Выбор температуры размагничивания магнита ротора с осевым магнитным потоком: температура является первым предметом выбора

Самая распространенная ошибка при выборе магнита для Для двигателей с осевым магнитным потоком следует начинать с таблицы классов: сначала посмотрите на остаточную намагниченность, затем на максимальную рабочую температуру и выберите класс, который «достаточно хорош», чтобы включить его в спецификацию. Но в структуре с осевым потоком этот порядок совершенно обратный. Температура магнита ротора не определяется самим магнитом; оно накладывается на магнит топологией, охлаждением и условиями эксплуатации. Настоящая отправная точка выбора — это четко задаться вопросом:  в худшем случае, когда накладываются короткое замыкание, перегрузка и горячие точки, насколько горячим станет магнит и сможет ли он по-прежнему противостоять обратному магнитному полю при этой температуре?

Риск размагничивания осевого потока «вписан» в конструкцию

Преимущество двигателей с осевым магнитным потоком очевидно: при той же мощности, весе и осевой длине можно уменьшить вдвое по сравнению с радиальными двигателями. Но за эту компактность приходится платить тепло.

В топологии с двумя статорами и одним ротором ротор зажат между двумя статорами, поэтому площадь прямого контакта между ротором и воздухом значительно уменьшается, а путь рассеивания тепла по своей сути узок. При этом сами магниты генерируют вихревые токи в переменном магнитном поле, и это тепло выделяется непосредственно внутри постоянных магнитов. Тепловое излучение статоров, накладываемое на саморазогрев ротора, позволяет температуре магнита легко приблизиться или даже пересечь опасную границу в условиях непрерывной высокой мощности. В отраслевых анализах постоянно повторяется мнение, что сэндвич-структура и высокая удельная мощность двигателей с осевым магнитным потоком приводят к чрезвычайно низкой теплоемкости, что делает магниты ротора «очень склонными к перегреву».

Следовательно, выбор магнита для осевого потока не может просто копировать опыт радиальных двигателей. Представление о радиальных двигателях, что «ротор охлаждается посредством вала и воздуха на концах», в принципе не работает в топологии дискового типа.

Что на самом деле происходит при размагничивании: граница между обратимым и необратимым

Чтобы понять процесс отбора, нужно всего лишь усвоить две температурные концепции.

Обратимое размагничивание  — это нормальный «тепловой распад» магнита. С повышением температуры остаточная намагниченность линейно уменьшается и восстанавливается после охлаждения без необратимых повреждений. NdFeB в основном работает в этом диапазоне ниже 120°C. Проблема возникает выше 120°C: крутизна обратимого затухания становится более значительной и, что еще важнее,  граница необратимого размагничивания приближается..

Физическим критерием необратимого размагничивания является  точка перегиба . Кривая размагничивания имеет точку перегиба во втором квадранте. Рабочие точки выше точки колена безопасны; как только внешнее обратное магнитное поле толкает рабочую точку ниже точки перегиба, магнит не может вернуться после удаления внешнего поля, и остаточная намагниченность теряется безвозвратно. Последствия повышения температуры двояки: остаточная намагниченность уменьшается, и в то же время  точка перегиба перемещается вправо (в сторону более низкого магнитного поля) , а это означает, что то же самое обратное магнитное поле с большей вероятностью пересечет точку перегиба при высокой температуре. Для NdFeB инженерная практика обычно считает температуру  около 150°C критической областью необратимого размагничивания ; выше этого уровня риск полной потери магнитных характеристик больше не является незначительным событием с малой вероятностью.

Буквенный суффикс марки магнита по существу определяет  температуру, при которой точка перегиба все еще может оставаться достаточно далеко вправо . Общие соответствия: SH соответствует примерно 150°C, UH - 180°C, EH - 200°C и AH - 220°C. Но есть момент, который очень легко понять неправильно: температура, указанная суффиксом, представляет собой термостойкость материала при  определенных условиях калибровки коэффициента магнитной проницаемости , а не «максимальную рабочую температуру», которую магнит автоматически получает после установки в двигатель. Один и тот же сверхвысокочастотный магнит может непрерывно работать при температуре 130°C в хорошо охлаждаемом прототипе, но в серийном производстве с недостаточным многослойным охлаждением горячая точка может резко подняться выше 170°C.

Самарий-кобальт: запасной вариант, но стоимость должна быть четко рассчитана

Когда температурный запас NdFeB действительно недостаточен, SmCo является неизбежной альтернативой в технике. SmCo имеет значительно более высокую термостойкость; многие марки могут использоваться при температуре  350°C  , а температура Кюри также находится в диапазоне 700–850°C, что намного выше, чем 310–350°C у NdFeB. В области высоких температур наклон кривой необратимого размагничивания SmCo с температурой также значительно более пологий, чем у NdFeB.

