انتخاب دما مغناطیس زدایی آهنربا روتور محوری شار محوری: دما اولین موضوع انتخاب است

رایج ترین اشتباه در انتخاب آهنربا برای موتورهای شار محوری باید از جدول درجه شروع شوند: ابتدا به حالت ماندگاری نگاه کنید، سپس به حداکثر دمای کارکرد، و درجه ای را انتخاب کنید که 'به اندازه کافی خوب' باشد تا در BOM قرار دهید. اما در ساختار شار محوری، این ترتیب دقیقاً معکوس است. دمای آهنربای روتور توسط خود آهنربا تعیین نمی شود. توسط توپولوژی، سرمایش و شرایط عملیاتی بر آهنربا تحمیل می شود. نقطه شروع واقعی انتخاب این است که به وضوح بپرسیم:  در بدترین حالتی که در آن اتصال کوتاه، اضافه بار و نقاط داغ روی هم قرار می‌گیرند، آهنربا چقدر داغ می‌شود و آیا هنوز هم می‌تواند در برابر میدان مغناطیسی معکوس در آن دما مقاومت کند؟

خطر مغناطیس زدایی شار محوری در ساختار 'نوشته شده' است

نقطه فروش موتورهای شار محوری واضح است: با همان قدرت، وزن و طول محوری را می توان در مقایسه با موتورهای شعاعی به نصف کاهش داد. اما این فشردگی هزینه حرارتی دارد.

در توپولوژی تک روتور دو استاتور، روتور بین دو استاتور قرار می گیرد، بنابراین سطح تماس مستقیم بین روتور و هوا بسیار کاهش می یابد و مسیر اتلاف گرما ذاتاً باریک است. در همان زمان، آهنرباها تلفات جریان گردابی را در میدان مغناطیسی متناوب ایجاد می کنند و این گرما مستقیماً در داخل آهنرباهای دائمی آزاد می شود. تشعشعات حرارتی استاتورها که بر روی خودگرم شدن روتور قرار گرفته اند، نزدیک شدن یا حتی عبور دمای آهنربا از مرز خطرناک را در شرایط پرقدرت مداوم آسان می کند. یک قضاوت تکراری در تحلیل‌های صنعتی این است که ساختار ساندویچی و چگالی توان بالای موتورهای شار محوری منجر به ظرفیت حرارتی بسیار پایین می‌شود و آهن‌رباهای روتور را «بسیار مستعد گرم شدن بیش از حد» می‌کند.

بنابراین، انتخاب آهنربا برای شار محوری نمی تواند به سادگی تجربه موتورهای شعاعی را کپی کند. شهود در موتورهای شعاعی که 'روتور از طریق شفت و هوا در انتها خنک می شود' اساساً در یک توپولوژی نوع دیسکی شکست می خورد.

آنچه در واقع در مغناطیس زدایی اتفاق می افتد: مرز بین برگشت پذیر و غیر قابل برگشت

برای درک انتخاب، فقط باید دو مفهوم دما را درک کرد.

مغناطیس زدایی برگشت پذیر  'واپاشی حرارتی' طبیعی یک آهنربا است. با افزایش دما، ماندگاری به صورت خطی کاهش می یابد و پس از خنک شدن، بدون آسیب دائمی، بهبود می یابد. NdFeB عمدتاً در این محدوده زیر 120 درجه سانتیگراد عمل می کند. مشکل در بالای 120 درجه سانتیگراد ظاهر می شود: شیب فروپاشی برگشت پذیر بیشتر می شود و به طور بحرانی تر،  مرز مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر نزدیکتر می شود..

معیار فیزیکی برای مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر  نقطه زانو است . منحنی مغناطیس زدایی یک نقطه عطف در ربع دوم دارد. نقاط عمل بالای نقطه زانو ایمن هستند. هنگامی که یک میدان مغناطیسی معکوس خارجی، نقطه عملیاتی را به زیر نقطه زانو فشار می‌دهد، آهنربا پس از برداشتن میدان خارجی نمی‌تواند برگردد و باقیمانده از بین می‌رود. پیامد افزایش دما دو چیز است: پسماند کاهش می‌یابد، و در همان زمان  نقطه زانو به سمت راست حرکت می‌کند (به سمت میدان مغناطیسی پایین‌تر) ، به این معنی که همان میدان مغناطیسی معکوس احتمال بیشتری دارد که در دمای بالا از نقطه زانو عبور کند. برای NdFeB، عمل مهندسی عموماً  حدود 150 درجه سانتیگراد را به عنوان منطقه حیاتی برای مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر در نظر می گیرد . بالاتر از این سطح، خطر از دست دادن کامل عملکرد مغناطیسی دیگر یک رویداد با احتمال کوچک ناچیز نیست.

