Επιλογή θερμοκρασίας απομαγνήτισης μαγνήτη ρότορα αξονικής ροής: Η θερμοκρασία είναι το πρώτο θέμα επιλογής

Το πιο συνηθισμένο λάθος στην επιλογή μαγνήτη για Οι κινητήρες αξονικής ροής πρέπει να ξεκινούν από τον πίνακα βαθμών: πρώτα κοιτάξτε το remanence, μετά τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας και επιλέξτε έναν βαθμό που είναι 'αρκετά καλός' για να τον τοποθετήσετε στο BOM. Αλλά σε μια δομή αξονικής ροής, αυτή η σειρά αντιστρέφεται ακριβώς. Η θερμοκρασία του μαγνήτη του ρότορα δεν καθορίζεται από τον ίδιο τον μαγνήτη. επιβάλλεται στον μαγνήτη από την τοπολογία, την ψύξη και τις συνθήκες λειτουργίας. Το πραγματικό σημείο εκκίνησης της επιλογής είναι να αναρωτηθεί κανείς ξεκάθαρα:  στη χειρότερη περίπτωση στην οποία υπερτίθενται το βραχυκύκλωμα, η υπερφόρτωση και τα θερμά σημεία, πόσο ζεστός θα γίνει ο μαγνήτης και μπορεί να αντέξει ακόμα το αντίστροφο μαγνητικό πεδίο σε αυτή τη θερμοκρασία;

Ο κίνδυνος απομαγνητισμού της αξονικής ροής είναι 'γραμμένος' στη δομή

Το σημείο πώλησης των κινητήρων αξονικής ροής είναι σαφές: με την ίδια ισχύ, το βάρος και το αξονικό μήκος μπορούν να μειωθούν στο μισό σε σύγκριση με τους ακτινωτούς κινητήρες. Αλλά αυτή η συμπαγή συνεπάγεται θερμικό κόστος.

Σε μια τοπολογία μονού ρότορα διπλού στάτορα, ο ρότορας βρίσκεται ανάμεσα σε δύο στάτορες, έτσι η περιοχή άμεσης επαφής μεταξύ του ρότορα και του αέρα μειώνεται σημαντικά και η διαδρομή απαγωγής θερμότητας είναι εγγενώς στενή. Ταυτόχρονα, οι ίδιοι οι μαγνήτες δημιουργούν απώλειες δινορευμάτων στο εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο και αυτή η θερμότητα απελευθερώνεται απευθείας μέσα στους μόνιμους μαγνήτες. Η θερμική ακτινοβολία από τους στάτορες που υπερτίθενται στην αυτοθέρμανση του ρότορα διευκολύνει τη θερμοκρασία του μαγνήτη να πλησιάσει ή ακόμη και να διασχίσει το επικίνδυνο όριο υπό συνεχείς συνθήκες υψηλής ισχύος. Μια επαναλαμβανόμενη κρίση στις αναλύσεις της βιομηχανίας είναι ότι η δομή σάντουιτς και η υψηλή πυκνότητα ισχύος των κινητήρων αξονικής ροής οδηγούν σε εξαιρετικά χαμηλή θερμική χωρητικότητα, καθιστώντας τους μαγνήτες του ρότορα 'υψηλά επιρρεπείς σε υπερθέρμανση'.

Επομένως, η επιλογή μαγνήτη για αξονική ροή δεν μπορεί απλώς να αντιγράψει την εμπειρία των ακτινωτών κινητήρων. Η διαίσθηση στους ακτινωτούς κινητήρες ότι 'ο ρότορας ψύχεται μέσω του άξονα και ο αέρας στα άκρα' βασικά αποτυγχάνει σε μια τοπολογία τύπου δίσκου.

Τι συμβαίνει στην πραγματικότητα στον απομαγνητισμό: Το όριο μεταξύ αναστρέψιμου και μη αναστρέψιμου

Για να κατανοήσει κανείς την επιλογή, χρειάζεται μόνο να κατανοήσει δύο έννοιες θερμοκρασίας.

Ο αναστρέψιμος απομαγνητισμός  είναι η κανονική «θερμική διάσπαση» ενός μαγνήτη. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η παραμονή μειώνεται γραμμικά και επανέρχεται μετά την ψύξη, χωρίς μόνιμη ζημιά. Το NdFeB λειτουργεί κυρίως σε αυτό το εύρος κάτω από 120°C. Το πρόβλημα εμφανίζεται πάνω από 120°C: η κλίση της αναστρέψιμης αποσύνθεσης γίνεται πιο σημαντική και πιο κρίσιμο,  το όριο της μη αναστρέψιμης απομαγνήτισης ωθείται πιο κοντά.

