Izbira temperature razmagnetenja magneta rotorja z aksialnim tokom: temperatura je prvi predmet izbire

Najpogostejša napaka pri izbiri magneta za motorji z aksialnim pretokom je treba začeti s tabelo razredov: najprej si oglejte remanenco, nato najvišjo delovno temperaturo in izberite razred, ki je 'dovolj dober', da ga vključite v BOM. Toda v strukturi aksialnega toka je ta vrstni red popolnoma obrnjen. Temperature magneta rotorja ne določa sam magnet; magnetu ga vsiljujejo topologija, hlajenje in pogoji delovanja. Pravo izhodišče izbire je, da se jasno vprašamo:  v najslabšem primeru, v katerem se kratek stik, preobremenitev in vroče točke prekrivajo, kako vroč bo postal magnet in ali lahko še vedno vzdrži obratno magnetno polje pri tej temperaturi?

Tveganje razmagnetenja zaradi aksialnega toka je 'zapisano' v strukturi

Prodajna prednost motorjev z aksialnim pretokom je jasna: pri enaki moči je mogoče težo in aksialno dolžino prepoloviti v primerjavi z radialnimi motorji. Toda ta kompaktnost ima toplotne stroške.

V topologiji z dvojnim statorjem in enim rotorjem je rotor stisnjen med dva statorja, tako da je neposredna kontaktna površina med rotorjem in zrakom močno zmanjšana, pot odvajanja toplote pa je sama po sebi ozka. Hkrati sami magneti ustvarjajo izgube vrtinčnega toka v izmeničnem magnetnem polju, ta toplota pa se sprošča neposredno v trajnih magnetih. Toplotno sevanje iz statorjev, prekrito s samosegrevanjem rotorja, omogoča, da se temperatura magneta zlahka približa ali celo prečka nevarno mejo v pogojih stalne visoke moči. Ponavljajoča se sodba v industrijskih analizah je, da sendvič struktura in visoka gostota moči motorjev z aksialnim pretokom vodita do izjemno nizke toplotne zmogljivosti, zaradi česar so magneti rotorja 'zelo nagnjeni k pregrevanju'.

Zato izbira magneta za aksialni tok ne more preprosto kopirati izkušenj radialnih motorjev. Intuicija pri radialnih motorjih, da se 'rotor hladi skozi gred in zrak na koncih', v bistvu odpove v topologiji tipa diska.

Kaj se dejansko zgodi pri demagnetizaciji: meja med reverzibilnim in ireverzibilnim

Da bi razumeli izbiro, je treba razumeti samo dva temperaturna koncepta.

Reverzibilna demagnetizacija  je normalen 'toplotni razpad' magneta. Ko temperatura narašča, se remanenca linearno zmanjšuje in se po ohlajanju obnovi brez trajnih poškodb. NdFeB večinoma deluje v tem območju pod 120 °C. Težava se pojavi nad 120 °C: naklon reverzibilnega razpadanja postane pomembnejši in kar je bolj kritično,  meja ireverzibilne demagnetizacije se pomakne bližje.

Fizikalni kriterij za ireverzibilno razmagnetenje je  točka kolena . Krivulja razmagnetenja ima prevoj v drugem kvadrantu. Delovne točke nad kolensko točko so varne; ko zunanje reverzno magnetno polje potisne delovno točko pod točko kolena, se magnet po odstranitvi zunanjega polja ne more vrniti, preostanek pa utrpi trajno izgubo. Posledica naraščanja temperature je dvojna: remanenca se zmanjša, hkrati pa  se točka kolena premakne v desno (proti nižjemu magnetnemu polju) , kar pomeni, da je večja verjetnost, da bo isto obratno magnetno polje prešlo točko kolena pri visoki temperaturi. Za NdFeB inženirska praksa na splošno obravnava  približno 150 °C kot kritično območje za ireverzibilno razmagnetenje ; nad to ravnjo nevarnost popolne izgube magnetne zmogljivosti ni več zanemarljiv dogodek majhne verjetnosti.

Črkovna pripona razreda magneta v bistvu določa  temperaturo, pri kateri lahko točka kolena še vedno ostane dovolj daleč v desno . Pogoste korespondence so: SH ustreza približno 150 °C, UH 180 °C, EH 200 °C in AH 220 °C. Vendar obstaja točka, ki jo je zelo enostavno napačno prebrati: temperatura, ki jo označuje pripona, je temperaturna odpornost materiala pod  posebnimi pogoji umerjanja koeficienta prepustnosti , ne 'najvišja delovna temperatura', ki jo magnet samodejno doseže po namestitvi v motor. Isti magnet UH lahko neprekinjeno deluje pri 130 °C v dobro hlajenem prototipu, toda v delu množične proizvodnje z nezadostnim sendvič hlajenjem lahko vroča točka neposredno naraste nad 170 °C.

Samarium Cobalt: Nadomestna možnost, vendar je treba stroške jasno izračunati

Ko je temperaturna meja NdFeB resnično nezadostna, je SmCo neizogibna alternativa v inženirstvu. SmCo ima znatno višjo temperaturno odpornost; veliko razredov je mogoče uporabiti v aplikacijah na ravni  350 °C  , Curiejeva temperatura pa je tudi v območju 700–850 °C, kar je veliko višje od 310–350 °C NdFeB. V območju visokih temperatur je tudi naklon krivulje ireverzibilne demagnetizacije SmCo s temperaturo veliko bolj raven kot pri NdFeB.

