Selección de temperatura de desmagnetización del imán del rotor de flujo axial: la temperatura es el primer tema de selección

El error más común en la selección de imanes para motores de flujo axial es comenzar con la tabla de calidades: primero observe la remanencia, luego la temperatura máxima de funcionamiento y elija una calidad que sea 'suficientemente buena' para incluirla en la lista de materiales. Pero en una estructura de flujo axial, este orden es exactamente inverso. La temperatura del imán del rotor no está determinada por el propio imán; viene impuesto sobre el imán por la topología, el enfriamiento y las condiciones de funcionamiento. El verdadero punto de partida de la selección es preguntar claramente:  en el peor de los casos en el que se superpongan cortocircuito, sobrecarga y puntos calientes, ¿qué tan caliente se calentará el imán? ¿Podrá aún resistir el campo magnético inverso a esa temperatura?

El riesgo de desmagnetización del flujo axial está 'escrito en' la estructura

La ventaja de los motores de flujo axial es clara: con la misma potencia, el peso y la longitud axial se pueden reducir a la mitad en comparación con los motores radiales. Pero esta compacidad tiene un coste térmico.

En una topología de un solo rotor con doble estator, el rotor está intercalado entre dos estatores, por lo que el área de contacto directo entre el rotor y el aire se reduce considerablemente y la ruta de disipación de calor es inherentemente estrecha. Al mismo tiempo, los propios imanes generan pérdidas por corrientes parásitas en el campo magnético alterno y este calor se libera directamente dentro de los imanes permanentes. La radiación térmica de los estatores superpuesta al autocalentamiento del rotor facilita que la temperatura del imán se acerque o incluso cruce el límite peligroso en condiciones continuas de alta potencia. Un juicio recurrente en los análisis de la industria es que la estructura tipo sándwich y la alta densidad de potencia de los motores de flujo axial conducen a una capacidad térmica extremadamente baja, lo que hace que los imanes del rotor sean 'muy propensos al sobrecalentamiento'.

Por lo tanto, la selección de imanes para el flujo axial no puede simplemente copiar la experiencia de los motores radiales. La intuición en los motores radiales de que 'el rotor se enfría a través del eje y el aire en los extremos' básicamente falla en una topología de tipo disco.

Lo que realmente sucede en la desmagnetización: el límite entre lo reversible y lo irreversible

Para comprender la selección, sólo es necesario comprender dos conceptos de temperatura.

La desmagnetización reversible  es la 'desintegración térmica' normal de un imán. A medida que aumenta la temperatura, la remanencia disminuye linealmente y se recupera después del enfriamiento, sin daños permanentes. NdFeB opera principalmente en este rango por debajo de 120°C. El problema aparece por encima de los 120°C: la pendiente de la desintegración reversible se vuelve más significativa y, lo que es más crítico,  el límite de la desmagnetización irreversible se acerca..

El criterio físico para una desmagnetización irreversible es el  punto de rodilla . La curva de desmagnetización tiene un punto de inflexión en el segundo cuadrante. Los puntos de operación por encima del punto de rodilla son seguros; una vez que un campo magnético inverso externo empuja el punto de operación por debajo del punto de inflexión, el imán no puede regresar después de que se elimina el campo externo y la remanencia sufre una pérdida permanente. La consecuencia del aumento de temperatura es doble: la remanencia disminuye y, al mismo tiempo,  el punto de inflexión se mueve hacia la derecha (hacia un campo magnético inferior) , lo que significa que es más probable que el mismo campo magnético inverso cruce el punto de inflexión a alta temperatura. Para NdFeB, la práctica de ingeniería generalmente considera  alrededor de 150°C como la región crítica para la desmagnetización irreversible ; por encima de este nivel, el riesgo de pérdida total del rendimiento magnético ya no es un evento despreciable y de pequeña probabilidad.

El sufijo de la letra de una calidad de imán especifica básicamente  la temperatura a la que el punto de flexión aún puede permanecer lo suficientemente a la derecha . Las correspondencias comunes son: SH corresponde a aproximadamente 150°C, UH a 180°C, EH a 200°C y AH a 220°C. Pero hay un punto que es muy fácil de malinterpretar: la temperatura indicada por el sufijo es la resistencia a la temperatura del material bajo  condiciones específicas de calibración del coeficiente de permeancia , no la 'temperatura máxima de funcionamiento' que el imán obtiene automáticamente después de instalarse en el motor. El mismo imán UH puede funcionar continuamente a 130°C en un prototipo bien refrigerado, pero en una pieza de producción en masa con refrigeración tipo sándwich insuficiente, el punto caliente puede superar directamente los 170°C.

Samario-cobalto: la opción alternativa, pero el costo debe calcularse claramente

Cuando el margen de temperatura del NdFeB es realmente insuficiente, el SmCo es una alternativa ineludible en ingeniería. SmCo tiene una resistencia a la temperatura significativamente mayor; muchos grados se pueden utilizar en aplicaciones al nivel  de 350 °C  , y la temperatura de Curie también está en el rango de 700 a 850 °C, mucho más alta que los 310 a 350 °C del NdFeB. En la región de alta temperatura, la pendiente de la curva de desmagnetización irreversible del SmCo con la temperatura también es mucho más plana que la del NdFeB.

