Selezione della temperatura per la smagnetizzazione del magnete del rotore a flusso assiale: la temperatura è il primo argomento di selezione

L'errore più comune nella scelta del magnete è: Per i motori a flusso assiale è necessario iniziare dalla tabella delle qualità: esaminare prima la rimanenza, quindi la temperatura operativa massima e scegliere una qualità che sia 'abbastanza buona' da inserire nella distinta base. Ma in una struttura a flusso assiale, questo ordine è esattamente invertito. La temperatura del magnete del rotore non è determinata dal magnete stesso; è imposto al magnete dalla topologia, dal raffreddamento e dalle condizioni operative. Il vero punto di partenza della selezione è chiedersi chiaramente:  nel caso peggiore in cui si sovrappongono cortocircuito, sovraccarico e punti caldi, quanto caldo diventerà il magnete e potrà ancora resistere al campo magnetico inverso a quella temperatura?

Il rischio di smagnetizzazione del flusso assiale è 'scritto' nella struttura

Il punto di forza dei motori a flusso assiale è chiaro: a parità di potenza, peso e lunghezza assiale possono essere dimezzati rispetto ai motori radiali. Ma questa compattezza ha un costo termico.

In una topologia a doppio statore e rotore singolo, il rotore è inserito tra due statori, quindi l'area di contatto diretto tra il rotore e l'aria è notevolmente ridotta e il percorso di dissipazione del calore è intrinsecamente stretto. Allo stesso tempo, i magneti stessi generano perdite per correnti parassite nel campo magnetico alternato e questo calore viene rilasciato direttamente all'interno dei magneti permanenti. La radiazione termica proveniente dagli statori sovrapposta all'autoriscaldamento del rotore facilita l'avvicinamento o addirittura il superamento della temperatura del magnete al limite pericoloso in condizioni continue di alta potenza. Un giudizio ricorrente nelle analisi del settore è che la struttura a sandwich e l'elevata densità di potenza dei motori a flusso assiale portano a una capacità termica estremamente bassa, rendendo i magneti del rotore 'altamente inclini al surriscaldamento'.

Pertanto, la selezione del magnete per il flusso assiale non può semplicemente copiare l’esperienza dei motori radiali. L'intuizione nei motori radiali secondo cui 'il rotore viene raffreddato attraverso l'albero e l'aria alle estremità' sostanzialmente fallisce in una topologia a disco.

Cosa succede realmente nella smagnetizzazione: il confine tra reversibile e irreversibile

Per comprendere la selezione è sufficiente comprendere due concetti di temperatura.

La smagnetizzazione reversibile  è il normale 'decadimento termico' di un magnete. All'aumentare della temperatura, la rimanenza diminuisce linearmente e si ripristina dopo il raffreddamento, senza danni permanenti. NdFeB opera principalmente in questo intervallo inferiore a 120°C. Il problema si presenta sopra i 120°C: la pendenza del decadimento reversibile diventa più significativa e, in modo più critico,  il confine della smagnetizzazione irreversibile viene avvicinato.

Il criterio fisico per la smagnetizzazione irreversibile è il  punto di ginocchio . La curva di smagnetizzazione ha un punto di flesso nel secondo quadrante. I punti operativi sopra il punto del ginocchio sono sicuri; una volta che un campo magnetico inverso esterno spinge il punto operativo al di sotto del punto di ginocchio, il magnete non può ritornare dopo che il campo esterno viene rimosso e la rimanenza subisce una perdita permanente. La conseguenza dell'aumento della temperatura è duplice: la rimanenza diminuisce e allo stesso tempo  il punto di ginocchio si sposta verso destra (verso il campo magnetico inferiore) , il che significa che è più probabile che lo stesso campo magnetico inverso attraversi il punto di ginocchio ad alta temperatura. Per NdFeB, la pratica ingegneristica generalmente considera  circa 150°C come la regione critica per la smagnetizzazione irreversibile ; al di sopra di questo livello, il rischio di perdita completa delle prestazioni magnetiche non è più un evento trascurabile e poco probabile.

