Axiale flux rotormagneet demagnetisatie Temperatuurselectie: temperatuur is het eerste onderwerp van selectie

De meest voorkomende fout bij het selecteren van magneten Bij axiale fluxmotoren moet je uitgaan van de kwaliteitstabel: kijk eerst naar de remanentie, dan naar de maximale bedrijfstemperatuur, en kies een kwaliteit die 'goed genoeg' is om in de stuklijst te plaatsen. Maar in een axiale fluxstructuur is deze volgorde precies omgekeerd. De temperatuur van de rotormagneet wordt niet bepaald door de magneet zelf; het wordt aan de magneet opgelegd door de topologie, de koeling en de bedrijfsomstandigheden. Het echte uitgangspunt bij selectie is om duidelijk te vragen:  in het ergste geval waarin kortsluiting, overbelasting en hete plekken elkaar overlappen, hoe heet zal de magneet worden, en kan hij bij die temperatuur nog steeds het omgekeerde magnetische veld weerstaan?

Het demagnetisatierisico van axiale flux is 'ingeschreven' in de structuur

Het verkoopargument van axiale fluxmotoren is duidelijk: bij hetzelfde vermogen kunnen het gewicht en de axiale lengte worden gehalveerd in vergelijking met radiale motoren. Maar deze compactheid brengt thermische kosten met zich mee.

In een topologie met dubbele stator en enkele rotor is de rotor ingeklemd tussen twee stators, waardoor het directe contactoppervlak tussen de rotor en de lucht aanzienlijk wordt verkleind en het pad voor warmtedissipatie inherent smal is. Tegelijkertijd genereren de magneten zelf wervelstroomverliezen in het magnetische wisselveld, en deze warmte komt direct in de permanente magneten vrij. De thermische straling van de stators, bovenop de zelfverhitting van de rotor, maakt het gemakkelijk voor de magneettemperatuur om de gevaarlijke grens te naderen of zelfs te overschrijden onder omstandigheden met continu hoog vermogen. Een terugkerend oordeel in sectoranalyses is dat de sandwichstructuur en de hoge vermogensdichtheid van axiale fluxmotoren leiden tot een extreem lage thermische capaciteit, waardoor de rotormagneten 'zeer gevoelig zijn voor oververhitting.'

Daarom kan de magneetselectie voor axiale flux niet zomaar de ervaring van radiale motoren kopiëren. De intuïtie bij radiale motoren dat 'de rotor wordt gekoeld door de as en de lucht aan de uiteinden' faalt feitelijk in een schijfachtige topologie.

Wat er feitelijk gebeurt bij demagnetisatie: de grens tussen omkeerbaar en onomkeerbaar

Om selectie te begrijpen, hoeft u slechts twee temperatuurconcepten te begrijpen.

Omkeerbare demagnetisatie  is het normale 'thermische verval' van een magneet. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de remanentie lineair af en herstelt deze na afkoeling, zonder blijvende schade. NdFeB is voornamelijk actief in dit bereik onder de 120°C. Het probleem doet zich voor boven de 120°C: de helling van omkeerbaar verval wordt belangrijker, en belangrijker nog:  de grens van onomkeerbare demagnetisatie wordt dichterbij gebracht.

Het fysieke criterium voor onomkeerbare demagnetisatie is het  kniepunt . De demagnetisatiecurve heeft een buigpunt in het tweede kwadrant. Bedieningspunten boven het kniepunt zijn veilig; Zodra een extern omgekeerd magnetisch veld het werkpunt onder het kniepunt duwt, kan de magneet niet terugkeren nadat het externe veld is verwijderd, en gaat de remanentie permanent verloren. Het gevolg van een stijgende temperatuur is tweeledig: de remanentie neemt af en tegelijkertijd  beweegt het kniepunt naar rechts (in de richting van het lagere magnetische veld) , wat betekent dat het waarschijnlijker is dat hetzelfde omgekeerde magnetische veld het kniepunt kruist bij hoge temperaturen. Voor NdFeB beschouwt de technische praktijk  ongeveer 150°C doorgaans als het kritieke gebied voor onomkeerbare demagnetisatie ; boven dit niveau is het risico van volledig verlies van magnetische prestaties niet langer een verwaarloosbare gebeurtenis met een kleine waarschijnlijkheid.

