Axiális fluxusú rotormágneses lemágnesezési hőmérséklet kiválasztása: a hőmérséklet a kiválasztás első tárgya

A leggyakoribb hiba a mágnes kiválasztásánál Az axiális fluxusos motorokat a fokozattáblázatból kell kiindulni: először nézze meg a remanenciát, majd a maximális üzemi hőmérsékletet, és válasszon egy olyan fokozatot, amely 'elég jó' a BOM-ba való felvételhez. De egy axiális fluxus szerkezetben ez a sorrend pontosan fordított. A rotormágnes hőmérsékletét nem maga a mágnes határozza meg; a mágnesre a topológia, a hűtés és a működési feltételek kényszerítik. A kiválasztás igazi kiindulópontja az, hogy világosan kérdezzük meg:  a legrosszabb esetben, amikor rövidzárlat, túlterhelés és forró pontok egymásra helyezkednek, mennyire lesz felforrósodva a mágnes, és képes-e még ezen a hőmérsékleten ellenállni a fordított mágneses térnek?

Az axiális fluxus lemágnesezési kockázata „be van írva” a szerkezetbe

Az axiális fluxusmotorok értékesítési pontja egyértelmű: azonos teljesítmény mellett a tömeg és az axiális hossz felére csökkenthető a radiális motorokhoz képest. Ennek a tömörségnek azonban termikus költsége van.

A kettős állórészes egyrotoros topológiában a forgórész két állórész közé kerül, így a rotor és a levegő közvetlen érintkezési felülete nagymértékben lecsökken, és a hőelvezetési út eleve szűk. Ugyanakkor maguk a mágnesek örvényáram-veszteséget generálnak a váltakozó mágneses térben, és ez a hő közvetlenül az állandó mágnesek belsejében szabadul fel. Az állórészek hősugárzása a forgórész önmelegedésére szuperponálva lehetővé teszi, hogy a mágnes hőmérséklete könnyen megközelítse, vagy akár át is lépje a veszélyes határt folyamatos nagy teljesítmény mellett. Az iparági elemzések visszatérő megítélése szerint az axiális fluxusos motorok szendvicsszerkezete és nagy teljesítménysűrűsége rendkívül alacsony hőkapacitást eredményez, ami miatt a rotormágnesek 'nagyon hajlamosak a túlmelegedésre'.

Ezért az axiális fluxusra történő mágnesválasztás nem egyszerűen másolja a radiális motorok tapasztalatait. A radiális motoroknál az a megérzés, hogy 'a forgórész a tengelyen keresztül hűtik, és a levegő a végein' alapvetően kudarcot vall a tárcsa típusú topológiában.

Mi történik valójában a lemágnesezésben: a határ a reverzibilis és az irreverzibilis között

A kiválasztás megértéséhez mindössze két hőmérsékleti fogalmat kell megértenünk.

A reverzibilis lemágnesezés  a mágnes normál 'termikus bomlása'. A hőmérséklet emelkedésével a remanencia lineárisan csökken, és lehűlés után helyreáll, maradandó károsodás nélkül. Az NdFeB főleg ebben a 120°C alatti tartományban működik. A probléma 120°C felett jelentkezik: a reverzibilis bomlás meredeksége egyre jelentősebbé válik, és ami még kritikusabb,  az irreverzibilis lemágnesezés határa közelebb tolódik..

Az irreverzibilis lemágnesezés fizikai kritériuma a  térdpont . A lemágnesezési görbének van egy inflexiós pontja a második kvadránsban. A térdpont feletti működési pontok biztonságosak; Ha egy külső fordított mágneses tér a működési pontot a térdpont alá nyomja, a mágnes nem tud visszatérni a külső tér eltávolítása után, és a remanencia tartós elvesztést szenved. A hőmérséklet emelkedése kettős következményekkel jár: a remanencia csökken, és ezzel egyidejűleg  a térdpont jobbra (az alsó mágneses tér felé) mozdul el , ami azt jelenti, hogy magasabb hőmérsékleten ugyanaz a fordított mágneses tér nagyobb valószínűséggel keresztezi a térdpontot. Az NdFeB esetében a mérnöki gyakorlat általában  a 150°C körüli hőmérsékletet tekinti az irreverzibilis lemágnesezés kritikus tartományának ; e szint felett a mágneses teljesítmény teljes elvesztésének kockázata már nem elhanyagolható kis valószínűségű esemény.

