Výber teploty demagnetizácie magnetu axiálneho rotora: Prvým predmetom výberu je teplota

Najčastejšia chyba pri výbere magnetu pre Motory s axiálnym tokom majú začať od tabuľky tried: najprv sa pozrite na remanenciu, potom na maximálnu prevádzkovú teplotu a vyberte triedu, ktorá je 'dosť dobrá' na uvedenie do kusovníka. Ale v štruktúre s axiálnym tokom je toto poradie presne obrátené. Teplota magnetu rotora nie je určená samotným magnetom; je to dané magnetom topológiou, chladením a prevádzkovými podmienkami. Skutočným východiskovým bodom výberu je jasne si položiť otázku:  v najhoršom prípade, v ktorom sa prekrýva skrat, preťaženie a horúce miesta, ako sa magnet zohreje a dokáže pri tejto teplote ešte odolať reverznému magnetickému poľu?

Riziko demagnetizácie axiálneho toku je 'zapísané' do štruktúry

Predajná stránka axiálnych motorov je jasná: pri rovnakom výkone, hmotnosti a axiálnej dĺžke možno v porovnaní s radiálnymi motormi znížiť na polovicu. Táto kompaktnosť je však spojená s tepelnými nákladmi.

V dvojstatorovej jednorotorovej topológii je rotor vložený medzi dva statory, takže plocha priameho kontaktu medzi rotorom a vzduchom je značne znížená a dráha rozptylu tepla je vo svojej podstate úzka. Zároveň samotné magnety vytvárajú v striedavom magnetickom poli straty vírivými prúdmi a toto teplo sa uvoľňuje priamo vo vnútri permanentných magnetov. Tepelné žiarenie zo statorov superponované na samoohrievanie rotora uľahčuje, aby sa teplota magnetu priblížila alebo dokonca prekročila nebezpečnú hranicu v podmienkach nepretržitého vysokého výkonu. V priemyselných analýzach sa opakovane uvádza, že sendvičová štruktúra a vysoká hustota výkonu motorov s axiálnym tokom vedú k extrémne nízkej tepelnej kapacite, vďaka čomu sú magnety rotora 'veľmi náchylné na prehriatie'.

Preto výber magnetov pre axiálny tok nemôže jednoducho kopírovať skúsenosti s radiálnymi motormi. Intuícia v radiálnych motoroch, že 'rotor je chladený cez hriadeľ a vzduch na koncoch' v podstate zlyháva v topológii diskového typu.

Čo sa v skutočnosti deje pri demagnetizácii: Hranica medzi reverzibilným a nezvratným

Na pochopenie výberu stačí pochopiť dva teplotné koncepty.

Reverzibilná demagnetizácia  je normálny 'tepelný rozpad' magnetu. Ako teplota stúpa, remanencia lineárne klesá a po ochladení sa obnovuje bez trvalého poškodenia. NdFeB funguje hlavne v tomto rozsahu pod 120 °C. Problém sa objavuje nad 120 °C: sklon reverzibilného rozpadu sa stáva výraznejším a čo je kritickejšie,  hranica ireverzibilnej demagnetizácie sa posúva bližšie..

Fyzikálnym kritériom pre ireverzibilnú demagnetizáciu je  bod kolena . Demagnetizačná krivka má inflexný bod v druhom kvadrante. Operačné body nad kolenným bodom sú bezpečné; akonáhle vonkajšie reverzné magnetické pole zatlačí pracovný bod pod bod kolena, magnet sa po odstránení vonkajšieho poľa nemôže vrátiť a remanencia utrpí trvalú stratu. Dôsledok stúpajúcej teploty je dvojaký: remanencia klesá a zároveň  sa bod kolena posúva doprava (smerom k nižšiemu magnetickému poľu) , čo znamená, že rovnaké reverzné magnetické pole s väčšou pravdepodobnosťou prekročí bod kolena pri vysokej teplote. Pre NdFeB inžinierska prax vo všeobecnosti považuje teplotu  okolo 150 °C za kritickú oblasť pre ireverzibilnú demagnetizáciu ; nad touto úrovňou už nie je riziko úplnej straty magnetickej výkonnosti zanedbateľnou udalosťou s malou pravdepodobnosťou.

