Aksiaalvoo rootori magneti demagnetiseerimistemperatuuri valik: temperatuur on esimene valikuobjekt

Levinuim viga magneti valikul aksiaalvoomootorite puhul tuleb alustada hindetabelist: esmalt vaadake remanentsi, seejärel maksimaalset töötemperatuuri ja valige klass, mis on 'piisavalt hea', et lisada BOM-i. Kuid aksiaalvoo struktuuris on see järjekord täpselt vastupidine. Rootori magneti temperatuuri ei määra magnet ise; see on magnetile pandud topoloogia, jahutuse ja töötingimuste tõttu. Valiku tegelik lähtepunkt on selgelt küsida:  kui kuumaks magnet muutub halvimal juhul, kui lühis, ülekoormus ja kuumad kohad kattuvad, ja kas see suudab sellel temperatuuril siiski vastu pidada vastupidisele magnetväljale?

Aksiaalvoo demagnetiseerimise oht on struktuuri sisse kirjutatud

Aksiaalvoomootorite müügiargument on selge: sama võimsuse juures saab kaalu ja aksiaalset pikkust radiaalmootoritega võrreldes poole võrra vähendada. Kuid sellel kompaktsusel on soojuskulud.

Topeltstaatori ühe rootori topoloogias on rootor kahe staatori vahel, mistõttu rootori ja õhu vaheline otsekontakt on oluliselt vähenenud ning soojuse hajumise tee on oma olemuselt kitsas. Samal ajal tekitavad magnetid ise vahelduvas magnetväljas pöörisvoolukadusid ja see soojus eraldub otse püsimagnetite sees. Rootori isesoojenemisele kattuv staatorite soojuskiirgus võimaldab pideva suure võimsusega tingimustes magneti temperatuuridel kergesti läheneda ohtlikule piirile või isegi selle ületada. Tööstusharu analüüsides on korduv hinnang, et aksiaalvoomootorite kihtstruktuur ja suur võimsustihedus põhjustavad äärmiselt madalat soojusvõimsust, muutes rootorimagnetid 'ülekuumenemisele' väga altid.

Seetõttu ei saa aksiaalvoo jaoks magneti valimine lihtsalt kopeerida radiaalmootorite kogemust. Radiaalmootorite intuitsioon, et 'rootor jahutatakse läbi võlli ja õhk otstes' ei toimi ketta tüüpi topoloogias.

Mis demagnetiseerimisel tegelikult juhtub: piir pöörduva ja pöördumatu vahel

Valiku mõistmiseks tuleb mõista ainult kahte temperatuuri mõistet.

Pööratav demagnetiseerimine  on magneti normaalne 'termiline lagunemine'. Temperatuuri tõustes remanentsus väheneb lineaarselt ja taastub pärast jahutamist ilma püsivate kahjustusteta. NdFeB töötab peamiselt selles vahemikus alla 120 °C. Probleem ilmneb temperatuuril üle 120 °C: pöörduva lagunemise kalle muutub olulisemaks ja veelgi kriitilisem  on pöördumatu demagnetiseerimise piir nihutamine..

Pöördumatu demagnetiseerimise füüsikaliseks kriteeriumiks on  põlvepunkt . Demagnetiseerimiskõveral on käändepunkt teises kvadrandis. Põlvepunktist kõrgemad töökohad on ohutud; kui väline pöördmagnetväli surub tööpunkti põlvepunktist allapoole, ei saa magnet pärast välisvälja eemaldamist tagasi pöörduda ja remanents kannatab püsiva kaotuse. Temperatuuri tõusul on kahekordne tagajärg: remanents väheneb ja samal ajal  liigub põlvepunkt paremale (madalama magnetvälja poole) , mis tähendab, et sama vastupidine magnetväli ületab kõrgel temperatuuril tõenäolisemalt põlvepunkti. NdFeB puhul käsitleb inseneripraktika tavaliselt  umbes 150 °C pöördumatu demagnetiseerimise kriitilise piirkonnana ; sellest tasemest kõrgemal ei ole magnetilise jõudluse täieliku kadumise oht enam tühine väikese tõenäosusega sündmus.