Το φυσικό κριτήριο για τον μη αναστρέψιμο απομαγνητισμό είναι το  σημείο του γόνατος . Η καμπύλη απομαγνητισμού έχει σημείο καμπής στο δεύτερο τεταρτημόριο. Τα σημεία λειτουργίας πάνω από το σημείο του γονάτου είναι ασφαλή. Μόλις ένα εξωτερικό αντίστροφο μαγνητικό πεδίο ωθήσει το σημείο λειτουργίας κάτω από το σημείο του γόνατος, ο μαγνήτης δεν μπορεί να επιστρέψει μετά την αφαίρεση του εξωτερικού πεδίου και το υπόλειμμα υφίσταται μόνιμη απώλεια. Η συνέπεια της αύξησης της θερμοκρασίας είναι διπλή: η παραμονή μειώνεται και ταυτόχρονα  το σημείο του γονάτου μετακινείται προς τα δεξιά (προς το χαμηλότερο μαγνητικό πεδίο) , που σημαίνει ότι το ίδιο αντίστροφο μαγνητικό πεδίο είναι πιο πιθανό να διασχίσει το σημείο του γονάτου σε υψηλή θερμοκρασία. Για το NdFeB, η πρακτική της μηχανικής γενικά αντιμετωπίζει  περίπου τους 150°C ως την κρίσιμη περιοχή για μη αναστρέψιμο απομαγνητισμό . πάνω από αυτό το επίπεδο, ο κίνδυνος πλήρους απώλειας μαγνητικής απόδοσης δεν είναι πλέον ένα αμελητέα μικρής πιθανότητας γεγονός.

Το επίθημα γράμματος ενός βαθμού μαγνήτη ουσιαστικά προσδιορίζει  τη θερμοκρασία στην οποία το σημείο του γονάτου μπορεί να παραμείνει αρκετά μακριά προς τα δεξιά . Οι συνήθεις αντιστοιχίες είναι: Το SH αντιστοιχεί σε περίπου 150°C, το UH στους 180°C, το EH στους 200°C και το ΑΗ στους 220°C. Υπάρχει όμως ένα σημείο που διαβάζεται πολύ εύκολα: η θερμοκρασία που υποδεικνύεται από το επίθημα είναι η αντίσταση θερμοκρασίας του υλικού υπό  συγκεκριμένες συνθήκες βαθμονόμησης συντελεστή διαπερατότητας , όχι η 'μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας' που αποκτά αυτόματα ο μαγνήτης μετά την εγκατάσταση στον κινητήρα. Ο ίδιος μαγνήτης UH μπορεί να λειτουργεί συνεχώς στους 130°C σε ένα καλά ψυχόμενο πρωτότυπο, αλλά σε ένα τμήμα μαζικής παραγωγής με ανεπαρκή ψύξη σάντουιτς, το hot spot μπορεί να ξεπεράσει τους 170°C απευθείας.

Samarium Cobalt: Η εναλλακτική επιλογή, αλλά το κόστος πρέπει να υπολογιστεί ξεκάθαρα

Όταν το περιθώριο θερμοκρασίας του NdFeB είναι πραγματικά ανεπαρκές, το SmCo είναι μια αναπόφευκτη εναλλακτική λύση στη μηχανική. Το SmCo έχει σημαντικά υψηλότερη αντοχή στη θερμοκρασία. πολλές ποιότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές σε επίπεδο  350°C  και η θερμοκρασία Κιουρί είναι επίσης στην περιοχή 700–850°C, πολύ υψηλότερη από τους 310–350°C του NdFeB. Στην περιοχή υψηλής θερμοκρασίας, η κλίση της καμπύλης μη αναστρέψιμης απομαγνήτισης του SmCo με τη θερμοκρασία είναι επίσης πολύ πιο επίπεδη από αυτή του NdFeB.