Písmenová prípona magnetickej triedy v podstate udáva  teplotu, pri ktorej môže kolenný bod ešte zostať dosť vpravo . Bežné zhody sú: SH zodpovedá približne 150 °C, UH až 180 °C, EH až 200 °C a AH až 220 °C. Ale je tu jeden bod, ktorý sa dá veľmi ľahko nesprávne prečítať: teplota uvedená príponou je teplotná odolnosť materiálu za  špecifických podmienok kalibrácie koeficientu priepustnosti , nie 'maximálna prevádzková teplota', ktorú magnet automaticky získa po inštalácii do motora. Rovnaký UH magnet môže bežať nepretržite pri 130 °C v dobre chladenom prototype, ale v sériovo vyrábanej časti s nedostatočným sendvičovým chladením môže horúce miesto priamo stúpnuť nad 170 °C.

Samarium Cobalt: Záložná možnosť, ale náklady musia byť jasne vypočítané

Keď je teplotná rezerva NdFeB skutočne nedostatočná, SmCo je nevyhnutnou alternatívou v strojárstve. SmCo má výrazne vyššiu teplotnú odolnosť; mnohé druhy možno použiť v aplikáciách na úrovni  350 °C  a Curieho teplota je tiež v rozsahu 700–850 °C, čo je oveľa viac ako 310–350 °C NdFeB. Vo vysokoteplotnej oblasti je sklon ireverzibilnej demagnetizačnej krivky SmCo s teplotou tiež oveľa plochší ako sklon NdFeB.

Zároveň sa však musia zložiť náklady na SmCo. Jeho typická remanencia je v rozsahu  0,95–1,1 T  , zatiaľ čo NdFeB môže dosiahnuť 1,1–1,4 T; maximálny energetický produkt je zvyčajne o  25 % – 30 %  nižší ako u NdFeB. To znamená, že na dosiahnutie rovnakej hustoty toku vzduchovej medzery musia byť magnety SmCo hrubšie a ťažšie, čo zasa zasahuje do už aj tak tesného axiálneho priestoru strojov s axiálnym tokom a môže dokonca zvýšiť zotrvačnosť rotora a straty vírivými prúdmi. SmCo je tiež drahšia a jej vyspelosť dodávateľského reťazca a flexibilita dodávok nie sú také dobré ako v prípade NdFeB. Preto, pokiaľ tepelná kontrola jasne neukáže, že 'ani NdFeB aktualizovaný na EH/AH nemôže vydržať'  používanie SmCo na 'kúpu' teplotnej marže je často transakciou zaplatenou trojnásobne prevyšujúcou hmotnosť, cenu a hustotu výkonu..

Správne poradie výberu: Odvodzujte stupeň z teploty magnetu

Aktívny proces výberu magnetov pre axiálny tok založený na teplote by mal nasledovať nižšie uvedené poradie, a nie začať od tabuľky tried.

Krok 1: Najprv definujte chladenie a potom diskutujte o triede.  Spôsob chladenia rotora stroja s axiálnym tokom priamo určuje 'podlahu' teploty magnetu. Chladenie vzduchom je jednoduché a má nízke parazitné straty, ale tepelná vodivosť a merná tepelná kapacita vzduchu sú obmedzené a schopnosť chladenia silne závisí od rýchlosti a prostredia. Chladenie oleja je vysoko očakávané v axiálnom toku; experimentálne údaje ukazujú, že rozumná schéma chladenia oleja môže znížiť maximálnu teplotu o  15–20 °C  ďalej ako čisté vodné chladenie, ale „odvádzanie tepla“ olejovým chladením sa nerovná „odvádzanie tepla“. Rozdiel teplôt medzi okrajom a stredom štruktúry kotúčového typu môže stále dosahovať  30–50 K a lokálny horúci bod je predmetom overenia demagnetizácie. Pred zmrazením schémy chladenia chýba pri výbere akéhokoľvek stupňa spoľahlivý predpoklad.