پسوند حرف درجه آهنربا اساساً  دمایی را مشخص می کند که نقطه زانو هنوز می تواند به اندازه کافی در سمت راست باقی بماند . مطابقت های رایج عبارتند از: SH مربوط به حدود 150 درجه سانتیگراد، UH به 180 درجه سانتیگراد، EH به 200 درجه سانتیگراد و AH به 220 درجه سانتیگراد مربوط می شود. اما نکته ای وجود دارد که به راحتی اشتباه خوانده می شود: دمایی که با پسوند نشان داده می شود، مقاومت دمایی ماده در  شرایط کالیبراسیون ضریب نفوذ خاص است ، نه «حداکثر دمای کار» که آهنربا پس از نصب در موتور به طور خودکار به دست می آورد. همان آهنربای UH ممکن است به طور مداوم در دمای 130 درجه سانتیگراد در یک نمونه اولیه که به خوبی خنک شده است کار کند، اما در یک قطعه تولید انبوه با خنک کننده ساندویچ ناکافی، نقطه داغ ممکن است مستقیماً به بالای 170 درجه سانتیگراد برسد.

ساماریوم کبالت: گزینه بازگشتی، اما هزینه آن باید به وضوح محاسبه شود

هنگامی که حاشیه دمای NdFeB واقعا ناکافی است، SmCo یک جایگزین اجتناب ناپذیر در مهندسی است. SmCo مقاومت دمایی قابل توجهی بالاتری دارد. بسیاری از گریدها را می توان در برنامه های کاربردی در سطح استفاده کرد  350 درجه سانتی گراد  ، و دمای کوری نیز در محدوده 700-850 درجه سانتی گراد است، که بسیار بالاتر از 310-350 درجه سانتی گراد NdFeB است. در منطقه با دمای بالا، شیب منحنی مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر SmCo با دما نیز بسیار مسطح تر از NdFeB است.

اما هزینه SmCo باید همزمان روی میز گذاشته شود. باقی ماندن معمول آن در محدوده  0.95-1.1 T است  ، در حالی که NdFeB می تواند به 1.1-1.4 T برسد. حداکثر محصول انرژی معمولاً  25٪ تا 30٪  کمتر از NdFeB است. این بدان معناست که برای دستیابی به چگالی شار شکاف هوا، آهنرباهای SmCo باید ضخیم‌تر و سنگین‌تر باشند، که به نوبه خود به فضای محوری در حال حاضر تنگ ماشین‌های شار محوری تجاوز می‌کند و حتی ممکن است اینرسی روتور و تلفات جریان گردابی را افزایش دهد. SmCo همچنین گران‌تر است و بلوغ زنجیره تامین و انعطاف‌پذیری تحویل آن به خوبی NdFeB نیست. بنابراین، مگر اینکه بررسی حرارتی به وضوح نشان دهد که 'حتی NdFeB ارتقا یافته به EH/AH نمی تواند نگه داشته شود'  استفاده از SmCo برای 'خرید' حاشیه دما اغلب سه برابر وزن، هزینه و چگالی توان پرداخت می شود..

ترتیب صحیح انتخاب: درجه را از دمای آهنربا استنباط کنید

یک فرآیند انتخاب آهنربا مبتنی بر دما برای شار محوری باید به جای شروع از جدول درجه، از ترتیب زیر پیروی کند.

مرحله 1: ابتدا خنک کننده را تعریف کنید، سپس در مورد درجه بحث کنید.  روش خنک کننده روتور یک ماشین شار محوری به طور مستقیم 'کف' دمای آهنربا را تعیین می کند. خنک کننده هوا ساده است و تلفات انگلی کمی دارد، اما هدایت حرارتی و ظرفیت گرمایی ویژه هوا محدود است و قابلیت خنک کنندگی به شدت به سرعت و محیط بستگی دارد. خنک کننده روغن در شار محوری بسیار مورد انتظار است. داده‌های تجربی نشان می‌دهند که یک طرح خنک‌کننده روغن معقول می‌تواند حداکثر دما را  بیشتر از خنک‌کننده با آب خالص کاهش دهد، اما  روغن «حمل گرما» برابر با «حذف گرما» نیست.  15 تا 20 درجه سانتی‌گراد خنک‌سازی قبل از اینکه طرح خنک کننده منجمد شود، هر نوع انتخاب درجه فاقد یک فرض قابل اعتماد است.

