磁石の選択で最もよくある間違いは、 アキシャル磁束モータは グレード表から始める必要があります。最初に残留磁束を調べ、次に最高動作温度を見て、BOM に入れるのに「十分な」グレードを選択します。しかし、軸方向磁束構造では、この順序はまったく逆になります。ローターの磁石の温度は磁石自体によって決まるわけではありません。これは、トポロジー、冷却、および動作条件によって磁石に影響されます。選択の本当の出発点は、明確に問うことです。 短絡、過負荷、ホットスポットが重なった最悪のケースで、磁石はどのくらい熱くなるのか、そしてその温度でも逆磁場に耐えることができるのか?
軸方向磁束の減磁リスクは構造に「書き込まれる」
アキシャル磁束モータのセールスポイントは明らかです。同じ出力で、重量と軸方向の長さをラジアルモータと比較して半分にすることができます。ただし、このコンパクトさには熱コストがかかります。
ダブルステーター シングルローター トポロジでは、ローターが 2 つのステーターの間に挟まれているため、ローターと空気との直接接触面積が大幅に減少し、熱放散経路が本質的に狭くなります。同時に、磁石自体が交流磁場中で渦電流損失を生成し、この熱は永久磁石の内部で直接放出されます。ローターの自己発熱にステーターからの熱放射が重なり、継続的な高出力条件下では磁石の温度が危険な境界に近づき、さらには危険な境界を超えやすくなります。業界の分析では、アキシャル磁束モーターのサンドイッチ構造と高出力密度により熱容量が非常に低くなり、ローターの磁石が「非常に過熱しやすくなる」という判断が繰り返し行われています。
したがって、アキシャル磁束に対する磁石の選択は、ラジアル モーターの経験を単純にコピーすることはできません。 「ローターはシャフトと端の空気を通して冷却される」というラジアルモーターの直感は、ディスクタイプのトポロジーでは基本的に役に立ちません。
消磁では実際に何が起こっているのか: 可逆と不可逆の境界
選択を理解するには、2 つの温度概念を理解するだけで済みます。
可逆的な減磁は 、磁石の通常の「熱減衰」です。温度が上昇すると、残留磁気は直線的に減少し、冷却後に永久的な損傷を与えることなく回復します。 NdFeB は主に 120°C 未満のこの範囲で動作します。問題は 120°C を超えると現れます。可逆減衰の傾きがより顕著になり、さらに重要なことに、 不可逆減磁の境界が近づきます。.
不可逆減磁の物理的基準は ニーポイントです。減磁曲線には第 2 象限に変曲点があります。膝点より上の動作点は安全です。外部の逆磁場によって動作点がニーポイントより下に押し上げられると、外部磁場が取り除かれた後に磁石は戻ることができなくなり、残留磁気が永久損失を被ります。温度上昇の結果は 2 つあります。残留磁気が減少し、同時に ニー ポイントが右 (より低い磁場に向かって) に移動します。これは、高温では同じ逆磁場がニー ポイントを横切る可能性が高くなることを意味します。 NdFeB の場合、工学実務では一般に 約 150°C が不可逆減磁の臨界領域として扱われます。このレベルを超えると、磁気性能が完全に失われるリスクは、もはや無視できる小さな確率の出来事ではなくなります。
磁石のグレードの末尾の文字は、本質的に、 ニーポイントが十分に右に留まることができる温度を指定します。一般的な対応関係は次のとおりです。SH は約 150 °C、UH は 180 °C、EH は 200 °C、AH は 220 °C に対応します。しかし、非常に誤解されやすい点があります。接尾辞で示される温度は、 特定のパーミアンス係数校正条件下での材料の温度抵抗であり、モーターに取り付けられた後に磁石が自動的に得られる「最高動作温度」ではありません。同じ UH 磁石は、十分に冷却されたプロトタイプでは 130°C で連続的に動作しますが、サンドイッチ冷却が不十分な量産部品では、ホットスポットが直接 170°C を超える可能性があります。
サマリウム コバルト: フォールバック オプションですが、コストは明確に計算する必要があります
NdFeB の温度マージンが本当に不十分な場合、SmCo は工学的に避けられない代替品となります。 SmCo は非常に高い耐熱性を持っています。多くのグレードはの用途で使用でき 350°Cレベル 、キュリー温度も 700 ～ 850°C の範囲にあり、NdFeB の 310 ～ 350°C よりもはるかに高くなります。高温領域では、温度に対する SmCo の不可逆減磁曲線の傾きも NdFeB の傾きよりもはるかに平坦です。
しかし、SmCo のコストも同時に検討する必要があります。その典型的な残留磁気は 0.95 ～ 1.1 T の 範囲ですが、NdFeB は 1.1 ～ 1.4 T に達することがあります。最大エネルギー積は通常、 NdFeB のエネルギー積より 25% ～ 30% 低くなります。これは、同じエアギャップ磁束密度を達成するには、SmCo 磁石をより厚く、より重くする必要があることを意味します。その結果、アキシャル磁束機械のすでに狭い軸方向スペースが侵害され、ロータの慣性と渦電流損失が増加する可能性さえあります。 SmCo は価格も高く、サプライチェーンの成熟度と配送の柔軟性は NdFeB ほど良くありません。したがって、熱チェックで「EH/AH にアップグレードした NdFeB でも保持できない」ことが明確に示されない限り、 温度マージンを「買う」ために SmCo を使用することは、重量、コスト、電力密度の点で 3 倍以上の支払いとなることがよくあります。.
