Одабир температуре демагнетизације магнета ротора аксијалног флукса: температура је први предмет избора

Најчешћа грешка у избору магнета за мотори са аксијалним флуксом треба почети од табеле квалитета: прво погледајте реманентност, а затим максималну радну температуру и изаберите класу која је „довољно добра“ да се стави у саставни део. Али у структури аксијалног флукса, овај редослед је потпуно обрнут. Температуру магнета ротора не одређује сам магнет; магнет је наметнут топологијом, хлађењем и условима рада. Права почетна тачка избора је да се јасно запитамо:  у најгорем случају у којем се преклапају кратки спој, преоптерећење и вруће тачке, колико ће магнет постати врућ и може ли и даље издржати обрнуто магнетно поље на тој температури?

Ризик демагнетизације аксијалног флукса је „уписан у“ структуру

Продајна тачка мотора са аксијалним протоком је јасна: при истој снази, тежина и аксијална дужина могу се преполовити у поређењу са радијалним моторима. Али ова компактност долази по топлотној цени.

У топологији са двоструким статором и једним ротором, ротор је у сендвичу између два статора, тако да је површина директног контакта између ротора и ваздуха у великој мери смањена, а пут одвођења топлоте је инхерентно уски. Истовремено, сами магнети стварају губитке вртложних струја у наизменичном магнетном пољу, а ова топлота се ослобађа директно унутар трајних магнета. Топлотно зрачење из статора који се налази на самозагревању ротора олакшава температуру магнета да се приближи или чак пређе опасну границу под сталним условима велике снаге. Понављајућа пресуда у индустријским анализама је да сендвич структура и велика густина снаге мотора са аксијалним флуксом доводе до изузетно ниског топлотног капацитета, чинећи магнете ротора „веома склоним прегревању“.

Стога, одабир магнета за аксијални флукс не може једноставно копирати искуство радијалних мотора. Интуиција радијалних мотора да се „ротор хлади кроз осовину и ваздух на крајевима“ у основи не успева у топологији диска.

Шта се заправо дешава у демагнетизацији: граница између реверзибилног и неповратног

Да бисмо разумели селекцију, потребно је разумети само два концепта температуре.

Реверзибилна демагнетизација  је нормално „термичко распадање“ магнета. Како температура расте, реманенција се линеарно смањује, а опоравља се након хлађења, без трајних оштећења. НдФеБ углавном ради у овом опсегу испод 120°Ц. Проблем се јавља изнад 120°Ц: нагиб реверзибилног распада постаје значајнији, а још критичније,  граница неповратне демагнетизације се приближава.

Физички критеријум за неповратну демагнетизацију је  тачка колена . Крива демагнетизације има тачку прегиба у другом квадранту. Оперативне тачке изнад тачке колена су безбедне; када спољашње обрнуто магнетно поље гурне радну тачку испод тачке колена, магнет се не може вратити након што се спољашње поље уклони, а реманенција трпи трајни губитак. Последица пораста температуре је двострука: реманенција се смањује, а истовремено  се тачка колена помера удесно (према нижем магнетном пољу) , што значи да је већа вероватноћа да ће исто обрнуто магнетно поље прећи тачку колена на високој температури. За НдФеБ, инжењерска пракса генерално третира  око 150°Ц као критични регион за иреверзибилну демагнетизацију ; изнад овог нивоа, ризик од потпуног губитка магнетних перформанси више није занемарљив догађај са малом вероватноћом.

Суфикс слова магнетне класе у суштини одређује  температуру на којој тачка колена још увек може да остане довољно далеко удесно . Уобичајене кореспонденције су: СХ одговара око 150°Ц, УХ до 180°Ц, ЕХ до 200°Ц и АХ до 220°Ц. Али постоји тачка која се врло лако може погрешно прочитати: температура означена суфиксом је температурна отпорност материјала под  одређеним условима калибрације коефицијента пропусности , а не „максимална радна температура“ коју магнет аутоматски добија након уградње у мотор. Исти УХ магнет може да ради непрекидно на 130°Ц у добро хлађеном прототипу, али у делу за масовну производњу са недовољним хлађењем сендвича, врућа тачка може директно да порасте изнад 170°Ц.

Самаријум кобалт: резервна опција, али цена мора бити јасно израчуната

Када је температурна маргина НдФеБ заиста недовољна, СмЦо је незаобилазна алтернатива у инжењерингу. СмЦо има знатно већу температурну отпорност; многи слојеви се могу користити у апликацијама на нивоу  од 350°Ц  , а Киријева температура је такође у опсегу од 700–850°Ц, далеко више од 310–350°Ц НдФеБ. У области високих температура, нагиб криве неповратне демагнетизације СмЦо са температуром је такође много равнији од нагиба НдФеБ.

