Odabir temperature demagnetizacije magneta aksijalnog fluksa rotora: Temperatura je prvi predmet odabira

Najčešća pogreška u odabiru magneta za motori s aksijalnim fluksom treba krenuti od tablice razreda: prvo pogledati remanenciju, zatim maksimalnu radnu temperaturu i odabrati ocjenu koja je 'dovoljno dobra' za stavljanje u BOM. Ali u strukturi aksijalnog fluksa ovaj je redoslijed upravo obrnut. Temperaturu magneta rotora ne određuje sam magnet; to je nametnuto magnetu topologijom, hlađenjem i radnim uvjetima. Pravo polazište odabira je jasno se zapitati:  u najgorem slučaju u kojem se preklapaju kratki spoj, preopterećenje i vruće točke, koliko će magnet postati vruć i može li i dalje izdržati obrnuto magnetsko polje na toj temperaturi?

Rizik od demagnetizacije aksijalnog fluksa 'upisan' je u strukturu

Prodajna prednost motora s aksijalnim fluksom je jasna: uz istu snagu, težina i aksijalna duljina mogu se prepoloviti u usporedbi s radijalnim motorima. Ali ova kompaktnost ima toplinsku cijenu.

U topologiji s dva statora i jednim rotorom, rotor je stisnut između dva statora, tako da je područje izravnog kontakta između rotora i zraka znatno smanjeno, a put rasipanja topline je inherentno uzak. U isto vrijeme, sami magneti stvaraju gubitke vrtložne struje u izmjeničnom magnetskom polju, a ta se toplina oslobađa izravno unutar permanentnih magneta. Toplinsko zračenje iz statora superponirano na samozagrijavanje rotora olakšava da se temperatura magneta približi ili čak prijeđe opasnu granicu pod kontinuiranim uvjetima velike snage. Ponavljajuća prosudba u industrijskim analizama je da sendvič struktura i velika gustoća snage motora s aksijalnim fluksom dovode do iznimno niskog toplinskog kapaciteta, čineći rotorske magnete 'jako sklonima pregrijavanju'.

Stoga odabir magneta za aksijalni tok ne može jednostavno kopirati iskustvo radijalnih motora. Intuicija u radijalnim motorima da se 'rotor hladi kroz osovinu i zrak na krajevima' u osnovi ne uspijeva u topologiji tipa diska.

Što se zapravo događa u demagnetizaciji: granica između reverzibilnog i nepovratnog

Da bismo razumjeli selekciju, potrebno je shvatiti samo dva koncepta temperature.

Reverzibilna demagnetizacija  je normalno 'toplinsko raspadanje' magneta. Kako temperatura raste, remanencija se linearno smanjuje i oporavlja se nakon hlađenja, bez trajnog oštećenja. NdFeB uglavnom djeluje u ovom rasponu ispod 120°C. Problem se pojavljuje iznad 120°C: nagib reverzibilnog raspadanja postaje značajniji, i što je još kritičnije,  granica ireverzibilne demagnetizacije se pomiče bliže.

Fizikalni kriterij za ireverzibilnu demagnetizaciju je  točka koljena . Krivulja demagnetizacije ima točku infleksije u drugom kvadrantu. Radne točke iznad točke koljena su sigurne; kada vanjsko obrnuto magnetsko polje gurne radnu točku ispod točke koljena, magnet se ne može vratiti nakon uklanjanja vanjskog polja, a remanencija trpi trajni gubitak. Posljedica porasta temperature je dvostruka: remanencija se smanjuje, au isto vrijeme  točka koljena se pomiče udesno (prema nižem magnetskom polju) , što znači da će isto obrnuto magnetsko polje prijeći točku koljena pri visokoj temperaturi. Za NdFeB, inženjerska praksa općenito tretira  oko 150°C kao kritično područje za ireverzibilnu demagnetizaciju ; iznad ove razine, rizik od potpunog gubitka magnetske učinkovitosti više nije zanemariv događaj male vjerojatnosti.

Slovni sufiks kvalitete magneta u biti određuje  temperaturu pri kojoj točka koljena još uvijek može ostati dovoljno daleko udesno . Uobičajene korespondencije su: SH odgovara oko 150°C, UH 180°C, EH 200°C i AH 220°C. Ali postoji točka koju je vrlo lako pogrešno pročitati: temperatura označena sufiksom je temperaturna otpornost materijala pod  određenim uvjetima kalibracije koeficijenta propusnosti , a ne 'maksimalna radna temperatura' koju magnet automatski postiže nakon ugradnje u motor. Isti UH magnet može neprekidno raditi na 130°C u dobro hlađenom prototipu, ali u dijelu masovne proizvodnje s nedovoljnim sendvič hlađenjem, vruća točka može izravno porasti iznad 170°C.

Samarium Cobalt: zamjenska opcija, ali trošak se mora jasno izračunati

Kada je temperaturna granica NdFeB uistinu nedovoljna, SmCo je nezaobilazna alternativa u inženjerstvu. SmCo ima znatno veću temperaturnu otpornost; mnogi se stupnjevi mogu koristiti u primjenama na razini  od 350°C  , a Curiejeva temperatura je također u rasponu od 700–850°C, daleko više od 310–350°C NdFeB. U području visokih temperatura, nagib krivulje ireverzibilne demagnetizacije SmCo s temperaturom također je mnogo ravniji nego kod NdFeB.

