Aksiaalivuorottorimagneetin demagnetoinnin lämpötilan valinta: lämpötila on ensimmäinen valintakohde

Yleisin virhe magneetin valinnassa aksiaalivuomoottorit on aloitettava arvotaulukosta: tarkastele ensin remanenssia, sitten suurinta käyttölämpötilaa ja valitse laatu, joka on 'riittävän hyvä' sisällytettäväksi materiaaliluetteloon. Mutta aksiaalivuorakenteessa tämä järjestys on täsmälleen päinvastainen. Itse magneetti ei määritä roottorimagneetin lämpötilaa; sen määrää magneetille topologia, jäähdytys ja käyttöolosuhteet. Todellinen valinnan lähtökohta on kysyä selkeästi:  pahimmassa tapauksessa, jossa oikosulku, ylikuormitus ja kuumat pisteet asettuvat päällekkäin, kuinka kuuma magneetista tulee ja kestääkö se silti käänteistä magneettikenttää tässä lämpötilassa?

Aksiaalivuon demagnetoitumisriski on 'kirjoitettu' rakenteeseen

Aksiaalivuomoottorien myyntivaltti on selvä: samalla teholla paino ja aksiaalipituus voidaan puolittaa radiaalimoottoriin verrattuna. Mutta tällä tiiviydellä on lämpökustannukset.

Kaksoisstaattorin yhden roottorin topologiassa roottori on kerrostettu kahden staattorin välissä, joten roottorin ja ilman välinen suora kosketusalue pienenee huomattavasti ja lämmönpoistoreitti on luonnostaan ​​kapea. Samalla magneetit itse synnyttävät pyörrevirtahäviöitä vaihtomagneettikentässä, ja tämä lämpö vapautuu suoraan kestomagneettien sisään. Roottorin itsekuumenemisen päälle kohdistuva staattorien lämpösäteily tekee magneetin lämpötilan helposti lähestyvän tai jopa ylittävän vaarallisen rajan jatkuvassa suuritehoisissa olosuhteissa. Teollisuuden analyyseissä toistuva arvio on, että aksiaalivuomoottorien sandwich-rakenne ja suuri tehotiheys johtavat erittäin alhaiseen lämpökapasiteettiin, mikä tekee roottorimagneeteista 'erittäin alttiita ylikuumenemiselle'.

Siksi magneetin valinta aksiaalivuolle ei voi yksinkertaisesti kopioida radiaalimoottorien kokemusta. Radiaalimoottoreiden intuitio, että 'roottori jäähdytetään akselin ja päissä olevan ilman kautta' periaatteessa epäonnistuu levytyyppisessä topologiassa.

Mitä todellisuudessa tapahtuu demagnetisoinnissa: Reversiibelin ja irreversiibelin välinen raja

Valinnan ymmärtämiseksi tarvitsee vain ymmärtää kaksi lämpötilakäsitettä.

Palautuva demagnetointi  on magneetin normaali 'lämpövajoa'. Lämpötilan noustessa remanenssi pienenee lineaarisesti ja palautuu jäähtymisen jälkeen ilman pysyviä vaurioita. NdFeB toimii pääasiassa tällä alueella alle 120 °C:ssa. Ongelma ilmenee yli 120 °C:ssa: palautuvan heikkenemisen kaltevuus kasvaa ja mikä kriittisemmin,  irreversiibelin demagnetisaation rajaa työnnetään lähemmäksi.

Peruuttamattoman demagnetisaation fyysinen kriteeri on  polvipiste . Demagnetisaatiokäyrällä on käännepiste toisessa kvadrantissa. Toimintapisteet polvipisteen yläpuolella ovat turvallisia; Kun ulkoinen käänteinen magneettikenttä työntää toimintapisteen polvipisteen alapuolelle, magneetti ei voi palata ulkoisen kentän poistamisen jälkeen, ja remanenssi kärsii pysyvästä menetyksestä. Lämpötilan nousulla on kaksinkertainen seuraus: remanenssi pienenee ja samalla  polvipiste siirtyy oikealle (alempaa magneettikenttää kohti) , mikä tarkoittaa, että sama käänteinen magneettikenttä todennäköisemmin ylittää polvipisteen korkeassa lämpötilassa. NdFeB:n osalta insinöörikäytäntö käsittelee yleensä  noin 150 °C:ta kriittisenä alueena palautumattomalle demagnetisaatiolle ; Tämän tason yläpuolella magneettisen suorituskyvyn täydellisen menetyksen riski ei ole enää merkityksetön pienen todennäköisyyden tapahtuma.

