Axial-Flux Rotor Magnet Avmagnetisering Temperaturval: Temperaturen är det första föremålet för valet

Det vanligaste misstaget i magnetval för axialflödesmotorer ska börja från graderingstabellen: titta först på remanens, sedan på den maximala driftstemperaturen och välj en gradering som är 'tillräckligt bra' för att läggas in i stycklistan. Men i en struktur med axiellt flöde är denna ordning exakt omvänd. Rotormagnetens temperatur bestäms inte av magneten själv; den påtvingas magneten av topologin, kylningen och driftsförhållandena. Den verkliga utgångspunkten för valet är att fråga tydligt:  ​​i värsta fall där kortslutning, överbelastning och heta fläckar överlagras, hur varm kommer magneten att bli och kan den fortfarande motstå det omvända magnetfältet vid den temperaturen?

Avmagnetiseringsrisken för axiellt flöde 'skrivs in i' strukturen

Försäljningsargumentet för axialflödesmotorer är tydligt: ​​vid samma effekt kan vikt och axiell längd halveras jämfört med radialmotorer. Men denna kompakthet kommer till en termisk kostnad.

I en dubbelstator enkelrotortopologi är rotorn inklämd mellan två statorer, så den direkta kontaktytan mellan rotorn och luften reduceras kraftigt, och värmeavledningsvägen är i sig smal. Samtidigt genererar magneterna själva virvelströmsförluster i det alternerande magnetfältet, och denna värme frigörs direkt inuti permanentmagneterna. Den termiska strålningen från statorerna som överlagras på rotorns självuppvärmning gör det lätt för magnettemperaturen att närma sig eller till och med passera den farliga gränsen under kontinuerliga högeffektsförhållanden. En återkommande bedömning i industrianalyser är att sandwichstrukturen och den höga effekttätheten hos axialflödesmotorer leder till extremt låg termisk kapacitet, vilket gör rotormagneterna 'mycket benägna att överhettas.'

Därför kan magnetval för axiellt flöde inte bara kopiera upplevelsen av radiella motorer. Intuitionen i radiella motorer att 'rotorn kyls genom axeln och luften i ändarna' misslyckas i princip i en topologi av skivtyp.

Vad som faktiskt händer i avmagnetisering: gränsen mellan reversibel och irreversibel

För att förstå urvalet behöver man bara förstå två temperaturbegrepp.

Reversibel avmagnetisering  är det normala 'termiska sönderfallet' för en magnet. När temperaturen stiger minskar remanensen linjärt och den återhämtar sig efter kylning utan permanent skada. NdFeB arbetar huvudsakligen i detta intervall under 120°C. Problemet uppträder över 120°C: lutningen för reversibelt sönderfall blir mer betydande, och mer kritiskt  skjuts gränsen för irreversibel avmagnetisering närmare.

Det fysiska kriteriet för irreversibel avmagnetisering är  knäpunkten . Avmagnetiseringskurvan har en brytpunkt i den andra kvadranten. Operationspunkter ovanför knäpunkten är säkra; när ett externt omvänt magnetfält trycker in operationspunkten under knäpunkten, kan magneten inte återvända efter att det yttre fältet har tagits bort, och remanensen lider permanent förlust. Konsekvensen av stigande temperatur är tvåfaldig: remanensen minskar, och samtidigt  rör sig knäpunkten åt höger (mot lägre magnetfält) , vilket innebär att samma omvända magnetfält är mer benäget att korsa knäpunkten vid hög temperatur. För NdFeB behandlar ingenjörspraktik i allmänhet  runt 150°C som det kritiska området för irreversibel avmagnetisering ; över denna nivå är risken för fullständig förlust av magnetisk prestanda inte längre en försumbar händelse med liten sannolikhet.

Bokstavssuffixet för en magnetgrad anger i huvudsak  den temperatur vid vilken knäpunkten fortfarande kan förbli tillräckligt långt åt höger . Vanliga motsvarigheter är: SH motsvarar ca 150°C, UH till 180°C, EH till 200°C och AH till 220°C. Men det finns en punkt som är mycket lätt att läsa fel: temperaturen som indikeras av suffixet är materialets temperaturbeständighet under  specifika permeanskoefficientkalibreringsförhållanden , inte den 'maximala driftstemperaturen' som magneten automatiskt får efter att ha installerats i motorn. Samma UH-magnet kan köras kontinuerligt vid 130°C i en välkyld prototyp, men i en massproduktionsdel med otillräcklig sandwichkylning kan hot spot direkt stiga över 170°C.

Samarium Cobalt: Reservalternativet, men kostnaden måste beräknas tydligt

När temperaturmarginalen för NdFeB verkligen är otillräcklig är SmCo ett oundvikligt alternativ inom teknik. SmCo har betydligt högre temperaturbeständighet; många kvaliteter kan användas i applikationer på  350°C-  nivån, och Curie-temperaturen ligger också i intervallet 700–850°C, mycket högre än 310–350°C för NdFeB. I högtemperaturområdet är lutningen för den irreversibla avmagnetiseringskurvan för SmCo med temperaturen också mycket flackare än den för NdFeB.

