Wybór temperatury rozmagnesowania magnesu wirnika ze strumieniem osiowym: Temperatura jest pierwszym przedmiotem wyboru

Najczęstszy błąd w doborze magnesu silników o strumieniu osiowym należy zacząć od tabeli klas: najpierw spójrz na remanencję, następnie na maksymalną temperaturę roboczą i wybierz gatunek, który jest „wystarczająco dobry” do umieszczenia w zestawieniu komponentów. Jednak w strukturze ze strumieniem osiowym kolejność ta jest dokładnie odwrotna. Temperatura magnesu wirnika nie jest określana przez sam magnes; jest narzucony magnesowi przez topologię, chłodzenie i warunki pracy. Prawdziwym punktem wyjścia do wyboru jest jasne pytanie:  w najgorszym przypadku, w którym nałożą się zwarcie, przeciążenie i gorące punkty, jak nagrzeje się magnes i czy nadal będzie w stanie wytrzymać odwrotne pole magnetyczne w tej temperaturze?

Ryzyko rozmagnesowania strumienia osiowego jest „zapisane” w konstrukcji

Zaleta silników osiowych jest jasna: przy tej samej mocy, ciężar i długość osiową można zmniejszyć o połowę w porównaniu z silnikami promieniowymi. Ale ta zwartość wiąże się z kosztami termicznymi.

W topologii z dwoma stojanami i jednym wirnikiem wirnik jest umieszczony pomiędzy dwoma stojanami, dzięki czemu powierzchnia bezpośredniego kontaktu między wirnikiem a powietrzem jest znacznie zmniejszona, a droga rozpraszania ciepła jest z natury wąska. Jednocześnie same magnesy generują straty w postaci prądu wirowego w zmiennym polu magnetycznym, a ciepło to jest uwalniane bezpośrednio wewnątrz magnesów trwałych. Promieniowanie cieplne ze stojanów nałożone na samonagrzewanie wirnika sprawia, że ​​temperatura magnesu łatwo zbliża się do niebezpiecznej granicy lub nawet ją przekracza w warunkach ciągłej dużej mocy. W analizach branżowych powtarzają się opinie, że struktura warstwowa i duża gęstość mocy silników o strumieniu osiowym prowadzą do wyjątkowo niskiej pojemności cieplnej, co sprawia, że ​​magnesy wirnika są „wysoce podatne na przegrzanie”.

Dlatego dobór magnesu pod kątem strumienia osiowego nie może po prostu skopiować doświadczenia silników promieniowych. W przypadku silników promieniowych intuicja, że ​​„wirnik jest chłodzony przez wał, a powietrze na końcach”, w zasadzie zawodzi w topologii typu tarczowego.

Co właściwie dzieje się podczas rozmagnesowania: granica między odwracalną i nieodwracalną

Aby zrozumieć dobór, wystarczy zrozumieć dwie koncepcje temperatury.

Odwracalne rozmagnesowanie  to normalny „zanik termiczny” magnesu. Wraz ze wzrostem temperatury remanencja maleje liniowo i powraca po ochłodzeniu, bez trwałego uszkodzenia. NdFeB działa głównie w tym zakresie poniżej 120°C. Problem pojawia się powyżej 120°C: nachylenie odwracalnego zaniku staje się bardziej znaczące, a co ważniejsze,  granica nieodwracalnego rozmagnesowania przesuwa się bliżej.

Fizycznym kryterium nieodwracalnego rozmagnesowania jest  punkt przegięcia . Krzywa rozmagnesowania ma punkt przegięcia w drugiej ćwiartce. Punkty operacyjne powyżej punktu kolanowego są bezpieczne; gdy zewnętrzne odwrotne pole magnetyczne zepchnie punkt pracy poniżej punktu przegięcia, magnes nie może powrócić po usunięciu pola zewnętrznego, a pozostałość ulega trwałej utracie. Konsekwencje wzrostu temperatury są dwojakie: remanencja maleje, a jednocześnie  punkt przegięcia przesuwa się w prawo (w kierunku dolnego pola magnetycznego) , co oznacza, że ​​to samo odwrotne pole magnetyczne z większym prawdopodobieństwem przekroczy punkt przegięcia w wysokiej temperaturze. W przypadku NdFeB praktyka inżynierska ogólnie traktuje  około 150°C jako obszar krytyczny dla nieodwracalnego rozmagnesowania ; powyżej tego poziomu ryzyko całkowitej utraty właściwości magnetycznych nie jest już zdarzeniem o małym prawdopodobieństwie, które można pominąć.