正しい選択順序: 磁石の温度からグレードを推測する
軸磁束に対する実用的な温度ベースの磁石選択プロセスは、グレード表から始めるのではなく、以下の順序に従う必要があります。
ステップ 1: まず冷却を定義し、次にグレードについて検討します。 アキシャルフラックスマシンのローター冷却方法は、磁石温度の「下限」を直接決定します。空冷はシンプルで寄生損失が低いですが、空気の熱伝導率と比熱容量には限界があり、冷却能力は速度と環境に大きく依存します。軸方向磁束では油冷却が非常に期待されています。実験データによると、合理的な油冷方式では純水冷却よりも最高温度を 15 ～ 20℃下げることができます が、油冷による「熱の除去」は「熱の除去」と同じではありません。ディスク型構造の端と中心の間の温度差は依然として 30 ～ 50 Kに達する可能性があり、局所的なホット スポットが減磁検証の対象となります。冷却計画が凍結される前に、グレードの選択には信頼できる前提が欠けています。
ステップ 2: 短絡状態を温度チェックに入れます。 通常動作時の温度はベースラインにすぎません。減磁検証は、コントローラの故障または巻線の短絡によって発生する逆磁界をカバーする必要があり、このチェックは、 その条件下で磁石が到達する可能性のある最高温度で実行する必要があります。文献に記載されている設計基準は単純です。磁石の厚さは、最低温度での三相短絡電流後の不可逆減磁を回避するように選択する必要があります。より一般的には、動作点が最悪の温度と最悪の減磁界が重なったときのニーポイントを下回らないことを確認する必要がある。
ステップ 3: 「実際の磁石温度 + 短絡反磁界」を使用してグレードの末尾を確認します。冷却方式と電磁設計によって与えられる磁石のホットスポット温度が 程度で 140 ～ 150°C、短絡反磁界が大きくない場合、SH が候補リストに入る可能性があります。ホットスポットが 160°Cに近づくかそれを超えると、UH がより信頼性の高い開始点となります。ホットスポットが 180°C を超える場合は、EH またはそれ以上のグレードを真剣に評価するか、冷却設計自体を再検討する必要があります。ここでの論理は、 接尾辞は「パフォーマンス レベル」ではなく、「所定の温度でニーポイントを維持する能力レベル」であるということです。 より高い接尾語グレード (UH/EH) のコストは、通常、残留磁束密度がわずかに低いか、重希土類の添加量が多くなります。無料の保険ではありません。
ステップ 4: ローターのセグメント化と磁石の形状を使用して、温度に対する「負荷を軽減」します。 磁石の選択は、材料を個別に決定するものではありません。アキシャル磁束ロータ磁石の渦電流損失は、渦電流の経路長と磁石表面の表面積に直接関係しており、永久磁石の分割は渦電流損失の低減と温度上昇の抑制に有効な手段です。グレードがすでに決定されており、温度マージンが厳しい場合、セグメンテーションの最適化によって磁石自体の発熱を低減する方が、単にグレードの末尾を 1 レベル上げるよりも経済的である場合があり、トルク密度の維持にも役立ちます。
現実的な判断ライン
この記事を設計レビューに持ち込むために一文に要約すると、次のようになります。 アキシャル磁束ロータの磁石のグレードは「選択」されるべきではありません。それは「計算」されるべきです。最初に冷却と短絡条件を使用して磁石が到達する温度を計算し、次にその温度を使用してニーポイントを調べ、最後に接尾辞を決定します。
NdFeB の場合、 120°C は 可逆減衰が顕著になり始める観測点であり、 150°C付近は 不可逆減磁のリスクが真剣に検証する必要があるレベルに入る領域です。これら 2 つの数値はグレード表の「最高使用温度」ではありません。むしろ、軸方向磁束のサンドイッチ構造ではラジアル機械よりも温度マージンが早く消失することを設計者に思い出させます。グレードの対象ではなく、温度を選択の対象として扱うことで、減磁が材料の問題からシステム的な信頼性のギャップに変わるのを防ぐことができます。