No trošak SmCo-a mora se staviti na stol u isto vrijeme. Njegova tipična remanencija je u rasponu  od 0,95–1,1 T  , dok NdFeB može doseći 1,1–1,4 T; maksimalni energetski produkt obično je  25%–30%  niži od produkta NdFeB. To znači da za postizanje iste gustoće toka zračnog raspora, SmCo magneti moraju biti deblji i teži, što zauzvrat zadire u ionako tijesan aksijalni prostor strojeva s aksijalnim tokom i može čak povećati tromost rotora i gubitke vrtložne struje. SmCo je također skuplji, a njegova zrelost opskrbnog lanca i fleksibilnost isporuke nisu tako dobri kao kod NdFeB. Stoga, osim ako toplinska provjera jasno ne pokaže da 'čak ni NdFeB nadograđen na EH/AH ne može izdržati',  korištenje SmCo za 'kupnju' temperaturne marže često je transakcija plaćena tri puta više u težini, cijeni i gustoći snage.

Točan redoslijed odabira: Zaključite o ocjeni prema temperaturi magneta

Djelotvoran postupak odabira magneta temeljen na temperaturi za aksijalni tok trebao bi slijediti donji redoslijed, umjesto da polazi od tablice stupnjeva.

Korak 1: Prvo definirajte hlađenje, a zatim razgovarajte o stupnju.  Metoda hlađenja rotora stroja s aksijalnim fluksom izravno određuje 'pod' temperature magneta. Hlađenje zrakom je jednostavno i ima male parazitske gubitke, ali su toplinska vodljivost i specifični toplinski kapacitet zraka ograničeni, a sposobnost hlađenja jako ovisi o brzini i okolini. Hlađenje uljem je vrlo očekivano u aksijalnom fluksu; eksperimentalni podaci pokazuju da razumna shema hlađenja uljem može smanjiti maksimalnu temperaturu za  15–20°C  dalje od hlađenja čistom vodom, ali hlađenje uljem 'odvođenjem topline' nije jednako 'eliminiranjem topline'. Temperaturna razlika između ruba i središta strukture tipa diska još uvijek može doseći  30-50 K , a lokalna vruća točka predmet je provjere demagnetizacije. Prije nego što se shema hlađenja zamrzne, svakom odabiru razreda nedostaje pouzdana premisa.

Korak 2: Stavite stanje kratkog spoja u provjeru temperature.  Temperatura u normalnom radu samo je osnovna vrijednost. Provjera demagnetizacije mora obuhvatiti obrnuto magnetsko polje generirano kvarom regulatora ili kratkim spojem namota, a ova se provjera mora izvesti na  najvišoj temperaturi koju magnet može doseći pod tim uvjetima . Kriterij dizajna u literaturi je jednostavan: debljina magneta treba biti odabrana tako da se izbjegne ireverzibilna demagnetizacija nakon trofazne struje kratkog spoja na najnižoj temperaturi. Općenitije, potrebno je potvrditi da radna točka ne pada ispod točke koljena na superpoziciji najlošije temperature i najgoreg demagnetizirajućeg polja.

Korak 3: Koristite 'stvarna temperatura magneta + demagnetizirajuće polje kratkog spoja' za provjeru sufiksa ocjene.  Ako je temperatura vruće točke magneta određena shemom hlađenja i elektromagnetskim dizajnom reda veličine  140–150°C , a demagnetizirajuće polje kratkog spoja nije ozbiljno, SH može ući na popis kandidata; kada se vruća točka približi ili premaši  160°C , UH je pouzdanija početna točka; kada vruća točka dosegne  iznad 180°C , EH ili čak i više razine moraju se ozbiljno procijeniti ili se mora ponovno razmotriti sam dizajn hlađenja. Logika je ovdje:  sufiks nije 'razina performansi', već 'razina sposobnosti za očuvanje točke koljena na danoj temperaturi'.  Trošak stupnjeva višeg sufiksa (UH/EH) obično je nešto niža remanencija ili veći dodatak teških i rijetkih zemalja; nije besplatno osiguranje.

Korak 4: Upotrijebite segmentaciju rotora i geometriju magneta za 'olakšanje' temperature.  Odabir magneta nije izolirana materijalna odluka. Gubitak vrtložne struje magneta rotora s aksijalnim fluksom izravno je povezan s duljinom puta vrtložne struje i površinom na površini magneta, a segmentacija trajnog magneta učinkovito je sredstvo za smanjenje gubitka vrtložne struje i suzbijanje porasta temperature. Kada je stupanj već određen, a temperaturna margina mala, smanjenje vlastite proizvodnje topline magneta putem optimizacije segmentacije ponekad je ekonomičnije od jednostavnog podizanja sufiksa stupnja za jednu razinu, a također je pogodnije za očuvanje gustoće momenta.

Praktična linija prosuđivanja

Ako ovaj članak treba sažeti u jednu rečenicu da bi se uključio u pregled dizajna, to je:  stupanj magneta rotora s aksijalnim fluksom ne bi trebao biti 'odabran'; treba je 'izračunati'—najprije upotrijebite uvjete hlađenja i kratkog spoja da izračunate koju temperaturu će magnet doseći, zatim upotrijebite tu temperaturu da pogledate točku koljena i na kraju se odlučite za sufiks.

Za NdFeB,  120°C  je točka promatranja na kojoj reverzibilno raspadanje počinje postati značajno, a oko  150°C  je područje gdje rizik od nepovratne demagnetizacije ulazi u razinu koja se mora ozbiljno provjeriti. Ova dva broja nisu 'maksimalna radna temperatura' u tablici stupnjeva; nego podsjećaju dizajnere da u sendvič strukturi aksijalnog fluksa temperaturna granica nestaje brže nego u radijalnim strojevima. Tretiranje temperature kao subjekta odabira, a ne kao objekta ocjene, ono je što sprječava da se demagnetizacija iz materijalnog problema pretvori u sustavni jaz u pouzdanosti.