Magnetklassi tähesufiks määrab sisuliselt  temperatuuri, mille juures võib põlvepunkt veel piisavalt paremale jääda . Tavalised vastavused on järgmised: SH vastab umbes 150 °C-le, UH-le 180 °C, EH-le 200 °C ja AH temperatuurile 220 °C. Kuid on punkt, mida on väga lihtne valesti lugeda: järelliitega näidatud temperatuur on materjali temperatuuritaluvus  teatud läbilaskvusteguri kalibreerimistingimustes , mitte 'maksimaalne töötemperatuur', mille magnet saab pärast mootorisse paigaldamist automaatselt. Sama UH-magnet võib hästi jahutatud prototüübis töötada pidevalt temperatuuril 130 °C, kuid ebapiisava sandwich-jahutusega masstootmise osas võib kuum koht tõusta otse üle 170 °C.

Samarium Cobalt: varuvõimalus, kuid kulud tuleb selgelt arvutada

Kui NdFeB temperatuurivaru on tõesti ebapiisav, on SmCo inseneritöös vältimatu alternatiiv. SmCo on oluliselt kõrgema temperatuuritaluvusega; paljusid klasse saab kasutada rakendustes  350 °C  tasemel ja Curie temperatuur on samuti vahemikus 700–850 °C, mis on palju kõrgem kui NdFeB 310–350 °C. Kõrge temperatuuri piirkonnas on ka SmCo pöördumatu demagnetiseerimiskõvera kalle temperatuuriga palju lamedam kui NdFeB.

Kuid samal ajal tuleb lauale panna SmCo maksumus. Selle tüüpiline remanentsus on vahemikus  0,95–1,1 T  , samas kui NdFeB võib ulatuda 1,1–1,4 T; maksimaalne energiatoode on tavaliselt  25–30%  madalam kui NdFeB. See tähendab, et sama õhupilu voo tiheduse saavutamiseks peavad SmCo magnetid olema paksemad ja raskemad, mis omakorda tungib aksiaalvoo masinate niigi kitsasse aksiaalruumi ja võib isegi suurendada rootori inertsi ja pöörisvoolukadusid. SmCo on ka kallim ning selle tarneahela küpsus ja tarnepaindlikkus pole nii head kui NdFeB-l. Seetõttu, kui termokontroll ei näita selgelt, et 'isegi EH/AH-le täiendatud NdFeB ei pea vastu',  on SmCo kasutamine temperatuurimarginaali 'ostmiseks' sageli tehing, mida makstakse kaalu, maksumuse ja võimsustiheduse osas kolm korda rohkem..

Õige valiku järjekord: tuletage hinne magneti temperatuurist

Temperatuuril põhinev aksiaalvoo magneti valimise protsess peaks järgima allolevat järjekorda, mitte alustama hindetabelist.

1. samm: määrake kõigepealt jahutus, seejärel arutage klassi.  Aksiaalvoo masina rootori jahutusmeetod määrab otseselt magneti temperatuuri 'põranda'. Õhkjahutus on lihtne ja sellel on väikesed parasiitkadud, kuid õhu soojusjuhtivus ja erisoojusmaht on piiratud ning jahutusvõime sõltub tugevalt kiirusest ja keskkonnast. Õli jahutamine on aksiaalses voolus väga oodatud; katseandmed näitavad, et mõistlik õlijahutusskeem võib vähendada maksimaalset temperatuuri  15–20°C võrra  rohkem kui puhas vesijahutus, kuid õlijahutus 'soojuse äraviimine' ei võrdu 'soojuse eemaldamisega'. Temperatuurierinevus ketastüüpi konstruktsiooni serva ja keskkoha vahel võib siiski ulatuda  30-50 K-ni ning lokaalse kuumapunkti kontrollimise objekt on. Enne jahutusskeemi külmutamist puudub mis tahes klassi valikul usaldusväärne eeldus.

