Pemilihan Suhu Demagnetisasi Magnet Rotor Fluks Aksial: Suhu Adalah Subjek Seleksi Pertama

Kesalahan paling umum dalam pemilihan magnet motor fluks aksial dimulai dari tabel grade: pertama-tama lihat remanensi, kemudian pada suhu pengoperasian maksimum, dan pilih grade yang 'cukup baik' untuk dimasukkan ke dalam BOM. Namun dalam struktur fluks aksial, urutan ini justru terbalik. Suhu magnet rotor tidak ditentukan oleh magnet itu sendiri; itu dikenakan pada magnet oleh topologi, pendinginan, dan kondisi pengoperasian. Titik awal pemilihan yang sebenarnya adalah dengan bertanya dengan jelas:  dalam kasus terburuk di mana terjadi korsleting, kelebihan beban, dan titik panas, seberapa panas magnetnya, dan apakah magnet tersebut masih dapat menahan medan magnet terbalik pada suhu tersebut?

Risiko Demagnetisasi Fluks Aksial 'Tertulis dalam' Struktur

Nilai jual motor fluks aksial jelas: dengan daya yang sama, bobot dan panjang aksial dapat dikurangi setengahnya dibandingkan dengan motor radial. Namun kekompakan ini menimbulkan dampak termal.

Dalam topologi rotor tunggal stator ganda, rotor terjepit di antara dua stator, sehingga area kontak langsung antara rotor dan udara sangat berkurang, dan jalur pembuangan panas pada dasarnya sempit. Pada saat yang sama, magnet itu sendiri menghasilkan kerugian arus eddy dalam medan magnet bolak-balik, dan panas ini dilepaskan langsung di dalam magnet permanen. Radiasi termal dari stator yang ditumpangkan pada pemanasan sendiri rotor memudahkan suhu magnet mendekati atau bahkan melewati batas berbahaya dalam kondisi daya tinggi yang terus menerus. Penilaian berulang dalam analisis industri adalah bahwa struktur sandwich dan kepadatan daya yang tinggi pada motor fluks aksial menghasilkan kapasitas termal yang sangat rendah, sehingga membuat magnet rotor 'sangat rentan terhadap panas berlebih.'

Oleh karena itu, pemilihan magnet untuk fluks aksial tidak bisa begitu saja meniru pengalaman motor radial. Intuisi pada motor radial bahwa 'rotor didinginkan melalui poros dan udara di ujungnya' pada dasarnya gagal dalam topologi tipe cakram.

Apa yang Sebenarnya Terjadi pada Demagnetisasi: Batas Antara Reversibel dan Irreversibel

Untuk memahami seleksi, kita hanya perlu memahami dua konsep suhu.

Demagnetisasi reversibel  adalah “peluruhan termal” normal pada magnet. Ketika suhu meningkat, remanen menurun secara linear, dan pulih kembali setelah pendinginan, tanpa kerusakan permanen. NdFeB terutama beroperasi pada kisaran di bawah 120°C. Masalahnya muncul di atas 120°C: kemiringan peluruhan reversibel menjadi lebih signifikan, dan yang lebih kritis,  batas demagnetisasi ireversibel semakin mendekat.

Kriteria fisik untuk demagnetisasi ireversibel adalah  titik lutut . Kurva demagnetisasi memiliki titik belok di kuadran kedua. Titik pengoperasian di atas titik lutut aman; setelah medan magnet balik eksternal mendorong titik operasi di bawah titik lutut, magnet tidak dapat kembali setelah medan eksternal dihilangkan, dan remanen mengalami kehilangan permanen. Konsekuensi dari kenaikan suhu ada dua: remanensi menurun, dan pada saat yang sama  titik lutut bergerak ke kanan (menuju medan magnet yang lebih rendah) , yang berarti bahwa medan magnet balik yang sama lebih mungkin melintasi titik lutut pada suhu tinggi. Untuk NdFeB, praktik teknik umumnya memperlakukan  sekitar 150°C sebagai wilayah kritis untuk demagnetisasi ireversibel ; di atas level ini, risiko hilangnya kinerja magnetis bukan lagi peristiwa dengan probabilitas kecil yang dapat diabaikan.