Но в то же время необходимо учитывать стоимость SmCo. Его типичная остаточная намагниченность находится в диапазоне  0,95–1,1 Тл  , тогда как NdFeB может достигать 1,1–1,4 Тл; максимальный энергетический продукт обычно на  25–30%  ниже, чем у NdFeB. Это означает, что для достижения той же плотности потока в воздушном зазоре магниты SmCo должны быть толще и тяжелее, что, в свою очередь, вторгается в и без того ограниченное осевое пространство машин с осевым магнитным потоком и может даже увеличить инерцию ротора и потери на вихревые токи. SmCo также дороже, а зрелость и гибкость ее цепочки поставок не так хороши, как у NdFeB. Таким образом, если тепловая проверка четко не показывает, что «даже NdFeB, модернизированный до EH/AH, не выдержит»,  использование SmCo для «купки» температурного запаса часто является транзакцией, за которую платят в три раза больше по весу, стоимости и удельной мощности..

Правильный порядок выбора: определите класс по температуре магнита

Действенный процесс выбора магнита с учетом температуры и осевого потока должен следовать приведенному ниже порядку, а не начинать с таблицы классов.

Шаг 1: Сначала определите охлаждение, а затем обсудите его класс.  Метод охлаждения ротора машины с осевым потоком напрямую определяет «минимальную» температуру магнита. Воздушное охлаждение просто и имеет низкие паразитные потери, но теплопроводность и удельная теплоемкость воздуха ограничены, а охлаждающая способность сильно зависит от скорости и окружающей среды. Охлаждение масла весьма ожидаемо при осевом потоке; Экспериментальные данные показывают, что разумная схема масляного охлаждения может снизить максимальную температуру на  15–20°C  дальше, чем охлаждение чистой водой, но масляное охлаждение, «отводящее тепло», не равно «устранению тепла». Разница температур между краем и центром структуры дискового типа все еще может достигать  30–50 К , а локальная горячая точка является объектом проверки размагничивания. До того, как схема охлаждения заморожена, для любого выбора сорта не хватает надежной предпосылки.

Шаг 2: Укажите условие короткого замыкания при проверке температуры.  Температура при нормальной работе является лишь базовой. Проверка размагничивания должна охватывать обратное магнитное поле, создаваемое неисправностью контроллера или коротким замыканием обмотки, и эта проверка должна выполняться при  самой высокой температуре, которой может достичь магнит в этих условиях . Критерий проектирования в литературе прост: толщина магнита должна быть выбрана так, чтобы избежать необратимого размагничивания после трехфазного тока короткого замыкания при самой низкой температуре. В более общем плане необходимо подтвердить, что рабочая точка не опускается ниже точки перегиба при суперпозиции наихудшей температуры и наихудшего размагничивающего поля.

Шаг 3: Используйте «фактическую температуру магнита + поле размагничивания при коротком замыкании», чтобы проверить суффикс класса.  Если температура горячей точки магнита, заданная схемой охлаждения и электромагнитной конструкцией, составляет порядка  140–150 ° C , а поле размагничивания короткого замыкания не является сильным, SH может войти в список кандидатов; как только температура горячей точки приближается или превышает  160°C , UH становится более надежной отправной точкой; когда горячая точка достигает температуры  выше 180°C , необходимо серьезно оценить классы EH или даже более высокие или же необходимо пересмотреть саму конструкцию охлаждения. Логика здесь такова:  суффикс — это не «уровень производительности», а «уровень способности сохранять точку перегиба при заданной температуре».  Стоимость марок с более высоким суффиксом (UH/EH) обычно заключается в немного более низкой остаточной намагниченности или более высоком содержании тяжелых редкоземельных элементов; это не бесплатная страховка.

Шаг 4: Используйте сегментацию ротора и геометрию магнита, чтобы «облегчить нагрузку» по температуре.  Выбор магнита не является изолированным решением по материалу. Потери на вихревые токи в роторных магнитах с осевым потоком напрямую связаны с длиной пути вихревых токов и площадью поверхности на поверхности магнита, а сегментация постоянных магнитов является эффективным средством уменьшения потерь на вихревые токи и подавления повышения температуры. Когда класс уже определен и температурный запас ограничен, уменьшение собственного тепловыделения магнита за счет оптимизации сегментации иногда оказывается более экономичным, чем простое повышение суффикса класса на один уровень, а также более способствует сохранению плотности крутящего момента.

Практичная линия суждения

Если эту статью нужно сжать в одно предложение, чтобы представить обзор конструкции, то так:  класс магнита ротора с осевым магнитным потоком не должен «выбираться»; его следует «рассчитать» — сначала используйте условия охлаждения и короткого замыкания, чтобы рассчитать, какой температуры достигнет магнит, затем используйте эту температуру, чтобы найти точку перегиба, и, наконец, остановитесь на суффиксе.

Для NdFeB  120°C  — это точка наблюдения, при которой обратимый распад начинает становиться значительным, а около  150°C  — это область, где риск необратимого размагничивания выходит на уровень, который должен быть серьезно проверен. Эти два числа не являются «максимальной рабочей температурой» в таблице классов; скорее, они напоминают конструкторам, что в сэндвич-структуре осевого потока температурный запас исчезает быстрее, чем в радиальных машинах. Отношение к температуре как к предмету выбора, а не к объекту класса – это то, что удерживает размагничивание от превращения проблемы материала в системный недостаток надежности.