مرحله 2: شرایط اتصال کوتاه را در بررسی دما قرار دهید.  دما در حالت عادی فقط خط پایه است. راستی‌آزمایی مغناطیس‌زدایی باید میدان مغناطیسی معکوس ایجاد شده در اثر خطای کنترل‌کننده یا اتصال کوتاه سیم‌پیچ را پوشش دهد، و این بررسی باید در  بالاترین دمایی که آهنربا ممکن است تحت آن شرایط به آن برسد، انجام شود . معیار طراحی در ادبیات ساده است: ضخامت آهنربا باید برای جلوگیری از مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر پس از یک جریان اتصال کوتاه سه فاز در کمترین دما انتخاب شود. به طور کلی تر، لازم است تأیید شود که نقطه عملیاتی در برهم نهی بدترین دما و بدترین میدان مغناطیسی زدایی زیر نقطه زانو قرار نمی گیرد.

مرحله 3: از 'دمای واقعی آهنربا + میدان مغناطیسی زدایی اتصال کوتاه' برای بررسی پسوند درجه استفاده کنید.  اگر دمای نقطه داغ مغناطیسی ارائه شده توسط طرح خنک‌کننده و طراحی الکترومغناطیسی در حد  140-150 درجه سانتیگراد باشد و میدان مغناطیسی زدایی اتصال کوتاه شدید نباشد، SH ممکن است وارد لیست نامزد شود. هنگامی که نقطه داغ به  160 درجه سانتیگراد نزدیک شود یا از آن فراتر رود ، UH نقطه شروع قابل اعتمادتری است. هنگامی که نقطه داغ  به بالای 180 درجه سانتیگراد می رسد ، EH یا حتی نمرات بالاتر باید به طور جدی ارزیابی شود، یا طراحی خنک کننده باید تجدید نظر شود. منطق اینجاست:  پسوند یک 'سطح عملکرد' نیست، بلکه 'سطح قابلیت برای حفظ نقطه زانو در یک دمای معین'  است . بیمه رایگان نیست

مرحله 4: از تقسیم بندی روتور و هندسه آهنربا برای 'سبک کردن بار' روی دما استفاده کنید.  انتخاب آهنربا یک تصمیم جدا شده از مواد نیست. تلفات جریان گردابی آهنرباهای روتور شار محوری به طور مستقیم با طول مسیر جریان گردابی و مساحت سطح روی سطح آهنربا مرتبط است و تقسیم‌بندی با آهنربای دائمی ابزار مؤثری برای کاهش تلفات جریان گردابی و سرکوب افزایش دما است. هنگامی که درجه قبلاً تعیین شده است و حاشیه دما کم است، کاهش تولید گرمای خود آهنربا از طریق بهینه‌سازی بخش‌بندی گاهی مقرون به صرفه‌تر از افزایش پسوند درجه به اندازه یک سطح است، و همچنین برای حفظ چگالی گشتاور مفیدتر است.

خط قضاوت عملی

اگر قرار است این مقاله در یک جمله فشرده شود تا در یک بررسی طراحی وارد شود، این عبارت است:  درجه یک آهنربای روتور شار محوری نباید 'انتخاب' باشد. باید 'محاسبه' باشد — ابتدا از شرایط خنک کننده و اتصال کوتاه برای محاسبه دمای آهنربا استفاده کنید، سپس از آن دما برای جستجوی نقطه زانو استفاده کنید و در نهایت روی پسوند قرار بگیرید.

برای NdFeB،  120 درجه سانتیگراد  نقطه مشاهده ای است که در آن واپاشی برگشت پذیر شروع به قابل توجه شدن می کند، و حدود  150 درجه سانتیگراد  منطقه ای است که خطر مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر وارد سطحی می شود که باید به طور جدی تأیید شود. این دو عدد 'حداکثر دمای کار' در جدول درجه نیستند. بلکه به طراحان یادآوری می‌کنند که در ساختار ساندویچی شار محوری، حاشیه دما سریع‌تر از ماشین‌های شعاعی ناپدید می‌شود. در نظر گرفتن دما به عنوان موضوع انتخاب به جای موضوع درجه، چیزی است که مانع از تبدیل مغناطیس زدایی از یک مشکل مادی به شکاف قابلیت اطمینان سیستمی می شود.