2. samm: sisestage lühise seisund temperatuurikontrolli.  Temperatuur tavatöös on ainult lähteväärtus. Demagnetiseerimise kontrollimine peab hõlmama kontrolleri tõrke või mähise lühise tekitatud vastupidist magnetvälja ja see kontroll tuleb läbi viia  kõrgeimal temperatuuril, mille magnet võib selles olukorras saavutada . Kirjanduses on projekteerimiskriteerium lihtne: magneti paksus tuleks valida nii, et vältida pöördumatut demagnetiseerumist pärast kolmefaasilist lühisvoolu madalaimal temperatuuril. Üldisemalt on vaja kinnitada, et halvima temperatuuri ja halvima demagnetiseeriva välja superpositsioonil ei lange tööpunkt allapoole põlvepunkti.

3. samm: kasutage klassi järelliite kontrollimiseks valikut 'magneti tegelik temperatuur + lühise demagnetiseerimisväli'.  Kui jahutusskeemi ja elektromagnetilise disainiga antud magneti kuumapunkti temperatuur on suurusjärgus  140–150 °C ja lühise demagnetiseerimisväli ei ole tõsine, võib SH siseneda kandidaatide nimekirja; kui kuumpunkt läheneb  160 °C või ületab selle , on UH usaldusväärsem lähtepunkt; kui kuum koht jõuab  üle 180 °C , tuleb EH-d või isegi kõrgemaid klasse tõsiselt hinnata või jahutuskonstruktsioon ise uuesti läbi vaadata. Loogika on siin järgmine:  järelliide ei ole 'jõudlustase', vaid 'võimetase põlvepunkti säilitamiseks etteantud temperatuuril.'  Kõrgema sufiksiga klasside (UH/EH) maksumus on tavaliselt veidi väiksem remanents või kõrgem raske-haruldaste muldmetallide lisand; see ei ole tasuta kindlustus.

4. samm: kasutage rootori segmenteerimist ja magneti geomeetriat, et 'koormust kergendada' temperatuuril.  Magneti valik ei ole isoleeritud materiaalne otsus. Aksiaalvoo rootori magnetite pöörisvoolukadu on otseselt seotud pöörisvoolu tee pikkuse ja magnetpinna pindalaga ning püsimagnetiga segmenteerimine on tõhus vahend pöörisvoolukadude vähendamiseks ja temperatuuri tõusu mahasurumiseks. Kui hinne on juba määratud ja temperatuurivaru on kitsas, on magneti enda soojuse tekitamise vähendamine segmenteerimise optimeerimise abil mõnikord ökonoomsem kui lihtsalt klassi järelliide ühe taseme võrra tõstmine ning see aitab ka paremini säilitada pöördemomendi tihedust.

Praktiline otsustusjoon

Kui see artikkel tuleb kokku suruda üheks lauseks, et viia see disainiülevaatesse, siis on see järgmine:  aksiaalvoo rootori magneti klass ei tohiks olla 'valitud'; see peaks olema 'arvutatud' — esmalt kasutage jahutus- ja lühisetingimusi, et arvutada, millise temperatuuri magnet saavutab, seejärel kasutage seda temperatuuri põlvepunkti otsimiseks ja lõpuks otsustage järelliitega.

NdFeB puhul on  120 °C  vaatluspunkt, kus pöörduv lagunemine hakkab muutuma oluliseks, ja umbes  150 °C  on piirkond, kus pöördumatu demagnetiseerumise oht jõuab tasemele, mida tuleb tõsiselt kontrollida. Need kaks numbrit ei ole 'maksimaalne töötemperatuur' hindetabelis; pigem meenutavad nad disaineritele, et aksiaalvoo sandwich-struktuuris kaob temperatuurivaru kiiremini kui radiaalmasinatel. Temperatuuri käsitlemine valikuobjektina, mitte hinde objektina, hoiab ära demagnetiseerimise muutumast materiaalsest probleemist süsteemseks usaldusväärsuseks.