Seleção da temperatura de desmagnetização do ímã do rotor de fluxo axial: a temperatura é o primeiro assunto a ser selecionado

O erro mais comum na seleção de ímãs para motores de fluxo axial é começar a partir da tabela de classificação: primeiro observe a remanência, depois a temperatura máxima de operação e escolha uma classificação que seja “boa o suficiente” para ser colocada na lista técnica. Mas numa estrutura de fluxo axial, esta ordem é exatamente invertida. A temperatura do ímã do rotor não é determinada pelo próprio ímã; é imposto ao ímã pela topologia, pelo resfriamento e pelas condições de operação. O verdadeiro ponto de partida da seleção é perguntar claramente:  no pior caso em que curto-circuito, sobrecarga e pontos quentes se sobrepõem, quão quente o ímã ficará e ele ainda poderá suportar o campo magnético reverso nessa temperatura?

O risco de desmagnetização do fluxo axial está “escrito na estrutura”

O ponto de venda dos motores de fluxo axial é claro: com a mesma potência, o peso e o comprimento axial podem ser reduzidos pela metade em comparação com os motores radiais. Mas esta compacidade tem um custo térmico.

Em uma topologia de rotor único de estator duplo, o rotor fica imprensado entre dois estatores, de modo que a área de contato direto entre o rotor e o ar é bastante reduzida e o caminho de dissipação de calor é inerentemente estreito. Ao mesmo tempo, os próprios ímãs geram perdas por correntes parasitas no campo magnético alternado, e esse calor é liberado diretamente dentro dos ímãs permanentes. A radiação térmica dos estatores sobreposta ao autoaquecimento do rotor facilita que a temperatura do ímã se aproxime ou mesmo cruze o limite perigoso sob condições contínuas de alta potência. Um julgamento recorrente nas análises da indústria é que a estrutura sanduíche e a alta densidade de potência dos motores de fluxo axial levam a uma capacidade térmica extremamente baixa, tornando os ímãs do rotor “altamente propensos ao superaquecimento”.

Portanto, a seleção do ímã para fluxo axial não pode simplesmente copiar a experiência dos motores radiais. A intuição nos motores radiais de que “o rotor é resfriado através do eixo e o ar nas extremidades” basicamente falha em uma topologia do tipo disco.

O que realmente acontece na desmagnetização: a fronteira entre reversível e irreversível

Para entender a seleção, basta compreender dois conceitos de temperatura.

A desmagnetização reversível  é a “decadência térmica” normal de um ímã. À medida que a temperatura aumenta, a remanência diminui linearmente e recupera após o resfriamento, sem danos permanentes. O NdFeB opera principalmente nesta faixa abaixo de 120°C. O problema aparece acima de 120°C: a inclinação do decaimento reversível torna-se mais significativa e, mais criticamente,  o limite da desmagnetização irreversível é aproximado..

O critério físico para desmagnetização irreversível é o  ponto de joelho . A curva de desmagnetização tem um ponto de inflexão no segundo quadrante. Os pontos operacionais acima do joelho são seguros; uma vez que um campo magnético reverso externo empurra o ponto de operação abaixo do ponto de joelho, o ímã não pode retornar após o campo externo ser removido e a remanência sofre perda permanente. A consequência do aumento da temperatura é dupla: a remanência diminui e, ao mesmo tempo,  o ponto de joelho se move para a direita (em direção ao campo magnético inferior) , o que significa que é mais provável que o mesmo campo magnético reverso cruze o ponto de joelho em alta temperatura. Para NdFeB, a prática de engenharia geralmente trata  cerca de 150°C como a região crítica para desmagnetização irreversível ; acima deste nível, o risco de perda completa do desempenho magnético não é mais um evento insignificante de pequena probabilidade.

O sufixo da letra de um grau magnético especifica essencialmente  a temperatura na qual o ponto do joelho ainda pode permanecer suficientemente à direita . As correspondências comuns são: SH corresponde a cerca de 150°C, UH a 180°C, EH a 200°C e AH a 220°C. Mas há um ponto que é facilmente mal interpretado: a temperatura indicada pelo sufixo é a resistência à temperatura do material sob  condições específicas de calibração do coeficiente de permeância , e não a “temperatura máxima de operação” que o ímã obtém automaticamente após ser instalado no motor. O mesmo ímã UH pode funcionar continuamente a 130°C em um protótipo bem resfriado, mas em uma peça de produção em massa com resfriamento sanduíche insuficiente, o ponto quente pode subir diretamente acima de 170°C.

Samário Cobalto: a opção alternativa, mas o custo deve ser calculado com clareza

Quando a margem de temperatura do NdFeB é verdadeiramente insuficiente, o SmCo é uma alternativa inevitável na engenharia. SmCo tem resistência à temperatura significativamente maior; muitos graus podem ser usados ​​em aplicações no nível de  350°C  , e a temperatura Curie também está na faixa de 700–850°C, muito superior aos 310–350°C do NdFeB. Na região de alta temperatura, a inclinação da curva de desmagnetização irreversível do SmCo com a temperatura também é muito mais plana que a do NdFeB.