Krok 2: Stav skratu uveďte do kontroly teploty.  Teplota pri normálnej prevádzke je len základná. Overenie demagnetizácie musí pokrývať spätné magnetické pole generované chybou ovládača alebo skratom vinutia a túto kontrolu je potrebné vykonať pri  najvyššej teplote, akú môže magnet za týchto podmienok dosiahnuť . Konštrukčné kritérium v ​​literatúre je jednoduché: hrúbka magnetu by mala byť zvolená tak, aby sa zabránilo nevratnej demagnetizácii po trojfázovom skratovom prúde pri najnižšej teplote. Všeobecnejšie je potrebné potvrdiť, že pracovný bod neklesne pod bod kolena pri superpozícii najhoršej teploty a najhoršieho demagnetizačného poľa.

Krok 3: Na kontrolu prípony triedy použite 'skutočnú teplotu magnetu + pole demagnetizácie skratu'.  Ak je teplota horúceho bodu magnetu daná schémou chladenia a elektromagnetickým dizajnom rádovo  140–150 °C a pole demagnetizácie skratu nie je silné, SH môže vstúpiť do zoznamu kandidátov; akonáhle sa horúci bod priblíži alebo prekročí  160 °C , UH je spoľahlivejším východiskovým bodom; keď horúce miesto dosiahne  viac ako 180 °C , musí sa vážne posúdiť EH alebo ešte vyššie stupne, alebo sa musí prehodnotiť samotná konštrukcia chladenia. Logika tu je:  prípona nie je 'úroveň výkonu', ale 'úroveň schopnosti zachovať bod kolena pri danej teplote.'  Náklady na stupne s vyššou príponou (UH/EH) sú zvyčajne o niečo nižšia remanencia alebo vyšší prídavok ťažkých vzácnych zemín; nie je to poistenie zadarmo.

Krok 4: Použite segmentáciu rotora a geometriu magnetu na 'zľahčenie' teploty.  Výber magnetu nie je izolovaným materiálnym rozhodnutím. Strata vírivých prúdov rotorových magnetov s axiálnym tokom priamo súvisí s dĺžkou dráhy vírivých prúdov a povrchovou plochou na povrchu magnetu a segmentácia permanentnými magnetmi je účinným prostriedkom na zníženie strát vírivými prúdmi a potlačenie nárastu teploty. Keď už bola určená trieda a teplotná rezerva je tesná, zníženie vlastného generovania tepla magnetu pomocou optimalizácie segmentácie je niekedy ekonomickejšie ako jednoduché zvýšenie prípony triedy o jednu úroveň a je to tiež vhodnejšie na zachovanie hustoty krútiaceho momentu.

Praktická línia súdu

Ak má byť tento článok skomprimovaný do jednej vety, aby sa dostal do preskúmania návrhu, je to:  trieda rotorového magnetu s axiálnym tokom by nemala byť 'vybraná'; mala by byť 'vypočítaná' — najprv použite podmienky chladenia a skratu na výpočet, akú teplotu dosiahne magnet, potom použite túto teplotu na vyhľadanie bodu kolena a nakoniec sa usaďte na príponu.

Pre NdFeB je  120 °C  pozorovacím bodom, pri ktorom sa reverzibilný rozpad začína stávať významným, a okolo  150 °C  je oblasť, kde riziko nezvratnej demagnetizácie vstupuje do úrovne, ktorú treba vážne overiť. Tieto dve čísla nie sú 'maximálnou prevádzkovou teplotou' v tabuľke tried; skôr pripomínajú konštruktérom, že v sendvičovej štruktúre axiálneho toku sa teplotná rezerva stráca rýchlejšie ako u radiálnych strojov. Zaobchádzanie s teplotou ako s predmetom výberu a nie s predmetom triedy je to, čo bráni tomu, aby sa demagnetizácia zmenila z materiálneho problému na systémovú medzeru v spoľahlivosti.