Przyrostek literowy klasy magnesu zasadniczo określa  temperaturę, w której punkt przegięcia może nadal znajdować się wystarczająco daleko w prawo . Typowe odpowiedniki to: SH odpowiada około 150°C, UH 180°C, EH 200°C i AH 220°C. Jest jednak pewien punkt, który bardzo łatwo można błędnie odczytać: temperatura wskazana przez przyrostek to odporność temperaturowa materiału w  określonych warunkach kalibracji współczynnika przenikania , a nie „maksymalna temperatura robocza”, którą magnes uzyskuje automatycznie po zainstalowaniu w silniku. Ten sam magnes UH może pracować w sposób ciągły w temperaturze 130°C w dobrze chłodzonym prototypie, ale w części produkowanej masowo z niewystarczającym chłodzeniem warstwowym, temperatura gorącego punktu może bezpośrednio przekroczyć 170°C.

Samar-kobalt: opcja awaryjna, ale koszt należy jasno obliczyć

Kiedy margines temperatury NdFeB jest naprawdę niewystarczający, SmCo jest nieuniknioną alternatywą w inżynierii. SmCo ma znacznie wyższą odporność temperaturową; wiele gatunków można stosować w zastosowaniach na poziomie  350°C  , a temperatura Curie również mieści się w zakresie 700–850°C, czyli jest znacznie wyższa niż 310–350°C NdFeB. W obszarze wysokich temperatur nachylenie krzywej nieodwracalnego rozmagnesowania SmCo wraz z temperaturą jest również znacznie bardziej płaskie niż w przypadku NdFeB.

Ale jednocześnie należy wyłożyć na stół koszty SmCo. Jego typowa remanencja mieści się w zakresie  0,95–1,1 T  , podczas gdy NdFeB może sięgać 1,1–1,4 T; maksymalny produkt energetyczny jest zwykle o  25–30%  niższy niż NdFeB. Oznacza to, że aby osiągnąć tę samą gęstość strumienia w szczelinie powietrznej, magnesy SmCo muszą być grubsze i cięższe, co z kolei narusza i tak już ciasną przestrzeń osiową maszyn ze strumieniem osiowym i może nawet zwiększyć bezwładność wirnika i straty w postaci prądów wirowych. SmCo jest również droższe, a dojrzałość jego łańcucha dostaw i elastyczność dostaw nie są tak dobre jak w przypadku NdFeB. Dlatego też, jeśli kontrola termiczna wyraźnie nie wskaże, że „nawet NdFeB ulepszony do EH/AH nie może wytrzymać”,  użycie SmCo do „zakupu” marginesu temperatury jest często transakcją opłacaną trzykrotnie wyższą wagą, kosztem i gęstością mocy.

Prawidłowa kolejność wyboru: wywnioskować stopień z temperatury magnesu

Skuteczny proces doboru magnesu w oparciu o temperaturę pod kątem strumienia osiowego powinien być zgodny z poniższą kolejnością, a nie zaczynać od tabeli ocen.

Krok 1: Najpierw zdefiniuj chłodzenie, a następnie omów jego klasę.  Metoda chłodzenia wirnika maszyny ze strumieniem osiowym bezpośrednio określa „podłogę” temperatury magnesu. Chłodzenie powietrzem jest proste i wiąże się z niskimi stratami pasożytniczymi, ale przewodność cieplna i pojemność cieplna właściwa powietrza są ograniczone, a wydajność chłodzenia silnie zależy od prędkości i środowiska. Chłodzenie oleju jest wysoce oczekiwane w przypadku strumienia osiowego; dane eksperymentalne pokazują, że rozsądny schemat chłodzenia oleju może obniżyć maksymalną temperaturę o  15–20°C  bardziej niż chłodzenie czystą wodą, ale chłodzenie oleju „odprowadzanie ciepła” nie jest równoznaczne z „eliminacją ciepła”. Różnica temperatur między krawędzią a środkiem struktury typu dyskowego może nadal sięgać  30–50 K , a lokalny gorący punkt jest przedmiotem weryfikacji rozmagnesowania. Przed zamrożeniem schematu chłodzenia przy wyborze gatunku brakuje wiarygodnych przesłanek.

