Temperaturunterschied zwischen dem Rand und der Mitte einer scheibenförmigen Struktur kann immer noch  30–50 K erreichen , und der lokale Hotspot ist Gegenstand der Entmagnetisierungsüberprüfung. Bevor das Kühlschema eingefroren wird, mangelt es bei der Sortenauswahl an einer verlässlichen Prämisse.

Schritt 2: Berücksichtigen Sie den Kurzschlusszustand in der Temperaturprüfung.  Die Temperatur im Normalbetrieb ist nur der Basiswert. Die Überprüfung der Entmagnetisierung muss das umgekehrte Magnetfeld abdecken, das durch einen Controllerfehler oder einen Wicklungskurzschluss erzeugt wird, und diese Prüfung muss bei  der höchsten Temperatur durchgeführt werden, die der Magnet unter dieser Bedingung erreichen kann . Das Designkriterium in der Literatur ist einfach: Die Magnetdicke sollte so gewählt werden, dass eine irreversible Entmagnetisierung nach einem dreiphasigen Kurzschlussstrom bei niedrigster Temperatur vermieden wird. Generell muss sichergestellt werden, dass der Betriebspunkt bei der Überlagerung der schlechtesten Temperatur und des schlechtesten Entmagnetisierungsfelds nicht unter den Kniepunkt fällt.

Schritt 3: Verwenden Sie „tatsächliche Magnettemperatur + Kurzschluss-Entmagnetisierungsfeld“, um das Sortensuffix zu überprüfen.  Wenn die durch das Kühlschema und das elektromagnetische Design vorgegebene Hotspot-Temperatur des Magneten in der Größenordnung von  140–150 °C liegt und das Kurzschluss-Entmagnetisierungsfeld nicht schwerwiegend ist, kann SH in die Kandidatenliste aufgenommen werden; Sobald der Hotspot  160 °C erreicht oder überschreitet , ist UH ein zuverlässigerer Ausgangspunkt; Wenn der Hotspot eine Temperatur  von über 180 °C erreicht , müssen EH- oder noch höhere Klassen ernsthaft geprüft werden, oder das Kühldesign selbst muss überdacht werden. Die Logik hier ist:  Das Suffix ist kein „Leistungsniveau“, sondern ein „Fähigkeitsniveau zur Erhaltung des Kniepunkts bei einer bestimmten Temperatur“.  Die Kosten für Qualitäten mit höherem Suffix (UH/EH) sind in der Regel eine etwas geringere Remanenz oder ein höherer Zusatz an schweren Seltenen Erden; Es handelt sich nicht um eine kostenlose Versicherung.

Schritt 4: Verwenden Sie die Rotorsegmentierung und die Magnetgeometrie, um die Temperatur zu entlasten.  Die Magnetauswahl ist keine isolierte Materialentscheidung. Der Wirbelstromverlust von Rotormagneten mit axialem Fluss steht in direktem Zusammenhang mit der Länge des Wirbelstrompfads und der Oberfläche auf der Magnetoberfläche. Die Segmentierung von Permanentmagneten ist ein wirksames Mittel zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten und zur Unterdrückung eines Temperaturanstiegs. Wenn die Sorte bereits bestimmt wurde und der Temperaturspielraum eng ist, ist die Reduzierung der eigenen Wärmeerzeugung des Magneten durch Segmentierungsoptimierung manchmal wirtschaftlicher als die einfache Erhöhung des Sortensuffixes um eine Stufe und trägt auch besser zur Erhaltung der Drehmomentdichte bei.

Eine praktische Urteilslinie

Wenn dieser Artikel in einen Satz zusammengefasst werden soll, um ihn in eine Entwurfsüberprüfung einzubeziehen, lautet er:  Die Qualität eines Axialflussrotormagneten sollte nicht „ausgewählt“ werden; es sollte „berechnet“ werden – zuerst anhand der Abkühlungs- und Kurzschlussbedingungen berechnen, welche Temperatur der Magnet erreichen wird, dann anhand dieser Temperatur den Kniepunkt ermitteln und schließlich das Suffix festlegen.

Für NdFeB ist  120 °C  der Beobachtungspunkt, an dem der reversible Zerfall signifikant zu werden beginnt, und etwa  150 °C  ist der Bereich, in dem das Risiko einer irreversiblen Entmagnetisierung ein Niveau erreicht, das ernsthaft überprüft werden muss. Diese beiden Zahlen stellen nicht die „maximale Betriebstemperatur“ in der Sortentabelle dar; Vielmehr erinnern sie die Konstrukteure daran, dass in der Sandwichstruktur mit axialem Fluss der Temperaturspielraum schneller verschwindet als in radialen Maschinen. Die Behandlung der Temperatur als Gegenstand der Auswahl und nicht als Gegenstand der Güteklasse verhindert, dass sich die Entmagnetisierung von einem Materialproblem in eine systemische Zuverlässigkeitslücke verwandelt.