A mágneses fokozat betűutótagja lényegében  azt a hőmérsékletet határozza meg, amelynél a térdpont még elég messze maradhat jobbra . Általános megfelelések: SH körülbelül 150 °C-nak, UH 180 °C-nak, EH 200 °C-nak és AH 220 °C-nak felel meg. De van egy pont, amelyet nagyon könnyen félre lehet olvasni: az utótag által jelzett hőmérséklet az anyag hőmérséklet-ellenállása  adott permeancia-együttható kalibrálási feltételek mellett , nem pedig a 'maximális üzemi hőmérséklet', amelyet a mágnes automatikusan megkap a motorba való beszerelés után. Ugyanaz az UH-mágnes folyamatosan működhet 130°C-on egy jól hűtött prototípusban, de a nem megfelelő szendvicshűtésű tömeggyártású részben a forró pont közvetlenül 170°C fölé emelkedhet.

Samarium Cobalt: A tartalék lehetőség, de a költségeket egyértelműen ki kell számolni

Ha az NdFeB hőmérsékleti sávja valóban nem elegendő, az SmCo elkerülhetetlen alternatíva a mérnöki munkában. Az SmCo lényegesen nagyobb hőállósággal rendelkezik; sok minőség használható  350°C  -os alkalmazásokhoz, és a Curie-hőmérséklet is a 700-850°C tartományba esik, jóval magasabb, mint az NdFeB 310-350°C. A magas hőmérsékletű régióban az SmCo irreverzibilis lemágnesezési görbéjének hőmérséklettel való meredeksége is sokkal laposabb, mint az NdFeB-é.

De az SmCo költségét egyúttal le kell tenni. Jellemző remanenciája a  0,95–1,1 T  tartományba esik, míg az NdFeB elérheti az 1,1–1,4 T tartományt; a maximális energiatermék általában  25–30%-kal  alacsonyabb, mint az NdFeB-é. Ez azt jelenti, hogy az azonos légrés fluxussűrűség eléréséhez az SmCo mágneseknek vastagabbnak és nehezebbnek kell lenniük, ami viszont behatol az axiális fluxusgépek amúgy is szűk axiális terébe, és még növelheti a rotor tehetetlenségét és az örvényáram-veszteségeket. Az SmCo drágább is, és az ellátási lánc érettsége és szállítási rugalmassága nem olyan jó, mint az NdFeB-é. Ezért, hacsak a hőellenőrzés nem jelzi egyértelműen, hogy 'még az EH/AH-ra frissített NdFeB sem bírja',  az SmCo 'vásárlása' hőmérsékletkülönbözet ​​használata gyakran tömeg, költség és teljesítménysűrűség tekintetében háromszoros tranzakciót jelent..

A kiválasztás helyes sorrendje: Következzen a fokozatra a mágnes hőmérsékletéből

Az axiális fluxushoz használható hőmérséklet-alapú mágnesválasztási folyamatnak az alábbi sorrendet kell követnie, nem pedig a fokozattáblázatból.

1. lépés: Először határozza meg a hűtést, majd beszélje meg a fokozatot.  Az axiális fluxusgép rotorhűtési módja közvetlenül meghatározza a mágnes hőmérsékletének 'padlóját'. A léghűtés egyszerű és alacsony parazitaveszteséggel rendelkezik, de a levegő hővezető képessége és fajlagos hőkapacitása korlátozott, a hűtési képesség erősen függ a sebességtől és a környezettől. Az olajhűtés nagymértékben várható axiális fluxusban; A kísérleti adatok azt mutatják, hogy egy ésszerű olajhűtés  15-20°C- kal  tovább csökkentheti a maximális hőmérsékletet, mint a tiszta vizes hűtés, de az olajhűtés 'hőelvezetése' nem egyenlő a 'hőelvezetéssel'. A tárcsás szerkezet széle és közepe közötti hőmérsékletkülönbség továbbra is elérheti  a 30-50 K-t , és a lokális lemágnesezés ellenőrzési tárgya. Mielőtt a hűtési rendszert lefagyanánk, minden minőségi kiválasztásnak nincs megbízható előfeltétele.