Αλλά το κόστος της SmCo πρέπει να τεθεί ταυτόχρονα στο τραπέζι. Η τυπική παραμονή του είναι στην περιοχή  0,95–1,1 T  , ενώ το NdFeB μπορεί να φτάσει τους 1,1–1,4 T. το μέγιστο ενεργειακό προϊόν είναι συνήθως  25%-30%  χαμηλότερο από αυτό του NdFeB. Αυτό σημαίνει ότι για να επιτευχθεί η ίδια πυκνότητα ροής διάκενου αέρα, οι μαγνήτες SmCo πρέπει να είναι παχύτεροι και βαρύτεροι, γεγονός που με τη σειρά του καταπατάει τον ήδη στενό αξονικό χώρο των μηχανών αξονικής ροής και μπορεί ακόμη και να αυξήσει την αδράνεια του ρότορα και τις απώλειες δινορευμάτων. Η SmCo είναι επίσης πιο ακριβή και η ωριμότητα της αλυσίδας εφοδιασμού και η ευελιξία παράδοσης δεν είναι τόσο καλές όσο αυτές του NdFeB. Επομένως, εκτός εάν ο θερμικός έλεγχος υποδεικνύει ξεκάθαρα ότι 'ακόμη και το NdFeB που έχει αναβαθμιστεί σε EH/AH δεν μπορεί να κρατήσει',  η χρήση της SmCo για 'αγορά' περιθωρίου θερμοκρασίας είναι συχνά μια συναλλαγή που πληρώνεται τρεις φορές σε βάρος, κόστος και πυκνότητα ισχύος.

Η σωστή σειρά επιλογής: Συμπερασματικά ο βαθμός από τη θερμοκρασία μαγνήτη

Μια ενεργή διαδικασία επιλογής μαγνητών με βάση τη θερμοκρασία για αξονική ροή θα πρέπει να ακολουθεί την παρακάτω σειρά, αντί να ξεκινά από τον πίνακα βαθμών.

Βήμα 1: Καθορίστε πρώτα την ψύξη και μετά συζητήστε τον βαθμό.  Η μέθοδος ψύξης του ρότορα μιας μηχανής αξονικής ροής καθορίζει άμεσα το 'πάτωμα' της θερμοκρασίας του μαγνήτη. Η ψύξη του αέρα είναι απλή και έχει χαμηλές παρασιτικές απώλειες, αλλά η θερμική αγωγιμότητα και η ειδική θερμική ικανότητα του αέρα είναι περιορισμένες και η ικανότητα ψύξης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα και το περιβάλλον. Η ψύξη λαδιού είναι πολύ αναμενόμενη στην αξονική ροή. πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι ένα λογικό σύστημα ψύξης λαδιού μπορεί να μειώσει τη μέγιστη θερμοκρασία κατά  15–20°C  περισσότερο από την ψύξη καθαρού νερού, αλλά η ψύξη λαδιού 'μεταφορά θερμότητας' δεν ισούται με 'εξάλειψη θερμότητας'. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της άκρης και του κέντρου μιας δομής τύπου δίσκου μπορεί ακόμα να φτάσει  τους 30-50 K , και το αντικείμενο της τοπικής απομάκρυνσης του δικτύου είναι η απομάκρυνση της θερμότητας. Προτού παγώσει το σύστημα ψύξης, οποιαδήποτε επιλογή βαθμού δεν διαθέτει αξιόπιστη προϋπόθεση.

Βήμα 2: Βάλτε την κατάσταση βραχυκυκλώματος στον έλεγχο θερμοκρασίας.  Η θερμοκρασία υπό κανονική λειτουργία είναι μόνο η βασική γραμμή. Η επαλήθευση απομαγνητισμού πρέπει να καλύπτει το αντίστροφο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από σφάλμα ελεγκτή ή βραχυκύκλωμα περιέλιξης και αυτός ο έλεγχος πρέπει να εκτελείται στην  υψηλότερη θερμοκρασία που μπορεί να φτάσει ο μαγνήτης υπό αυτήν την κατάσταση . Το κριτήριο σχεδιασμού στη βιβλιογραφία είναι απλό: το πάχος του μαγνήτη θα πρέπει να επιλέγεται για να αποφευχθεί ο μη αναστρέψιμος απομαγνητισμός μετά από ένα τριφασικό ρεύμα βραχυκυκλώματος στη χαμηλότερη θερμοκρασία. Γενικότερα, είναι απαραίτητο να επιβεβαιωθεί ότι το σημείο λειτουργίας δεν πέφτει κάτω από το σημείο του γόνατου στην υπέρθεση της χειρότερης θερμοκρασίας και του χειρότερου πεδίου απομαγνήτισης.