Pero al mismo tiempo hay que poner sobre la mesa el coste de las SmCo. Su remanencia típica está en el rango  de 0,95 a 1,1 T  , mientras que el NdFeB puede alcanzar 1,1 a 1,4 T; El producto energético máximo suele ser entre  un 25% y un 30%  menor que el del NdFeB. Esto significa que para lograr la misma densidad de flujo en el entrehierro, los imanes de SmCo deben ser más gruesos y pesados, lo que a su vez invade el ya estrecho espacio axial de las máquinas de flujo axial y puede incluso aumentar la inercia del rotor y las pérdidas por corrientes parásitas. SmCo también es más caro y la madurez de su cadena de suministro y su flexibilidad de entrega no son tan buenas como las del NdFeB. Por lo tanto, a menos que la verificación térmica indique claramente que 'incluso el NdFeB actualizado a EH/AH no puede resistir',  usar SmCo para 'comprar' el margen de temperatura es a menudo una transacción que se paga tres veces más en peso, costo y densidad de energía..

El orden correcto de selección: inferir el grado a partir de la temperatura del imán

Un proceso procesable de selección de imanes basado en la temperatura para el flujo axial debe seguir el orden siguiente, en lugar de comenzar desde la tabla de grados.

Paso 1: Primero defina el enfriamiento y luego analice el grado.  El método de enfriamiento del rotor de una máquina de flujo axial determina directamente el 'piso' de la temperatura del imán. El enfriamiento por aire es simple y tiene bajas pérdidas parásitas, pero la conductividad térmica y la capacidad calorífica específica del aire son limitadas, y la capacidad de enfriamiento depende en gran medida de la velocidad y el entorno. Se espera mucho enfriamiento del aceite en flujo axial; Los datos experimentales muestran que un esquema razonable de enfriamiento de aceite puede reducir la temperatura máxima entre  15 y 20 °C  más que el enfriamiento con agua pura, pero el enfriamiento con aceite 'lleva el calor' no equivale a 'elimina el calor'. La diferencia de temperatura entre el borde y el centro de una estructura tipo disco aún puede alcanzar  30 a 50 K , y el punto caliente local es objeto de verificación de desmagnetización. Antes de que se congele el esquema de enfriamiento, cualquier selección de grado carece de una premisa confiable.

Paso 2: Ponga la condición de cortocircuito en el control de temperatura.  La temperatura en funcionamiento normal es sólo la base. La verificación de la desmagnetización debe cubrir el campo magnético inverso generado por una falla del controlador o un cortocircuito en el devanado, y esta verificación debe realizarse a  la temperatura más alta que el imán pueda alcanzar en esa condición . El criterio de diseño en la literatura es sencillo: el espesor del imán debe seleccionarse de manera que evite una desmagnetización irreversible después de una corriente de cortocircuito trifásica a la temperatura más baja. De manera más general, es necesario confirmar que el punto de funcionamiento no desciende por debajo del punto de inflexión en la superposición de la peor temperatura y el peor campo desmagnetizante.

Paso 3: Utilice 'temperatura real del imán + campo desmagnetizador de cortocircuito' para verificar el sufijo de grado.  Si la temperatura del punto caliente del imán dada por el esquema de enfriamiento y el diseño electromagnético es del orden de  140 a 150 °C , y el campo desmagnetizante del cortocircuito no es severo, SH puede ingresar a la lista de candidatos; una vez que el punto caliente se acerca o supera  los 160°C , la UH es un punto de partida más confiable; cuando el punto caliente supera  los 180°C , se debe evaluar seriamente el EH o grados incluso superiores, o se debe reconsiderar el diseño de enfriamiento en sí. La lógica aquí es:  el sufijo no es un 'nivel de rendimiento', sino un 'nivel de capacidad para preservar el punto de inflexión a una temperatura determinada'.  El costo de los grados con sufijo más alto (UH/EH) suele ser una remanencia ligeramente menor o una adición más alta de tierras raras pesadas; No es un seguro gratuito.

Paso 4: Utilice la segmentación del rotor y la geometría del imán para 'aligerar la carga' sobre la temperatura.  La selección del imán no es una decisión material aislada. La pérdida por corrientes parásitas de los imanes del rotor de flujo axial está directamente relacionada con la longitud de la trayectoria de las corrientes parásitas y el área de la superficie de la superficie del imán, y la segmentación del imán permanente es un medio eficaz para reducir la pérdida por corrientes parásitas y suprimir el aumento de temperatura. Cuando la calificación ya se ha determinado y el margen de temperatura es ajustado, reducir la propia generación de calor del imán mediante la optimización de la segmentación es a veces más económico que simplemente aumentar el sufijo de la calificación en un nivel, y también es más propicio para preservar la densidad de torque.

Una línea de juicio práctica

Si este artículo se va a comprimir en una frase para incluirlo en una revisión del diseño, sería:  el grado de un imán de rotor de flujo axial no debe 'seleccionarse'; debe 'calcularse': primero use las condiciones de enfriamiento y cortocircuito para calcular qué temperatura alcanzará el imán, luego use esa temperatura para buscar el punto de inflexión y finalmente establezca el sufijo.

Para NdFeB,  120°C  es el punto de observación en el que la desintegración reversible comienza a ser significativa, y alrededor de  150°C  es la región donde el riesgo de desmagnetización irreversible entra en un nivel que debe verificarse seriamente. Estos dos números no son la 'temperatura máxima de funcionamiento' en la tabla de grados; más bien, recuerdan a los diseñadores que en la estructura sándwich de flujo axial, el margen de temperatura desaparece más rápido que en las máquinas radiales. Tratar la temperatura como el tema de selección en lugar del objeto de la calificación es lo que evita que la desmagnetización pase de ser un problema material a una brecha de confiabilidad sistémica.