Selectarea temperaturii de demagnetizare a magnetului rotorului cu flux axial: temperatura este primul subiect al selecției

Cea mai frecventă greșeală în selecția magnetului pentru motoarele cu flux axial trebuie să înceapă de la tabelul de grade: mai întâi uitați-vă la remanență, apoi la temperatura maximă de funcționare și alegeți un grad „suficient de bun” pentru a fi introdus în BOM. Dar într-o structură cu flux axial, această ordine este exact inversată. Temperatura magnetului rotorului nu este determinată de magnetul în sine; este impus magnetului de topologie, de răcire și de condițiile de funcționare. Adevăratul punct de plecare al selecției este să întrebați clar:  în cel mai rău caz în care se suprapun scurtcircuit, suprasarcină și puncte fierbinți, cât de fierbinte va deveni magnetul și poate încă rezista câmpului magnetic invers la acea temperatură?

Riscul de demagnetizare al fluxului axial este „înscris în” structură

Punctul de vânzare al motoarelor cu flux axial este clar: la aceeași putere, greutatea și lungimea axială pot fi înjumătățite în comparație cu motoarele radiale. Dar această compactitate are un cost termic.

Într-o topologie cu un singur rotor cu dublu stator, rotorul este intercalat între două statoare, astfel încât zona de contact direct dintre rotor și aer este mult redusă, iar calea de disipare a căldurii este în mod inerent îngustă. În același timp, magneții înșiși generează pierderi de curent turbionar în câmpul magnetic alternativ, iar această căldură este eliberată direct în interiorul magneților permanenți. Radiația termică de la statoare suprapuse auto-încălzirii rotorului facilitează apropierea sau chiar trecerea temperaturii magnetului de granița periculoasă în condiții continue de mare putere. O judecată recurentă în analizele din industrie este că structura sandwich și densitatea mare de putere a motoarelor cu flux axial conduc la o capacitate termică extrem de scăzută, făcând magneții rotorului „foarte predispuși la supraîncălzire”.

Prin urmare, selecția magnetului pentru fluxul axial nu poate copia pur și simplu experiența motoarelor radiale. Intuiția din motoarele radiale că „rotorul este răcit prin arbore și aerul la capete” eșuează practic într-o topologie de tip disc.

Ce se întâmplă de fapt în demagnetizare: granița dintre reversibil și ireversibil

Pentru a înțelege selecția, trebuie doar să înțelegeți două concepte de temperatură.

Demagnetizarea reversibilă  este „degradarea termică” normală a unui magnet. Pe măsură ce temperatura crește, remanența scade liniar și își revine după răcire, fără deteriorare permanentă. NdFeB funcționează în principal în acest interval sub 120°C. Problema apare peste 120°C: panta dezintegrarii reversibile devine mai semnificativă și, mai critic,  granița demagnetizării ireversibile este împinsă mai aproape..

Criteriul fizic pentru demagnetizarea ireversibilă este  punctul genunchiului . Curba de demagnetizare are un punct de inflexiune în al doilea cadran. Punctele de operare deasupra punctului genunchiului sunt sigure; odată ce un câmp magnetic invers extern împinge punctul de operare sub punctul genunchiului, magnetul nu se poate întoarce după ce câmpul extern este îndepărtat, iar remanența suferă pierderi permanente. Consecința creșterii temperaturii este dublă: remanența scade și, în același timp,  punctul genunchiului se deplasează spre dreapta (spre câmpul magnetic inferior) , ceea ce înseamnă că același câmp magnetic invers este mai probabil să traverseze punctul genunchiului la temperatură ridicată. Pentru NdFeB, practica inginerească tratează, în general,  aproximativ 150°C ca regiune critică pentru demagnetizarea ireversibilă ; peste acest nivel, riscul pierderii complete a performanței magnetice nu mai este un eveniment neglijabil cu probabilitate mică.

Sufixul de litere al unui magnet de calitate specifică în esență  temperatura la care punctul genunchiului poate rămâne suficient de departe spre dreapta . Corespondențele comune sunt: ​​SH corespunde la aproximativ 150°C, UH la 180°C, EH la 200°C și AH la 220°C. Dar există un punct care este foarte ușor de interpretat greșit: temperatura indicată de sufix este rezistența la temperatură a materialului în  condiții specifice de calibrare a coeficientului de permeanță , nu „temperatura maximă de funcționare” pe care o obține automat magnetul după ce a fost instalat în motor. Același magnet UH poate rula continuu la 130°C într-un prototip bine răcit, dar într-o piesă de producție în masă cu răcire sandwich insuficientă, punctul fierbinte poate crește direct peste 170°C.

Samarium Cobalt: Opțiunea de rezervă, dar costul trebuie calculat clar

Când marja de temperatură a NdFeB este cu adevărat insuficientă, SmCo este o alternativă inevitabilă în inginerie. SmCo are o rezistență semnificativ mai mare la temperatură; multe grade pot fi utilizate în aplicații la nivelul  de 350°C  , iar temperatura Curie este, de asemenea, în intervalul 700–850°C, mult mai mare decât 310–350°C a NdFeB. În regiunea cu temperatură înaltă, panta curbei de demagnetizare ireversibilă a SmCo cu temperatura este, de asemenea, mult mai plată decât cea a NdFeB.