Magneettitason kirjainliite määrittelee olennaisesti  lämpötilan, jossa polvipiste voi vielä pysyä riittävän kaukana oikealla . Yleiset vastaavuudet ovat: SH vastaa noin 150°C, UH 180°C, EH 200°C ja AH 220°C. Mutta on kohta, joka on helposti luettavissa väärin: jälkiliitteen osoittama lämpötila on materiaalin lämpötilan kestävyys  tietyissä läpäisykertoimen kalibrointiolosuhteissa , ei 'maksimi käyttölämpötila', jonka magneetti saa automaattisesti, kun se on asennettu moottoriin. Sama UH-magneetti voi pyöriä jatkuvasti 130°C:ssa hyvin jäähdytetyssä prototyypissä, mutta massatuotantoosassa, jossa sandwich-jäähdytys on riittämätön, hot spot voi nousta suoraan yli 170°C.

Samarium Cobalt: Varavaihtoehto, mutta kustannukset on laskettava selkeästi

Kun NdFeB:n lämpötilamarginaali on todella riittämätön, SmCo on väistämätön vaihtoehto suunnittelussa. SmCo:lla on huomattavasti korkeampi lämpötilankestävyys; monia laatuja voidaan käyttää sovelluksissa  350 °C:n  tasolla, ja Curie-lämpötila on myös välillä 700–850 °C, paljon korkeampi kuin NdFeB:n 310–350 °C. Korkean lämpötilan alueella SmCo:n palautumattoman demagnetointikäyrän kaltevuus lämpötilan kanssa on myös paljon tasaisempi kuin NdFeB:n.

Mutta SmCo:n kustannukset on nostettava pöydälle samaan aikaan. Sen tyypillinen remanenssi on välillä  0,95–1,1 T  , kun taas NdFeB voi olla 1,1–1,4 T; enimmäisenergiatuote on yleensä  25–30 %  pienempi kuin NdFeB:n. Tämä tarkoittaa, että saman ilmavälin vuotiheyden saavuttamiseksi SmCo-magneettien on oltava paksumpia ja raskaampia, mikä puolestaan ​​tunkeutuu aksiaalivuokoneiden jo ennestään tiukkaan aksiaalitilaan ja voi jopa lisätä roottorin hitautta ja pyörrevirtahäviöitä. SmCo on myös kalliimpi, ja sen toimitusketjun kypsyys ja toimitusjoustavuus eivät ole yhtä hyviä kuin NdFeB:n. Siksi, ellei lämpötarkastus selvästi osoita, että 'jopa EH/AH:ksi päivitetty NdFeB ei kestä',  SmCo:n käyttö 'osta' lämpötilamarginaalille on usein tapahtuma, joka maksetaan kolme kertaa enemmän painon, kustannusten ja tehotiheyden suhteen..

Oikea valintajärjestys: Päättele luokka magneetin lämpötilasta

Käyttökelpoisen lämpötilaan perustuvan magneetin valintaprosessin aksiaalivuon tulisi noudattaa alla olevaa järjestystä sen sijaan, että se aloitettaisiin arvosanataulukosta.

Vaihe 1: Määritä ensin jäähdytys ja keskustele sitten arvosta.  Aksiaalivuokoneen roottorin jäähdytysmenetelmä määrittää suoraan magneetin lämpötilan 'lattian'. Ilmajäähdytys on yksinkertaista ja siinä on pienet loishäviöt, mutta ilman lämmönjohtavuus ja ominaislämpökapasiteetti ovat rajalliset, ja jäähdytyskyky on voimakkaasti riippuvainen nopeudesta ja ympäristöstä. Öljyn jäähdytystä odotetaan erittäin paljon aksiaalisessa vuossa; kokeelliset tiedot osoittavat, että järkevä öljyjäähdytysjärjestelmä voi alentaa maksimilämpötilaa  15-20°C  enemmän kuin puhdas vesijäähdytys, mutta öljyjäähdytys 'lämmön vieminen pois' ei ole sama kuin 'lämmön poistaminen'. Levymäisen rakenteen reunan ja keskikohdan välinen lämpötilaero voi silti olla  30-50 K , ja paikallinen kuumapiste on varmistuskohde. Ennen kuin jäähdytysjärjestelmä jäädytetään, kaikilta laatuvalinnoilla ei ole luotettavaa lähtökohtaa.