Akhiran huruf tingkat magnet pada dasarnya menentukan  suhu di mana titik lutut masih cukup jauh ke kanan . Korespondensi yang umum adalah: SH sama dengan sekitar 150°C, UH sampai 180°C, EH sampai 200°C, dan AH sampai 220°C. Namun ada satu hal yang sangat mudah disalahartikan: suhu yang ditunjukkan oleh akhiran adalah ketahanan suhu material dalam  kondisi kalibrasi koefisien permeansi tertentu , bukan 'suhu pengoperasian maksimum' yang diperoleh magnet secara otomatis setelah dipasang di motor. Magnet UH yang sama dapat bekerja terus menerus pada suhu 130°C dalam prototipe yang didinginkan dengan baik, tetapi pada bagian produksi massal dengan pendinginan sandwich yang tidak mencukupi, titik panas dapat langsung melonjak di atas 170°C.

Samarium Cobalt: Opsi Penggantian, tetapi Biayanya Harus Dihitung dengan Jelas

Ketika margin suhu NdFeB benar-benar tidak mencukupi, SmCo adalah alternatif yang tidak dapat dihindari dalam bidang teknik. SmCo memiliki ketahanan suhu yang jauh lebih tinggi; banyak tingkatan yang dapat digunakan dalam aplikasi pada level  350°C  , dan suhu Curie juga berada pada kisaran 700–850°C, jauh lebih tinggi daripada NdFeB yang 310–350°C. Di wilayah bersuhu tinggi, kemiringan kurva demagnetisasi ireversibel SmCo dengan suhu juga jauh lebih datar dibandingkan dengan NdFeB.

Namun biaya SmCo harus ditanggung pada saat yang bersamaan. Remanen tipikalnya berada pada kisaran  0,95–1,1 T  , sedangkan NdFeB dapat mencapai 1,1–1,4 T; produk energi maksimum biasanya  25% –30%  lebih rendah dibandingkan NdFeB. Ini berarti bahwa untuk mencapai kerapatan fluks celah udara yang sama, magnet SmCo harus lebih tebal dan lebih berat, yang pada gilirannya melanggar ruang aksial mesin fluks aksial yang sudah sempit dan bahkan dapat meningkatkan inersia rotor dan kerugian arus eddy. SmCo juga lebih mahal, dan kematangan rantai pasokan serta fleksibilitas pengirimannya tidak sebaik NdFeB. Oleh karena itu, kecuali pemeriksaan termal dengan jelas menunjukkan bahwa 'bahkan NdFeB yang ditingkatkan ke EH/AH tidak dapat bertahan,'  menggunakan SmCo untuk 'membeli' margin suhu sering kali merupakan transaksi yang dibayar tiga kali lipat dalam hal berat, biaya, dan kepadatan daya.

Urutan Pemilihan yang Benar: Simpulkan Nilai Dari Suhu Magnet

Proses pemilihan magnet berbasis suhu yang dapat ditindaklanjuti untuk fluks aksial harus mengikuti urutan di bawah ini, bukan memulai dari tabel kadar.

Langkah 1: Tentukan pendinginannya terlebih dahulu, lalu diskusikan tingkatannya.  Metode pendinginan rotor mesin fluks aksial secara langsung menentukan 'lantai' suhu magnet. Pendinginan udara sederhana dan memiliki kerugian parasit yang rendah, namun konduktivitas termal dan kapasitas panas spesifik udara terbatas, dan kemampuan pendinginan sangat bergantung pada kecepatan dan lingkungan. Pendinginan oli sangat diharapkan pada fluks aksial; data eksperimen menunjukkan bahwa skema pendinginan oli yang masuk akal dapat menurunkan suhu maksimum sebesar  15–20°C  lebih jauh dibandingkan pendinginan air murni, namun pendinginan oli 'membawa panas' tidak sama dengan 'menghilangkan panas.' Perbedaan suhu antara tepi dan pusat struktur tipe cakram masih bisa mencapai  30–50 K , dan titik panas lokal menjadi objek verifikasi demagnetisasi. Sebelum skema pendinginan dibekukan, pemilihan kelas apa pun tidak memiliki premis yang dapat diandalkan.