Toda hkrati je treba dati na mizo stroške SmCo. Njegova tipična remanenca je v območju  0,95–1,1 T  , medtem ko lahko NdFeB doseže 1,1–1,4 T; največji energijski produkt je običajno  25–30 %  nižji kot pri NdFeB. To pomeni, da morajo biti magneti SmCo za doseganje enake gostote pretoka zračne reže debelejši in težji, kar posledično posega v že tesen aksialni prostor strojev z aksialnim pretokom in lahko celo poveča vztrajnost rotorja in izgube zaradi vrtinčnih tokov. SmCo je tudi dražji, njegova zrelost dobavne verige in prožnost dostave pa nista tako dobri kot pri NdFeB. Zato  je uporaba SmCo za 'nakup' temperaturne marže pogosto transakcija, plačana trikrat več v teži, stroških in gostoti moči, razen če termični pregled jasno pokaže, da 'tudi NdFeB, nadgrajen na EH/AH, ne more vzdržati'..

Pravilen vrstni red izbire: ocenite stopnjo iz temperature magneta

Izvedljiv postopek izbire magneta za aksialni tok na podlagi temperature bi moral slediti spodnjemu vrstnemu redu, namesto da bi začel s tabelo razredov.

1. korak: Najprej določite hlajenje, nato se pogovorite o stopnji.  Metoda hlajenja rotorja stroja z aksialnim tokom neposredno določa 'spodnjo' temperaturo magneta. Zračno hlajenje je preprosto in ima majhne parazitske izgube, vendar sta toplotna prevodnost in specifična toplotna kapaciteta zraka omejeni, hladilna zmogljivost pa je močno odvisna od hitrosti in okolja. Hlajenje olja je zelo pričakovano pri aksialnem toku; Eksperimentalni podatki kažejo, da lahko razumna shema oljnega hlajenja zniža najvišjo temperaturo za  15–20 °C  dlje kot hlajenje s čisto vodo, vendar oljno hlajenje z 'odvajanjem toplote' ni enako 'odstranjevanjem toplote'. Temperaturna razlika med robom in središčem diskaste strukture lahko še vedno doseže  30–50 K , lokalna vroča točka pa je predmet preverjanja razmagnetenja. Pred zamrznitvijo hladilne sheme nobeni izbiri razreda manjka zanesljiva predpostavka.

2. korak: Pogoj kratkega stika vključite v preverjanje temperature.  Temperatura pri normalnem delovanju je le osnovna vrednost. Preverjanje razmagnetenja mora zajemati obratno magnetno polje, ki nastane zaradi napake krmilnika ali kratkega stika navitja, in to preverjanje je treba izvesti pri  najvišji temperaturi, ki jo magnet lahko doseže pod tem pogojem . Merilo načrtovanja v literaturi je preprosto: debelino magneta je treba izbrati tako, da se izognemo nepovratni demagnetizaciji po trifaznem kratkostičnem toku pri najnižji temperaturi. Na splošno je treba potrditi, da delovna točka ne pade pod točko kolena pri superpoziciji najslabše temperature in najslabšega polja razmagnetenja.

3. korak: Uporabite 'dejanska temperatura magneta + razmagnetno polje kratkega stika', da preverite pripono ocene.  Če je temperatura vroče točke magneta, podana s shemo hlajenja in elektromagnetno zasnovo, reda  140–150 °C in razmagnetno polje kratkega stika ni močno, se lahko SH uvrsti na seznam kandidatov; ko se vroča točka približa ali preseže  160 °C , je UH zanesljivejše izhodišče; ko vroča točka doseže  temperaturo nad 180 °C , je treba resno ovrednotiti razrede EH ali celo višje ali pa ponovno razmisliti o sami zasnovi hlajenja. Logika tukaj je:  pripona ni 'raven zmogljivosti', temveč 'raven zmogljivosti za ohranitev točke kolena pri določeni temperaturi'.  Stroški višjih končnic (UH/EH) so običajno nekoliko nižja remanenca ali višji dodatek težkih in redkih zemelj; to ni brezplačno zavarovanje.

4. korak: Uporabite segmentacijo rotorja in geometrijo magneta, da 'razbremenite' temperaturo.  Izbira magneta ni osamljena pomembna odločitev. Izguba vrtinčnega toka magnetov rotorja z aksialnim tokom je neposredno povezana z dolžino poti vrtinčnega toka in površino na površini magneta, segmentacija trajnega magneta pa je učinkovito sredstvo za zmanjšanje izgube zaradi vrtinčnega toka in zatiranje dviga temperature. Ko je razred že določen in je temperaturna meja ozka, je zmanjšanje lastne proizvodnje toplote magneta z optimizacijo segmentacije včasih bolj ekonomično kot preprosto zvišanje pripone razreda za eno raven, prav tako pa je bolj ugodno za ohranjanje gostote navora.

Praktična presoja

Če naj bo ta članek strnjen v en stavek, da bi ga vključili v pregled zasnove, je to:  razred magneta rotorja z aksialnim pretokom ne sme biti 'izbran'; mora biti 'izračunano' - najprej uporabite pogoje hlajenja in kratkega stika, da izračunate, kakšno temperaturo bo dosegel magnet, nato uporabite to temperaturo, da poiščete točko kolena, in se končno odločite za pripono.

Za NdFeB je  120 °C  točka opazovanja, pri kateri začne reverzibilni razpad postajati pomemben, okoli  150 °C pa  je območje, kjer tveganje nepopravljive demagnetizacije preide na raven, ki jo je treba resno preveriti. Ti dve številki nista 'najvišja delovna temperatura' v tabeli razredov; namesto tega spomnijo oblikovalce, da v sendvič strukturi aksialnega toka temperaturna meja izgine hitreje kot v radialnih strojih. Obravnavanje temperature kot predmeta izbire in ne predmeta ocene je tisto, kar preprečuje, da bi se razmagnetenje spremenilo iz materialne težave v sistemsko vrzel v zanesljivosti.