Mas o custo do SmCo deve ser colocado na mesa ao mesmo tempo. Sua remanência típica está na faixa de  0,95–1,1 T  , enquanto o NdFeB pode atingir 1,1–1,4 T; o produto energético máximo é geralmente  25% a 30%  menor que o do NdFeB. Isso significa que, para atingir a mesma densidade de fluxo de entreferro, os ímãs SmCo precisam ser mais grossos e pesados, o que, por sua vez, invade o já apertado espaço axial das máquinas de fluxo axial e pode até aumentar a inércia do rotor e as perdas por correntes parasitas. O SmCo também é mais caro e a maturidade da sua cadeia de abastecimento e flexibilidade de entrega não são tão boas como as do NdFeB. Portanto, a menos que a verificação térmica indique claramente que “mesmo o NdFeB atualizado para EH/AH não pode aguentar”,  usar SmCo para “comprar” margem de temperatura é muitas vezes uma transação paga três vezes mais em peso, custo e densidade de potência.

A ordem correta de seleção: inferir a classificação a partir da temperatura do ímã

Um processo de seleção de ímã baseado em temperatura para fluxo axial deve seguir a ordem abaixo, em vez de começar na tabela de classes.

Etapa 1: Defina primeiro o resfriamento e depois discuta a classificação.  O método de resfriamento do rotor de uma máquina de fluxo axial determina diretamente o “piso” da temperatura do ímã. O resfriamento do ar é simples e tem baixas perdas parasitárias, mas a condutividade térmica e a capacidade térmica específica do ar são limitadas, e a capacidade de resfriamento depende fortemente da velocidade e do ambiente. O resfriamento do óleo é altamente esperado no fluxo axial; dados experimentais mostram que um esquema razoável de resfriamento de óleo pode reduzir a temperatura máxima em  C  além do resfriamento com água pura, mas o resfriamento de óleo 'transportando o calor' não é igual a 'eliminando o calor'  15–20° . Antes que o esquema de resfriamento seja congelado, qualquer seleção de grau carece de uma premissa confiável.

Passo 2: Coloque a condição de curto-circuito na verificação de temperatura.  A temperatura sob operação normal é apenas a linha de base. A verificação da desmagnetização deve abranger o campo magnético reverso gerado por uma falha no controlador ou curto-circuito no enrolamento, e esta verificação deve ser realizada na  temperatura mais alta que o ímã pode atingir nessa condição . O critério de projeto na literatura é simples: a espessura do ímã deve ser selecionada para evitar a desmagnetização irreversível após uma corrente de curto-circuito trifásica na temperatura mais baixa. De forma mais geral, é necessário confirmar que o ponto de operação não cai abaixo do ponto de joelho na superposição da pior temperatura e do pior campo de desmagnetização.

Etapa 3: Use 'temperatura real do ímã + campo de desmagnetização de curto-circuito' para verificar o sufixo da classe.  Se a temperatura do ponto quente do ímã fornecida pelo esquema de resfriamento e projeto eletromagnético for da ordem de  140–150°C , e o campo de desmagnetização do curto-circuito não for severo, SH poderá entrar na lista de candidatos; uma vez que o ponto quente se aproxima ou excede  160°C , o UH é um ponto de partida mais confiável; quando o ponto quente atinge  acima de 180°C , o EH ou graus ainda mais altos devem ser avaliados seriamente, ou o próprio projeto de resfriamento deve ser reconsiderado. A lógica aqui é:  o sufixo não é um “nível de desempenho”, mas um “nível de capacidade para preservar o ponto de joelho a uma determinada temperatura”.  O custo dos graus de sufixo mais altos (UH/EH) é geralmente uma remanência ligeiramente menor ou uma adição maior de terras raras pesadas; não é um seguro gratuito.

Etapa 4: Use a segmentação do rotor e a geometria do ímã para “aliviar a carga” na temperatura.  A seleção do ímã não é uma decisão material isolada. A perda por corrente parasita dos ímãs do rotor de fluxo axial está diretamente relacionada ao comprimento do caminho da corrente parasita e à área de superfície na superfície do ímã, e a segmentação do ímã permanente é um meio eficaz de reduzir a perda por corrente parasita e suprimir o aumento de temperatura. Quando a classe já foi determinada e a margem de temperatura é estreita, reduzir a geração de calor do próprio ímã por meio da otimização da segmentação às vezes é mais econômico do que simplesmente aumentar o sufixo da classe em um nível, e também é mais propício à preservação da densidade de torque.

Uma linha de julgamento prático

Se este artigo for resumido em uma frase para ser incluído em uma revisão de projeto, é:  o grau de um ímã de rotor de fluxo axial não deve ser “selecionado”; ela deve ser “calculada” – primeiro use as condições de resfriamento e curto-circuito para calcular a temperatura que o ímã atingirá, depois use essa temperatura para procurar o ponto do joelho e, finalmente, defina o sufixo.

Para o NdFeB,  120°C  é o ponto de observação no qual o decaimento reversível começa a se tornar significativo, e cerca de  150°C  é a região onde o risco de desmagnetização irreversível entra no nível que deve ser seriamente verificado. Esses dois números não são a “temperatura máxima de operação” na tabela de notas; em vez disso, eles lembram aos projetistas que na estrutura sanduíche de fluxo axial, a margem de temperatura desaparece mais rapidamente do que nas máquinas radiais. Tratar a temperatura como objeto de seleção e não como objeto de classificação é o que impede que a desmagnetização deixe de ser um problema material e se torne uma lacuna de confiabilidade sistêmica.