Langkah 2: Masukkan kondisi korsleting ke dalam pemeriksaan suhu.  Suhu dalam pengoperasian normal hanyalah suhu dasar. Verifikasi demagnetisasi harus mencakup medan magnet terbalik yang dihasilkan oleh kesalahan pengontrol atau hubung singkat belitan, dan pemeriksaan ini harus dilakukan pada  suhu tertinggi yang dapat dicapai magnet dalam kondisi tersebut . Kriteria desain dalam literatur sangat jelas: ketebalan magnet harus dipilih untuk menghindari demagnetisasi ireversibel setelah arus hubung singkat tiga fasa pada suhu terendah. Secara umum, perlu dipastikan bahwa titik pengoperasian tidak berada di bawah titik lutut pada superposisi suhu terburuk dan medan demagnetisasi terburuk.

Langkah 3: Gunakan 'suhu magnet aktual + medan demagnetisasi hubung singkat' untuk memeriksa akhiran nilai.  Jika suhu titik panas magnet yang ditentukan oleh skema pendinginan dan desain elektromagnetik berada pada kisaran  140–150°C , dan medan demagnetisasi hubung singkat tidak parah, SH dapat masuk dalam daftar kandidat; setelah titik panas mendekati atau melebihi  160°C , UH adalah titik awal yang lebih andal; ketika titik panas mencapai  di atas 180°C , EH atau bahkan tingkat yang lebih tinggi harus dievaluasi secara serius, atau desain pendinginan itu sendiri harus dipertimbangkan kembali. Logikanya di sini adalah:  sufiks bukanlah sebuah 'tingkat kinerja,' namun sebuah 'tingkat kemampuan untuk mempertahankan titik lutut pada suhu tertentu.'  Biaya untuk tingkatan sufiks yang lebih tinggi (UH/EH) biasanya sedikit lebih rendah dari remanensi atau penambahan bahan tanah jarang yang lebih tinggi; ini bukan asuransi gratis.

Langkah 4: Gunakan segmentasi rotor dan geometri magnet untuk 'meringankan beban' pada suhu.  Pemilihan magnet bukanlah keputusan material yang terisolasi. Hilangnya arus eddy pada magnet rotor fluks aksial berhubungan langsung dengan panjang jalur arus eddy dan luas permukaan pada permukaan magnet, dan segmentasi magnet permanen merupakan cara yang efektif untuk mengurangi kehilangan arus eddy dan menekan kenaikan suhu. Ketika tingkatan telah ditentukan dan margin suhunya ketat, mengurangi pembangkitan panas magnet melalui optimalisasi segmentasi terkadang lebih ekonomis daripada sekadar menaikkan akhiran tingkatan sebanyak satu tingkat, dan juga lebih kondusif untuk menjaga kepadatan torsi.

Garis Penghakiman Praktis

Jika artikel ini ingin diringkas menjadi satu kalimat untuk dijadikan tinjauan desain, maka:  tingkat magnet rotor fluks aksial tidak boleh 'dipilih'; itu harus 'dihitung'—pertama-tama gunakan kondisi pendinginan dan arus pendek untuk menghitung suhu yang akan dicapai magnet, kemudian gunakan suhu tersebut untuk mencari titik lutut, dan terakhir tentukan akhirannya.

Untuk NdFeB,  120°C  adalah titik pengamatan di mana peluruhan reversibel mulai menjadi signifikan, dan sekitar  150°C  adalah wilayah di mana risiko demagnetisasi ireversibel memasuki tingkat yang harus diverifikasi secara serius. Kedua angka ini bukan merupakan 'suhu pengoperasian maksimum' dalam tabel nilai; sebaliknya, mereka mengingatkan para perancang bahwa dalam struktur sandwich fluks aksial, margin suhu menghilang lebih cepat dibandingkan pada mesin radial. Memperlakukan suhu sebagai subjek seleksi dan bukan sebagai objek penilaian adalah hal yang mencegah demagnetisasi berubah dari masalah material menjadi kesenjangan keandalan yang sistemik.