Het letterachtervoegsel van een magneetsoort geeft in wezen  de temperatuur aan waarbij het kniepunt nog ver genoeg naar rechts kan blijven . Veel voorkomende overeenkomsten zijn: SH komt overeen met ongeveer 150°C, UH met 180°C, EH met 200°C en AH met 220°C. Maar er is een punt dat gemakkelijk verkeerd kan worden gelezen: de temperatuur die wordt aangegeven door het achtervoegsel is de temperatuurbestendigheid van het materiaal onder  specifieke kalibratieomstandigheden voor de permeantiecoëfficiënt , en niet de 'maximale bedrijfstemperatuur' die de magneet automatisch verkrijgt nadat hij in de motor is geïnstalleerd. Dezelfde UH-magneet kan in een goed gekoeld prototype continu bij 130°C werken, maar in een massaproductieonderdeel met onvoldoende sandwichkoeling kan de hotspot direct boven de 170°C stijgen.

Samarium-kobalt: de terugvaloptie, maar de kosten moeten duidelijk worden berekend

Wanneer de temperatuurmarge van NdFeB echt onvoldoende is, is SmCo een onvermijdelijk alternatief in de techniek. SmCo heeft een aanzienlijk hogere temperatuurbestendigheid; veel kwaliteiten kunnen worden gebruikt in toepassingen op een niveau van  350 °C  , en de Curie-temperatuur ligt ook in het bereik van 700–850 °C, veel hoger dan de 310–350 °C van NdFeB. In het hoge temperatuurgebied is de helling van de onomkeerbare demagnetisatiecurve van SmCo met de temperatuur ook veel vlakker dan die van NdFeB.

Maar tegelijkertijd moeten de kosten van SmCo op tafel komen. De typische remanentie ligt in het bereik  van 0,95–1,1 T  , terwijl NdFeB 1,1–1,4 T kan bereiken; het maximale energieproduct is doorgaans  25%–30%  lager dan dat van NdFeB. Dit betekent dat om dezelfde luchtspleetfluxdichtheid te bereiken, SmCo-magneten dikker en zwaarder moeten zijn, wat op zijn beurt de toch al krappe axiale ruimte van axiale fluxmachines aantast en zelfs de rotortraagheid en wervelstroomverliezen kan vergroten. SmCo is ook duurder en de volwassenheid en leveringsflexibiliteit van de toeleveringsketen zijn niet zo goed als die van NdFeB. Tenzij uit de thermische controle duidelijk blijkt dat 'zelfs NdFeB geüpgraded naar EH/AH dit niet kan volhouden',  is het gebruik van SmCo om de temperatuurmarge 'te kopen' vaak een transactie die drie keer zo hoog wordt betaald in gewicht, kosten en vermogensdichtheid..

De juiste volgorde van selectie: Leid het cijfer af uit de magneettemperatuur

Een bruikbaar, op temperatuur gebaseerd magneetselectieproces voor axiale flux moet de onderstaande volgorde volgen, in plaats van te beginnen met de beoordelingstabel.

Stap 1: Definieer eerst de koeling en bespreek daarna het cijfer.  De rotorkoelmethode van een axiale fluxmachine bepaalt rechtstreeks de 'vloer' van de magneettemperatuur. Luchtkoeling is eenvoudig en heeft lage parasitaire verliezen, maar de thermische geleidbaarheid en specifieke warmtecapaciteit van lucht zijn beperkt en het koelvermogen is sterk afhankelijk van snelheid en omgeving. Oliekoeling wordt sterk verwacht bij axiale flux; Uit experimentele gegevens blijkt dat een redelijk oliekoelingsplan de maximumtemperatuur met  15–20°C  verder kan verlagen dan zuiver waterkoeling, maar oliekoeling 'warmte afvoeren' is niet hetzelfde als 'het elimineren van warmte'. Het temperatuurverschil tussen de rand en het midden van een schijfachtige structuur kan nog steeds oplopen tot  30–50 K , en de lokale hotspot is het voorwerp van demagnetisatieverificatie. Voordat het koelschema wordt bevroren, ontbeert elke kwaliteitselectie een betrouwbaar uitgangspunt.