Vaihe 2: Aseta oikosulkutila lämpötilan tarkistukseen.  Lämpötila normaalikäytössä on vain perusarvo. Demagnetisoinnin tarkastuksen on katettava ohjaimen vian tai käämin oikosulun synnyttämä käänteinen magneettikenttä, ja tämä tarkistus on suoritettava  korkeimmassa lämpötilassa, jonka magneetti voi saavuttaa kyseisessä tilanteessa . Suunnittelukriteeri kirjallisuudessa on suoraviivainen: magneetin paksuus tulee valita siten, että vältetään peruuttamaton demagnetoituminen kolmivaiheisen oikosulkuvirran jälkeen alimmassa lämpötilassa. Yleisemmin ottaen on tarpeen varmistaa, että toimintapiste ei putoa polvipisteen alapuolelle pahimman lämpötilan ja huonoimman demagnetoivan kentän superpositiossa.

Vaihe 3: Käytä 'todellinen magneetin lämpötila + oikosulkudemagnetointikenttä' tarkistaaksesi arvosanaliitteen.  Jos jäähdytyskaavion ja sähkömagneettisen suunnittelun antama magneetin kuumapistelämpötila on luokkaa  140–150 °C ja oikosulkudemagnetointikenttä ei ole vakava, SH voi päästä ehdokasluetteloon; kun kuuma piste lähestyy tai ylittää  160 °C , UH on luotettavampi lähtökohta; kun kuuma piste saavuttaa  yli 180 °C , EH tai jopa korkeammat arvot on arvioitava vakavasti tai itse jäähdytyssuunnittelua on harkittava uudelleen. Logiikka tässä on:  jälkiliite ei ole 'suorituskykytaso', vaan 'kykytaso polven pisteen säilyttämiseksi tietyssä lämpötilassa.'  Korkeamman loppuliitteen (UH/EH) hinta on yleensä hieman pienempi remanenssi tai korkeampi raskas-harvinaisten maametallien lisäys; se ei ole ilmainen vakuutus.

Vaihe 4: Käytä roottorin segmentointia ja magneettigeometriaa 'kevennä kuormaa' lämpötilassa.  Magneetin valinta ei ole yksittäinen materiaalipäätös. Aksiaalivuon roottorimagneettien pyörrevirtahäviö liittyy suoraan pyörrevirran reitin pituuteen ja magneettipinnan pinta-alaan, ja kestomagneettisegmentointi on tehokas tapa vähentää pyörrevirtahäviöitä ja estää lämpötilan nousua. Kun laatu on jo määritetty ja lämpötilamarginaali on tiukka, magneetin oman lämmöntuoton vähentäminen segmentointioptimoinnilla on joskus taloudellisempaa kuin pelkkä laatuliitteen nostaminen yhdellä tasolla, ja se auttaa myös säilyttämään vääntömomenttitiheyden.

Käytännön tuomiolinja

Jos tämä artikkeli on tiivistettävä yhdeksi lauseeksi sisällytettäväksi suunnitteluarviointiin, se on:  aksiaalivuon roottorimagneetin laatua ei pitäisi 'valita'; sen pitäisi olla 'laskettu'—laske ensin jäähdytys- ja oikosulkuolosuhteiden avulla, minkä lämpötilan magneetti saavuttaa, käytä sitten tätä lämpötilaa polvipisteen etsimiseen ja lopuksi asettu jälkiliitteeseen.

NdFeB:lle  120 °C  on havaintopiste, jossa palautuva heikkeneminen alkaa tulla merkittäväksi, ja noin  150 °C  on alue, jossa palautumattoman demagnetoitumisen riski tulee tasolle, joka on tarkistettava vakavasti. Nämä kaksi numeroa eivät ole 'maksimi käyttölämpötila' arvosanataulukossa; pikemminkin ne muistuttavat suunnittelijoita siitä, että aksiaalivuon sandwich-rakenteessa lämpötilamarginaali katoaa nopeammin kuin radiaalisissa koneissa. Lämpötilan käsitteleminen valinnan kohteena arvosanan kohteena on se, mikä estää demagnetisoitumisen muuttumasta materiaaliongelmasta systeemiseksi luotettavuusvajeeksi.