Βήμα 3: Χρησιμοποιήστε 'πραγματική θερμοκρασία μαγνήτη + πεδίο απομαγνήτισης βραχυκυκλώματος' για να ελέγξετε το επίθημα βαθμού.  Εάν η θερμοκρασία θερμού σημείου μαγνήτη που δίνεται από το σχήμα ψύξης και τον ηλεκτρομαγνητικό σχεδιασμό είναι της τάξης των  140–150°C και το πεδίο απομαγνήτισης βραχυκυκλώματος δεν είναι σοβαρό, το SH μπορεί να εισέλθει στη λίστα υποψηφίων. Μόλις το hot spot πλησιάσει ή ξεπεράσει  τους 160°C , το UH είναι πιο αξιόπιστο σημείο εκκίνησης. όταν το hot spot φτάσει  πάνω από τους 180°C , το EH ή ακόμη υψηλότεροι βαθμοί πρέπει να αξιολογηθούν σοβαρά ή να επανεξεταστεί ο ίδιος ο σχεδιασμός ψύξης. Η λογική εδώ είναι:  το επίθημα δεν είναι 'επίπεδο απόδοσης', αλλά 'επίπεδο ικανότητας για τη διατήρηση του σημείου του γόνατος σε μια δεδομένη θερμοκρασία'  Το κόστος των βαθμών υψηλότερης κατάληξης (UH/EH) είναι συνήθως ελαφρώς χαμηλότερη παραμονή ή υψηλότερη προσθήκη βαρέων γαιών. δεν είναι δωρεάν ασφάλιση.

Βήμα 4: Χρησιμοποιήστε τμηματοποίηση ρότορα και γεωμετρία μαγνήτη για να 'ελαφρύνετε το φορτίο' στη θερμοκρασία.  Η επιλογή μαγνήτη δεν είναι μια μεμονωμένη υλική απόφαση. Η απώλεια δινορευμάτων των μαγνητών του ρότορα αξονικής ροής σχετίζεται άμεσα με το μήκος της διαδρομής δινορρευμάτων και την επιφάνεια στην επιφάνεια του μαγνήτη και η τμηματοποίηση μόνιμου μαγνήτη είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για τη μείωση της απώλειας δινορεύματος και την καταστολή της αύξησης της θερμοκρασίας. Όταν ο βαθμός έχει ήδη καθοριστεί και το περιθώριο θερμοκρασίας είναι περιορισμένο, η μείωση της παραγωγής θερμότητας του ίδιου του μαγνήτη μέσω της βελτιστοποίησης κατάτμησης είναι μερικές φορές πιο οικονομική από την απλή αύξηση του επιθέματος βαθμού κατά ένα επίπεδο και είναι επίσης πιο ευνοϊκή για τη διατήρηση της πυκνότητας ροπής.

Μια πρακτική γραμμή κρίσης

Εάν αυτό το άρθρο πρόκειται να συμπιεστεί σε μία πρόταση για να τεθεί σε μια αναθεώρηση σχεδίασης, είναι:  ο βαθμός ενός μαγνήτη ρότορα αξονικής ροής δεν πρέπει να 'επιλεγεί'? θα πρέπει να 'υπολογιστεί'—πρώτα χρησιμοποιήστε τις συνθήκες ψύξης και βραχυκυκλώματος για να υπολογίσετε τη θερμοκρασία που θα φτάσει ο μαγνήτης, στη συνέχεια χρησιμοποιήστε αυτήν τη θερμοκρασία για να αναζητήσετε το σημείο του γονάτου και, τέλος, εγκαταστήστε το επίθημα.

Για το NdFeB,  οι 120°C  είναι το σημείο παρατήρησης στο οποίο η αναστρέψιμη αποσύνθεση αρχίζει να γίνεται σημαντική και περίπου οι  150°C  είναι η περιοχή όπου ο μη αναστρέψιμος κίνδυνος απομαγνήτισης εισέρχεται στο επίπεδο που πρέπει να επαληθευτεί σοβαρά. Αυτοί οι δύο αριθμοί δεν είναι η 'μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας' στον πίνακα βαθμών. Μάλλον, υπενθυμίζουν στους σχεδιαστές ότι στη δομή σάντουιτς της αξονικής ροής, το περιθώριο θερμοκρασίας εξαφανίζεται ταχύτερα από ό,τι στις ακτινικές μηχανές. Η αντιμετώπιση της θερμοκρασίας ως θέμα επιλογής και όχι ως αντικείμενο του βαθμού είναι αυτό που εμποδίζει τον απομαγνητισμό να μετατραπεί από ένα πρόβλημα υλικού σε ένα συστημικό κενό αξιοπιστίας.