2. lépés: Helyezze be a rövidzárlatot a hőmérséklet-ellenőrzésbe.  A normál működési hőmérséklet csak az alapérték. A lemágnesezés ellenőrzésének ki kell terjednie a vezérlő hibája vagy a tekercselés rövidzárlata által generált fordított mágneses mezőre, és ezt az ellenőrzést  a legmagasabb hőmérsékleten kell elvégezni, amelyet a mágnes ilyen körülmények között elérhet . A tervezési kritérium a szakirodalomban egyértelmű: a mágnes vastagságát úgy kell megválasztani, hogy elkerülhető legyen az irreverzibilis lemágnesezés háromfázisú zárlati áram esetén a legalacsonyabb hőmérsékleten. Általánosabban meg kell erősíteni, hogy a működési pont nem esik a térdpont alá a legrosszabb hőmérséklet és a legrosszabb demagnetizáló tér szuperpozíciója esetén.

3. lépés: Használja a 'tényleges mágneshőmérséklet + rövidzárlat demagnetizáló mező' lehetőséget a fokozat utótagjának ellenőrzéséhez. Ha a hűtési séma és az elektromágneses tervezés által megadott mágneses forrópont-hőmérséklet  nagyságrendű  140-150°C , és a zárlati lemágnesező mező nem erős, SH bekerülhet a jelöltlistára; ha a forró pont megközelíti vagy meghaladja  a 160°C-ot , az UH megbízhatóbb kiindulási pont; ha a forró pont  180°C fölé ér , komolyan meg kell vizsgálni az EH-t vagy még magasabb fokozatokat, vagy magát a hűtési konstrukciót át kell gondolni. A logika itt a következő:  az utótag nem 'teljesítményszint', hanem 'képességi szint a térdpont adott hőmérsékleten való megőrzésére.' A  magasabb utótagú fokozatok (UH/EH) költsége általában valamivel alacsonyabb remanencia vagy magasabb nehéz-ritkaföldfém-összeadás; ez nem ingyenes biztosítás.

4. lépés: Használja a rotor szegmentálását és a mágnesgeometriát a hőmérséklet 'könnyítésére' a terhelésen.  A mágnes kiválasztása nem elszigetelt anyagi döntés. Az axiális fluxusú rotormágnesek örvényáram-vesztesége közvetlenül összefügg az örvényáram úthosszával és a mágnes felületén lévő felülettel, és az állandó mágneses szegmentáció hatékony eszköz az örvényáram-veszteség csökkentésére és a hőmérséklet-emelkedés visszaszorítására. Ha a fokozat már meg van határozva és a hőmérsékleti ráhagyás szűkös, a mágnes saját hőtermelésének csökkentése szegmentálási optimalizálással néha gazdaságosabb, mint a fokozat utótagjának egy szinttel történő emelése, és a nyomatéksűrűség megőrzését is elősegíti.

Gyakorlati ítéletsor

Ha ezt a cikket egyetlen mondatba kell tömöríteni a tervezési áttekintéshez, akkor az a következő:  az axiális fluxusú rotormágnes minőségét nem szabad 'kijelölni'; 'ki kell számítani' – először a hűtési és rövidzárlati feltételek alapján számítsa ki, hogy a mágnes milyen hőmérsékletet fog elérni, majd ezzel a hőmérséklettel keresse meg a térdpontot, és végül állítsa be az utótagot.

Az NdFeB esetében  a 120°C  az a megfigyelési pont, ahol a reverzibilis bomlás kezd jelentőssé válni,  a 150°C körül pedig  az a tartomány, ahol az irreverzibilis lemágnesezési kockázat eléri azt a szintet, amelyet komolyan ellenőrizni kell. Ez a két szám nem a 'maximális üzemi hőmérséklet' az osztályzattáblázatban; inkább arra emlékeztetik a tervezőket, hogy az axiális fluxus szendvicsszerkezetében a hőmérsékleti ráhagyás gyorsabban tűnik el, mint a radiális gépeknél. Az, hogy a hőmérsékletet a kiválasztás tárgyaként kezeljük, nem pedig az osztályzat tárgyát, ami megakadályozza, hogy a lemágnesezés anyagi problémából rendszerszintű megbízhatósági réssé váljon.