Il suffisso della lettera di un grado magnetico specifica essenzialmente  la temperatura alla quale il punto di ginocchio può ancora rimanere sufficientemente spostato a destra . Le corrispondenze comuni sono: SH corrisponde a circa 150°C, UH a 180°C, EH a 200°C e AH a 220°C. Ma c'è un punto che è molto facilmente frainteso: la temperatura indicata dal suffisso è la resistenza termica del materiale in  specifiche condizioni di calibrazione del coefficiente di permeazione , non la 'temperatura massima di funzionamento' che il magnete ottiene automaticamente dopo essere stato installato nel motore. Lo stesso magnete UH può funzionare continuamente a 130°C in un prototipo ben raffreddato, ma in una parte di produzione di massa con un raffreddamento a sandwich insufficiente, il punto caldo può superare direttamente i 170°C.

Samario Cobalto: l'opzione di riserva, ma il costo deve essere calcolato in modo chiaro

Quando il margine di temperatura del NdFeB è veramente insufficiente, SmCo rappresenta un'alternativa inevitabile in ingegneria. SmCo ha una resistenza alla temperatura significativamente più elevata; molti gradi possono essere utilizzati in applicazioni al livello di  350°C  , e anche la temperatura di Curie è compresa nell'intervallo 700–850°C, molto superiore ai 310–350°C del NdFeB. Nella regione ad alta temperatura, anche la pendenza della curva di smagnetizzazione irreversibile di SmCo con la temperatura è molto più piatta di quella di NdFeB.

Ma allo stesso tempo occorre mettere sul tavolo il costo di SmCo. La sua rimanenza tipica è compresa tra  0,95 e 1,1 T  , mentre il NdFeB può raggiungere 1,1-1,4 T; il prodotto energetico massimo è solitamente inferiore  del 25% –30%  rispetto a quello del NdFeB. Ciò significa che per ottenere la stessa densità di flusso del traferro, i magneti SmCo devono essere più spessi e più pesanti, il che a sua volta invade lo spazio assiale già ristretto delle macchine a flusso assiale e può persino aumentare l’inerzia del rotore e le perdite per correnti parassite. SmCo è anche più costosa e la maturità della sua catena di fornitura e la flessibilità di consegna non sono buone quanto quelle di NdFeB. Pertanto, a meno che il controllo termico indichi chiaramente che 'anche NdFeB aggiornato a EH/AH non può reggere',  utilizzare SmCo per 'acquistare' il margine di temperatura è spesso una transazione pagata tre volte in termini di peso, costo e densità di potenza.

Il corretto ordine di selezione: dedurre il grado dalla temperatura del magnete

Un processo di selezione del magnete basato sulla temperatura per il flusso assiale dovrebbe seguire l'ordine riportato di seguito, anziché iniziare dalla tabella dei gradi.

Passaggio 1: definire prima il raffreddamento, quindi discutere la qualità.  Il metodo di raffreddamento del rotore di una macchina a flusso assiale determina direttamente la 'base' della temperatura del magnete. Il raffreddamento dell'aria è semplice e presenta basse perdite parassite, ma la conduttività termica e la capacità termica specifica dell'aria sono limitate e la capacità di raffreddamento dipende fortemente dalla velocità e dall'ambiente. Il raffreddamento dell'olio è altamente previsto nel flusso assiale; i dati sperimentali mostrano che un ragionevole schema di raffreddamento dell'olio può ridurre la temperatura massima di  15–20°C  rispetto al puro raffreddamento ad acqua, ma il raffreddamento dell'olio 'porta via il calore' non equivale a 'eliminare il calore'. La differenza di temperatura tra il bordo e il centro di una struttura a disco può ancora raggiungere  i 30–50 K e il punto caldo locale è oggetto di verifica della smagnetizzazione. Prima che lo schema di raffreddamento venga congelato, qualsiasi scelta di qualità manca di una premessa affidabile.