Men kostnaden för SmCo måste läggas på bordet samtidigt. Dess typiska remanens ligger i intervallet  0,95–1,1 T  , medan NdFeB kan nå 1,1–1,4 T; den maximala energiprodukten är vanligtvis  25 %–30 %  lägre än den för NdFeB. Detta innebär att för att uppnå samma luftgapflödestäthet måste SmCo-magneter vara tjockare och tyngre, vilket i sin tur inkräktar på det redan trånga axiella utrymmet hos axialflödesmaskiner och till och med kan öka rotorns tröghet och virvelströmsförluster. SmCo är också dyrare, och dess leveranskedjas mognad och leveransflexibilitet är inte lika bra som NdFeB. Såvida inte den termiska kontrollen tydligt indikerar att 'även NdFeB uppgraderad till EH/AH kan inte hålla'  är att använda SmCo för att 'köpa' temperaturmarginal ofta en transaktion som betalas tre gånger så mycket i vikt, kostnad och effekttäthet.

Korrekt ordningsföljd för urval: Här kan du sluta dig till betyget från magnettemperaturen

En åtgärdbar temperaturbaserad magnetvalsprocess för axiellt flöde bör följa ordningen nedan, snarare än att börja från betygstabellen.

Steg 1: Definiera kylningen först och diskutera sedan betyget.  Rotorkylningsmetoden för en axialflödesmaskin bestämmer direkt 'golvet' för magnettemperaturen. Luftkylning är enkel och har låga parasitförluster, men luftens värmeledningsförmåga och specifika värmekapacitet är begränsade och kylförmågan är starkt beroende av hastighet och miljö. Oljekylning förväntas starkt i axiellt flöde; experimentella data visar att ett rimligt oljekylningsschema kan sänka den maximala temperaturen med  15–20°C  ytterligare än ren vattenkylning, men oljekylning som 'bär bort värme' är inte lika med 'eliminering av värme' Temperaturskillnaden mellan kanten och mitten av en skivliknande struktur kan fortfarande nå  30-50 K , och den lokala hotspoten är föremålet för demagnetisering. Innan kylschemat fryses, saknar varje kvalitetsval en tillförlitlig premiss.

Steg 2: Sätt in kortslutningstillståndet i temperaturkontrollen.  Temperaturen under normal drift är endast baslinjen. Verifiering av avmagnetisering måste täcka det omvända magnetfältet som genereras av ett styrenhetsfel eller lindningskortslutning, och denna kontroll måste utföras vid  den högsta temperatur som magneten kan nå under det läget . Designkriteriet i litteraturen är enkelt: magnettjockleken bör väljas för att undvika irreversibel avmagnetisering efter en trefas kortslutningsström vid lägsta temperatur. Mer generellt är det nödvändigt att bekräfta att operationspunkten inte faller under knäpunkten vid överlagring av den sämsta temperaturen och det värsta avmagnetiseringsfältet.

Steg 3: Använd 'faktisk magnettemperatur + kortslutningsavmagnetiseringsfält' för att kontrollera betygssuffixet.  Om magnetens hotspot-temperatur som ges av kylschemat och den elektromagnetiska designen är i storleksordningen  140–150°C och kortslutningsavmagnetiseringsfältet inte är allvarligt, kan SH komma in på kandidatlistan; när den heta punkten närmar sig eller överstiger  160°C är UH en mer pålitlig utgångspunkt; när den heta punkten når  över 180°C måste EH eller ännu högre kvaliteter utvärderas seriöst, eller så måste själva kyldesignen omprövas. Logiken här är:  suffixet är inte en 'prestandanivå' utan en 'kapacitetsnivå för att bevara knäpunkten vid en given temperatur.'  Kostnaden för högre suffixgrader (UH/EH) är vanligtvis något lägre remanens eller ett högre tillägg av tunga sällsynta jordartsmetaller; det är inte gratis försäkring.

Steg 4: Använd rotorsegmentering och magnetgeometri för att 'lätta belastningen' på temperaturen.  Magnetval är inte ett isolerat materialbeslut. Virvelströmsförlusten hos axialflödesrotormagneter är direkt relaterad till virvelströmsbanan och ytarean på magnetytan, och permanentmagnetsegmentering är ett effektivt sätt att minska virvelströmsförlusten och undertrycka temperaturökning. När graderingen redan har bestämts och temperaturmarginalen är snäv, är det ibland mer ekonomiskt att reducera magnetens egen värmealstring genom segmenteringsoptimering än att bara höja graderingssuffixet med en nivå, och det är också mer gynnsamt för att bevara vridmomentdensiteten.

En praktisk bedömningslinje

Om den här artikeln ska komprimeras till en mening för att få in en designgranskning är det:  graden av en axialflödesrotormagnet ska inte 'väljas'; den bör 'beräknas'—använd först kylnings- och kortslutningsförhållandena för att beräkna vilken temperatur magneten kommer att nå, använd sedan den temperaturen för att slå upp knäpunkten och slutligen bestäm dig för suffixet.

För NdFeB är  120°C  den observationspunkt vid vilken reversibelt sönderfall börjar bli betydande, och runt  150°C  är det område där den irreversibla avmagnetiseringsrisken kommer in på den nivå som måste verifieras på allvar. Dessa två siffror är inte den 'maximala drifttemperaturen' i betygstabellen; snarare påminner de designers om att i sandwichstrukturen av axiellt flöde försvinner temperaturmarginalen snabbare än i radiella maskiner. Att behandla temperatur som föremål för urval snarare än som föremål för betyget är det som hindrar avmagnetisering från att förvandlas från ett materialproblem till ett systemiskt tillförlitlighetsgap.