Али трошкови СмЦо морају бити стављени на сто у исто време. Његова типична реманенција је у опсегу  0,95–1,1 Т  , док НдФеБ може да достигне 1,1–1,4 Т; максимални енергетски производ је обично  25%–30%  нижи од НдФеБ. То значи да да би се постигла иста густина флукса у ваздушном зазору, СмЦо магнети морају бити дебљи и тежи, што заузврат задире у ионако уски аксијални простор машина са аксијалним флуксом и може чак повећати инерцију ротора и губитке вртложних струја. СмЦо је такође скупљи, а зрелост ланца снабдевања и флексибилност испоруке нису тако добри као код НдФеБ-а. Стога, осим ако термичка провера јасно показује да „чак ни НдФеБ надограђен на ЕХ/АХ не може да издржи“,  коришћење СмЦо за „куповину“ марже температуре је често трансакција која се плаћа три пута по тежини, цени и густини снаге.

Тачан редослед избора: Закључите оцену на основу температуре магнета

Процес селекције магнета на основу температуре за аксијални флукс би требало да следи доле наведени редослед, уместо да почиње од табеле квалитета.

Корак 1: Прво дефинишите хлађење, а затим разговарајте о степену.  Метода хлађења ротора машине са аксијалним флуксом директно одређује 'под' температуре магнета. Ваздушно хлађење је једноставно и има мале паразитске губитке, али су топлотна проводљивост и специфични топлотни капацитет ваздуха ограничени, а способност хлађења у великој мери зависи од брзине и окружења. Хлађење уља се веома очекује у аксијалном флуксу; Експериментални подаци показују да разумна шема хлађења уљем може да смањи максималну температуру за  15–20°Ц  даље од хлађења чистом водом, али хлађење уљем „одношење топлоте“ није једнако „елиминисању топлоте“. Разлика у температури између ивице и центра структуре типа диска и даље може да достигне  30–50 К , а локална врућа тачка је објекат де верма мреже. Пре него што се шема хлађења замрзне, сваком избору степена недостаје поуздана премиса.

Корак 2: Ставите стање кратког споја у проверу температуре.  Температура у нормалном раду је само основна. Верификација демагнетизације мора да покрије обрнуто магнетно поље генерисано грешком контролера или кратким спојем намотаја, а ова провера се мора извршити на  највишој температури коју магнет може да достигне под тим условима . Критеријум дизајна у литератури је једноставан: дебљину магнета треба изабрати да би се избегла неповратна демагнетизација након трофазне струје кратког споја на најнижој температури. Уопштено говорећи, потребно је потврдити да радна тачка не пада испод тачке колена на суперпозицији најгоре температуре и најгорег поља за размагнетисање.

Корак 3: Користите 'стварна температура магнета + поље за демагнетизацију кратког споја' да проверите суфикс степена.  Ако је температура вруће тачке магнета дата схемом хлађења и електромагнетним дизајном реда величине  140–150°Ц , а поље за демагнетизацију кратког споја није јако, СХ може ући на листу кандидата; када се врућа тачка приближи или пређе  160°Ц , УХ је поузданија полазна тачка; када врућа тачка достигне  изнад 180°Ц , ЕХ или чак виши нивои морају бити озбиљно процењени, или се мора поново размотрити сам дизајн хлађења. Логика је овде:  суфикс није „ниво перформанси“, већ „ниво способности за очување тачке колена на датој температури“.  Цена виших оцена суфикса (УХ/ЕХ) је обично нешто нижа реманенција или већи додатак тешких ретких земаља; није бесплатно осигурање.

Корак 4: Користите сегментацију ротора и геометрију магнета да бисте 'олакшали оптерећење' на температури.  Избор магнета није изолована материјална одлука. Губитак вртложне струје магнета ротора аксијалног флукса је директно повезан са дужином путање вртложне струје и површином на површини магнета, а сегментација перманентног магнета је ефикасан начин за смањење губитка вртложне струје и сузбијање пораста температуре. Када је степен већ одређен и температурна маргина је чврста, смањење сопствене производње топлоте магнета кроз оптимизацију сегментације је понекад економичније од једноставног подизања суфикса степена за један ниво, а такође је погодније за очување густине обртног момента.

Практична линија просуђивања

Ако овај чланак треба да се сабије у једну реченицу да би се унео у преглед дизајна, то је:  класа магнета ротора са аксијалним флуксом не би требало да буде „одабрана“; требало би да се „израчуна“ – прво употребите услове хлађења и кратког споја да бисте израчунали температуру коју ће магнет достићи, затим употребите ту температуру да потражите тачку колена и на крају се определите за суфикс.

За НдФеБ,  120°Ц  је тачка посматрања на којој реверзибилно распадање почиње да постаје значајно, а око  150°Ц  је регион где ризик од неповратне демагнетизације улази у ниво који мора бити озбиљно верификован. Ова два броја нису 'максимална радна температура' у табели квалитета; него подсећају дизајнере да у сендвич структури аксијалног флукса, температурна маргина нестаје брже него у радијалним машинама. Третирање температуре као субјекта селекције, а не као објекта оцењивања је оно што спречава да се демагнетизација из материјалног проблема претвори у системски јаз у поузданости.