Passaggio 2: inserire la condizione di cortocircuito nel controllo della temperatura.  La temperatura in condizioni di funzionamento normale è solo quella di riferimento. La verifica della smagnetizzazione deve coprire il campo magnetico inverso generato da un guasto del controller o da un cortocircuito dell'avvolgimento e questo controllo deve essere eseguito alla  temperatura più alta che il magnete può raggiungere in tale condizione . Il criterio di progettazione presente in letteratura è semplice: lo spessore del magnete dovrebbe essere scelto in modo da evitare una smagnetizzazione irreversibile dopo una corrente di cortocircuito trifase alla temperatura più bassa. Più in generale è necessario verificare che il punto di funzionamento non scenda al di sotto del punto di ginocchio in corrispondenza della sovrapposizione della peggiore temperatura e del peggiore campo smagnetizzante.

Passaggio 3: utilizzare 'temperatura effettiva del magnete + campo di smagnetizzazione del cortocircuito' per verificare il suffisso del grado.  Se la temperatura del punto caldo del magnete data dallo schema di raffreddamento e dal progetto elettromagnetico è dell'ordine di  140–150°C e il campo di smagnetizzazione del cortocircuito non è grave, SH può entrare nell'elenco dei candidati; una volta che il punto caldo si avvicina o supera  i 160°C , l'UH è un punto di partenza più affidabile; quando il punto caldo supera  i 180°C , è necessario valutare seriamente l'EH o gradi anche superiori, oppure è necessario riconsiderare la progettazione del raffreddamento stesso. La logica qui è:  il suffisso non è un 'livello di prestazione', ma un 'livello di capacità di preservare il punto di ginocchio a una data temperatura'.  Il costo dei gradi con suffisso più alto (UH/EH) è solitamente una rimanenza leggermente inferiore o un'aggiunta più elevata di terre pesanti e rare; non è un'assicurazione gratuita.

Passaggio 4: utilizzare la segmentazione del rotore e la geometria del magnete per 'alleggerire il carico' sulla temperatura.  La scelta del magnete non è una decisione materiale isolata. La perdita per correnti parassite dei magneti del rotore a flusso assiale è direttamente correlata alla lunghezza del percorso delle correnti parassite e all'area superficiale sulla superficie del magnete, e la segmentazione del magnete permanente è un mezzo efficace per ridurre la perdita per correnti parassite e sopprimere l'aumento di temperatura. Quando il grado è già stato determinato e il margine di temperatura è stretto, ridurre la generazione di calore del magnete attraverso l'ottimizzazione della segmentazione è talvolta più economico che aumentare semplicemente il suffisso del grado di un livello ed è anche più favorevole a preservare la densità di coppia.

Una linea di giudizio pratica

Se questo articolo deve essere compresso in una frase da portare in una revisione del progetto, è:  il grado di un magnete del rotore a flusso assiale non dovrebbe essere 'selezionato'; dovrebbe essere 'calcolato': prima usa le condizioni di raffreddamento e cortocircuito per calcolare la temperatura che raggiungerà il magnete, quindi usa quella temperatura per cercare il punto di ginocchio e infine stabilisci il suffisso.

Per NdFeB,  120°C  è il punto di osservazione in cui il decadimento reversibile comincia a diventare significativo, e intorno a  150°C  è la regione in cui il rischio di smagnetizzazione irreversibile entra nel livello che deve essere seriamente verificato. Questi due numeri non rappresentano la 'temperatura massima di esercizio' nella tabella dei voti; piuttosto, ricordano ai progettisti che nella struttura a sandwich del flusso assiale, il margine di temperatura scompare più velocemente che nelle macchine radiali. Trattare la temperatura come oggetto di selezione piuttosto che come oggetto di valutazione è ciò che impedisce alla smagnetizzazione di trasformarsi da un problema materiale in un divario di affidabilità sistemica.