Dar costul SmCo trebuie pus pe masă în același timp. Remanența sa tipică este în intervalul  0,95–1,1 T  , în timp ce NdFeB poate ajunge la 1,1–1,4 T; produsul energetic maxim este de obicei  cu 25%–30%  mai mic decât cel al NdFeB. Aceasta înseamnă că, pentru a obține aceeași densitate a fluxului de aer, magneții SmCo trebuie să fie mai groși și mai grei, ceea ce, la rândul său, încalcă spațiul axial deja strâns al mașinilor cu flux axial și poate chiar crește inerția rotorului și pierderile de curenți turbionari. SmCo este, de asemenea, mai scump, iar maturitatea lanțului său de aprovizionare și flexibilitatea de livrare nu sunt la fel de bune ca cele ale NdFeB. Prin urmare, cu excepția cazului în care verificarea termică indică în mod clar că „chiar și NdFeB actualizat la EH/AH nu poate rezista”,  utilizarea SmCo pentru a „cumpăra” marja de temperatură este adesea o tranzacție plătită de trei ori ca greutate, cost și densitate de putere..

Ordinea corectă de selecție: Deduceți gradul din temperatura magnetului

Un proces de selecție a magnetului bazat pe temperatură acționabil pentru fluxul axial ar trebui să urmeze ordinea de mai jos, mai degrabă decât să pornească de la tabelul de grade.

Pasul 1: Definiți mai întâi răcirea, apoi discutați gradul.  Metoda de răcire a rotorului a unei mașini cu flux axial determină direct „podeaua” temperaturii magnetului. Răcirea cu aer este simplă și are pierderi parazitare scăzute, dar conductivitatea termică și capacitatea termică specifică a aerului sunt limitate, iar capacitatea de răcire depinde puternic de viteză și mediu. Răcirea uleiului este foarte așteptată în flux axial; Datele experimentale arată că o schemă rezonabilă de răcire a uleiului poate reduce temperatura maximă cu  15–20°C  mai mult decât răcirea cu apă pură, dar răcirea cu ulei „care duce căldura” nu este egală cu „eliminarea căldurii”. Diferența de temperatură dintre marginea și centrul unei structuri de tip disc poate ajunge totuși la  30–50 K , iar punctul fierbinte local este obiectul verificării. Înainte ca schema de răcire să fie înghețată, oricărei selecții de grad îi lipsește o premisă de încredere.

Pasul 2: Puneți starea de scurtcircuit în verificarea temperaturii.  Temperatura în condiții normale de funcționare este doar linia de bază. Verificarea demagnetizării trebuie să acopere câmpul magnetic invers generat de o defecțiune a controlerului sau de un scurtcircuit al înfășurării, iar această verificare trebuie efectuată la  cea mai mare temperatură pe care o poate atinge magnetul în această condiție . Criteriul de proiectare din literatură este simplu: grosimea magnetului trebuie selectată pentru a evita demagnetizarea ireversibilă după un curent de scurtcircuit trifazat la cea mai scăzută temperatură. Mai general, este necesar să se confirme că punctul de operare nu scade sub punctul genunchiului la suprapunerea celei mai slabe temperaturi și a celui mai slab câmp demagnetizant.

Pasul 3: Utilizați „temperatura reală a magnetului + câmp de demagnetizare a scurtcircuitului” pentru a verifica sufixul de grad.  Dacă temperatura punctului fierbinte al magnetului dată de schema de răcire și designul electromagnetic este de ordinul  140–150°C , iar câmpul de demagnetizare a scurtcircuitului nu este sever, SH poate intra în lista de candidati; odată ce punctul fierbinte se apropie sau depășește  160°C , UH este un punct de plecare mai fiabil; atunci când punctul fierbinte atinge  peste 180°C , trebuie evaluate serios EH sau chiar grade mai mari, sau designul de răcire în sine trebuie reconsiderat. Logica aici este:  sufixul nu este un „nivel de performanță”, ci un „nivel de capacitate de păstrare a punctului genunchiului la o anumită temperatură.”  Costul claselor cu sufix mai mare (UH/EH) este de obicei o remanență puțin mai mică sau o adăugare mai mare de pământuri rare grele; nu este asigurare gratuita.

Pasul 4: Utilizați segmentarea rotorului și geometria magnetului pentru a „ușura sarcina” asupra temperaturii.  Alegerea magnetului nu este o decizie materială izolată. Pierderea prin curenți turbionari a magneților cu rotor cu flux axial este direct legată de lungimea căii curenților turbionari și aria suprafeței de pe suprafața magnetului, iar segmentarea cu magnet permanent este un mijloc eficient de reducere a pierderii de curent turbionar și de suprimare a creșterii temperaturii. Când gradul a fost deja determinat și marja de temperatură este strânsă, reducerea generării de căldură proprie a magnetului prin optimizarea segmentării este uneori mai economică decât simpla creștere a sufixului de grad cu un nivel și este, de asemenea, mai favorabilă păstrării densității cuplului.

O linie practică de judecată

Dacă acest articol urmează să fie comprimat într-o singură propoziție pentru a fi inclus într-o revizuire a designului, acesta este:  gradul unui magnet de rotor cu flux axial nu trebuie „selectat”; ar trebui să fie 'calculat' — mai întâi utilizați condițiile de răcire și scurtcircuit pentru a calcula ce temperatură va atinge magnetul, apoi utilizați acea temperatură pentru a căuta punctul de genunchi și, în final, stabiliți-vă sufixul.

Pentru NdFeB,  120°C  este punctul de observație la care dezintegrarea reversibilă începe să devină semnificativă, iar în jur de  150°C  este regiunea în care riscul de demagnetizare ireversibilă intră la nivelul care trebuie verificat serios. Aceste două numere nu reprezintă „temperatura maximă de funcționare” din tabelul de calificare; mai degrabă, ei reamintesc designerilor că în structura sandwich a fluxului axial, marja de temperatură dispare mai repede decât în ​​mașinile radiale. Tratarea temperaturii ca subiect de selecție mai degrabă decât ca obiect al calității este ceea ce împiedică demagnetizarea să se transforme dintr-o problemă materială într-un decalaj sistemic de fiabilitate.