Krok 2: Umieść stan zwarcia w kontroli temperatury.  Temperatura podczas normalnej pracy jest jedynie wartością bazową. Weryfikacja rozmagnesowania musi obejmować odwrotne pole magnetyczne generowane przez błąd sterownika lub zwarcie uzwojenia, a kontrolę tę należy przeprowadzić przy  najwyższej temperaturze, jaką magnes może osiągnąć w tych warunkach . Kryterium konstrukcyjne stosowane w literaturze jest proste: grubość magnesu należy tak dobrać, aby uniknąć nieodwracalnego rozmagnesowania po trójfazowym prądzie zwarciowym w najniższej temperaturze. Mówiąc bardziej ogólnie, konieczne jest sprawdzenie, czy punkt pracy nie spada poniżej punktu przegięcia przy nakładaniu się najgorszej temperatury i najgorszego pola rozmagnesowującego.

Krok 3: Użyj „rzeczywistej temperatury magnesu + pola rozmagnesowania zwarciowego”, aby sprawdzić przyrostek klasy.  Jeżeli temperatura gorącego punktu magnesu wynikająca ze schematu chłodzenia i konstrukcji elektromagnetycznej jest rzędu  140–150°C , a pole rozmagnesowujące zwarciowe nie jest silne, SH może zostać umieszczony na liście kandydatów; gdy temperatura punktu gorącego osiągnie lub przekroczy  160°C , bardziej niezawodnym punktem wyjścia będzie UH; gdy temperatura gorącego punktu przekracza  180°C , należy poważnie ocenić klasę EH lub wyższą, albo ponownie rozważyć sam projekt chłodzenia. Logika jest tu następująca:  przyrostek nie oznacza „poziomu wydajności”, ale „poziomu zdolności do utrzymania punktu przegięcia w danej temperaturze”.  Koszt gatunków z wyższymi przyrostkami (UH/EH) to zwykle nieco niższa remanencja lub większy dodatek ciężkich pierwiastków ziem rzadkich; to nie jest darmowe ubezpieczenie.

Krok 4: Użyj segmentacji wirnika i geometrii magnesu, aby „odciążyć” temperaturę.  Wybór magnesu nie jest odosobnioną decyzją materiałową. Strata prądu wirowego magnesów wirnika o strumieniu osiowym jest bezpośrednio związana z długością ścieżki prądu wirowego i polem powierzchni na powierzchni magnesu, a segmentacja magnesu trwałego jest skutecznym sposobem zmniejszania strat prądu wirowego i tłumienia wzrostu temperatury. Kiedy gatunek został już określony, a margines temperatury jest niewielki, ograniczenie wytwarzania ciepła przez magnes poprzez optymalizację segmentacji jest czasami bardziej ekonomiczne niż zwykłe podniesienie przyrostka gatunku o jeden poziom, a także lepiej sprzyja zachowaniu gęstości momentu obrotowego.

Praktyczna linia oceny

Jeśli ten artykuł ma zostać streszczony w jednym zdaniu w celu przeglądu projektu, brzmi on następująco:  nie należy „wybierać” gatunku magnesu wirnika o strumieniu osiowym; należy to „obliczyć” — najpierw użyj warunków chłodzenia i zwarcia, aby obliczyć, jaką temperaturę osiągnie magnes, następnie użyj tej temperatury, aby sprawdzić punkt przegięcia i na koniec ustal przyrostek.

W przypadku NdFeB  temperatura 120°C  jest punktem obserwacji, w którym odwracalny rozpad zaczyna być znaczący, a około  150°C  to obszar, w którym ryzyko nieodwracalnej demagnetyzacji osiąga poziom, który należy poważnie zweryfikować. Te dwie liczby nie oznaczają „maksymalnej temperatury roboczej” w tabeli klas; przypominają raczej projektantom, że w warstwowej strukturze strumienia osiowego margines temperatury zanika szybciej niż w maszynach promieniowych. Traktowanie temperatury jako przedmiotu selekcji, a nie przedmiotu oceny, powstrzymuje rozmagnesowanie przed przekształceniem się z problemu materialnego w lukę w niezawodności systemowej.