Stap 2: Plaats de kortsluiting in de temperatuurcontrole.  De temperatuur bij normaal gebruik is slechts de basislijn. De demagnetisatieverificatie moet betrekking hebben op het omgekeerde magnetische veld dat wordt gegenereerd door een controllerfout of kortsluiting in de wikkeling, en deze controle moet worden uitgevoerd bij  de hoogste temperatuur die de magneet onder die omstandigheden kan bereiken . Het ontwerpcriterium in de literatuur is eenvoudig: de magneetdikte moet zo worden gekozen dat onomkeerbare demagnetisatie na een driefasige kortsluitstroom bij de laagste temperatuur wordt vermeden. Meer in het algemeen is het noodzakelijk om te bevestigen dat het werkpunt niet onder het kniepunt valt bij de superpositie van de slechtste temperatuur en het slechtste demagnetiserende veld.

Stap 3: Gebruik 'werkelijke magneettemperatuur + kortsluitdemagnetiseringsveld' om het kwaliteitsachtervoegsel te controleren.  Als de hotspot-temperatuur van de magneet, gegeven door het koelschema en het elektromagnetische ontwerp, in de orde van grootte van  140–150 ° C ligt , en het demagnetiserende veld bij kortsluiting niet ernstig is, mag SH op de kandidatenlijst komen; zodra de hotspot  de 160°C nadert of overschrijdt , is UH een betrouwbaarder uitgangspunt; wanneer de hotspot  boven de 180°C komt , moeten EH- of zelfs hogere klassen serieus worden geëvalueerd, of moet het koelontwerp zelf worden heroverwogen. De logica hier is:  het achtervoegsel is geen 'prestatieniveau', maar een 'capaciteitsniveau voor het behouden van het kniepunt bij een bepaalde temperatuur.'  De kosten van hogere achtervoegselkwaliteiten (UH/EH) zijn meestal een iets lagere remanentie of een hogere toevoeging van zware zeldzame aardmetalen; het is geen gratis verzekering.

Stap 4: Gebruik rotorsegmentatie en magneetgeometrie om de temperatuurlast te verlichten.  Magneetselectie is geen geïsoleerde materiële beslissing. Het wervelstroomverlies van axiale fluxrotormagneten houdt rechtstreeks verband met de wervelstroompadlengte en het oppervlak op het magneetoppervlak, en segmentatie van permanente magneten is een effectief middel om wervelstroomverlies te verminderen en temperatuurstijging te onderdrukken. Wanneer de kwaliteit al is bepaald en de temperatuurmarge krap is, is het verminderen van de eigen warmteontwikkeling van de magneet door middel van segmentatieoptimalisatie soms economischer dan simpelweg het cijferachtervoegsel met één niveau verhogen, en het is ook bevorderlijker voor het behoud van de koppeldichtheid.

Een praktische oordeelslijn

Als dit artikel in één zin moet worden samengevat om in een ontwerprecensie te worden opgenomen, dan is het:  de kwaliteit van een rotormagneet met axiale flux mag niet 'geselecteerd' zijn; het moet worden 'berekend' - gebruik eerst de koelings- en kortsluitingsomstandigheden om te berekenen welke temperatuur de magneet zal bereiken, gebruik vervolgens die temperatuur om het kniepunt op te zoeken en kies uiteindelijk het achtervoegsel.

Voor NdFeB is  120°C  het observatiepunt waarop omkeerbaar verval significant begint te worden, en rond  150°C  is het gebied waar het onomkeerbare demagnetisatierisico het niveau bereikt dat serieus moet worden geverifieerd. Deze twee cijfers zijn niet de 'maximale bedrijfstemperatuur' in de cijfertabel; ze herinneren ontwerpers er eerder aan dat in de sandwichstructuur van axiale flux de temperatuurmarge sneller verdwijnt dan in radiale machines. Het behandelen van temperatuur als het onderwerp van selectie in plaats van als het object van de kwaliteit, zorgt ervoor dat demagnetisatie niet verandert van een materieel probleem in een systemische betrouwbaarheidskloof.