การเลือกอุณหภูมิการล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กตามแนวแกน-ฟลักซ์โรเตอร์: อุณหภูมิเป็นเรื่องแรกของการเลือก

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในการเลือกแม่เหล็กสำหรับ มอเตอร์แบบฟลักซ์ตามแนวแกน ต้องเริ่มจากตารางเกรด ขั้นแรกให้ดูที่ปริมาณคงเหลือ จากนั้นจึงดูที่อุณหภูมิการทำงานสูงสุด และเลือกเกรดที่ 'ดีพอ' เพื่อใส่ลงใน BOM แต่ในโครงสร้างฟลักซ์ตามแนวแกน ลำดับนี้จะกลับกันทุกประการ อุณหภูมิของแม่เหล็กโรเตอร์ไม่ได้ถูกกำหนดโดยตัวแม่เหล็กเอง มันถูกกำหนดบนแม่เหล็กโดยโทโพโลยี การทำความเย็น และสภาวะการทำงาน จุดเริ่มต้นที่แท้จริงของการเลือกคือต้องถามให้ชัดเจน:  ในกรณีที่เลวร้ายที่สุดที่มีการลัดวงจร โอเวอร์โหลด และฮอตสปอตซ้อนทับกัน แม่เหล็กจะร้อนแค่ไหน และยังสามารถทนต่อสนามแม่เหล็กย้อนกลับที่อุณหภูมินั้นได้หรือไม่

ความเสี่ยงในการล้างอำนาจแม่เหล็กของฟลักซ์ตามแนวแกนคือ 'ถูกเขียนลงใน' โครงสร้าง

จุดขายของมอเตอร์แบบฟลักซ์ตามแนวแกนนั้นชัดเจน: ด้วยกำลังเท่ากัน น้ำหนักและความยาวแกนจะลดลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับมอเตอร์แนวรัศมี แต่ความกะทัดรัดนี้มาพร้อมกับต้นทุนด้านความร้อน

ในโทโพโลยีโรเตอร์เดี่ยวแบบสเตเตอร์คู่ โรเตอร์จะถูกประกบอยู่ระหว่างสเตเตอร์สองตัว ดังนั้นพื้นที่สัมผัสโดยตรงระหว่างโรเตอร์กับอากาศจึงลดลงอย่างมาก และเส้นทางการกระจายความร้อนจะแคบลงโดยธรรมชาติ ในเวลาเดียวกัน แม่เหล็กเองก็สร้างการสูญเสียกระแสหมุนวนในสนามแม่เหล็กสลับ และความร้อนนี้จะถูกปล่อยออกมาโดยตรงภายในแม่เหล็กถาวร การแผ่รังสีความร้อนจากสเตเตอร์ที่ซ้อนทับบนการทำความร้อนในตัวเองของโรเตอร์ทำให้อุณหภูมิของแม่เหล็กเข้าใกล้หรือข้ามขอบเขตอันตรายภายใต้สภาวะพลังงานสูงอย่างต่อเนื่องได้อย่างง่ายดาย การตัดสินที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ในการวิเคราะห์ทางอุตสาหกรรมคือ โครงสร้างแบบประกบและความหนาแน่นกำลังสูงของมอเตอร์แบบฟลักซ์ตามแนวแกนนำไปสู่ความจุความร้อนที่ต่ำมาก ทำให้แม่เหล็กของโรเตอร์ 'มีแนวโน้มที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไป'

ดังนั้นการเลือกแม่เหล็กสำหรับฟลักซ์ตามแนวแกนจึงไม่สามารถลอกเลียนแบบประสบการณ์ของมอเตอร์เรเดียลได้ง่ายๆ สัญชาตญาณของมอเตอร์แนวรัศมีที่ 'โรเตอร์ถูกระบายความร้อนผ่านเพลาและอากาศที่ปลาย' โดยพื้นฐานแล้วล้มเหลวในโทโพโลยีชนิดดิสก์

สิ่งที่เกิดขึ้นจริงในการล้างอำนาจแม่เหล็ก: ขอบเขตระหว่างสิ่งที่กลับด้านได้และกลับไม่ได้

เพื่อให้เข้าใจถึงการเลือก เราต้องเข้าใจแนวคิดเรื่องอุณหภูมิเพียงสองแนวคิดเท่านั้น

การล้างอำนาจแม่เหล็กแบบพลิกกลับได้  คือ 'การสลายด้วยความร้อน' ปกติของแม่เหล็ก เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปริมาณคงเหลือจะลดลงเป็นเส้นตรง และจะฟื้นตัวหลังจากเย็นลง โดยไม่มีความเสียหายถาวร NdFeB ทำงานในช่วงอุณหภูมิต่ำกว่า 120°C เป็นหลัก ปัญหาปรากฏสูงกว่า 120°C: ความชันของการสลายตัวแบบพลิกกลับได้มีความสำคัญมากขึ้น และที่สำคัญยิ่งกว่านั้น  ขอบเขตของการลดอำนาจแม่เหล็กแบบกลับด้านไม่ได้ถูกผลักเข้ามาใกล้ยิ่งขึ้น.

เกณฑ์ทางกายภาพสำหรับการล้างอำนาจแม่เหล็กแบบกลับไม่ได้คือ  เข่า จุด เส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กมีจุดเปลี่ยนเว้าในจตุภาคที่สอง จุดปฏิบัติงานเหนือจุดเข่ามีความปลอดภัย เมื่อสนามแม่เหล็กย้อนกลับภายนอกดันจุดปฏิบัติการไว้ต่ำกว่าจุดเข่า แม่เหล็กจะไม่สามารถกลับคืนมาได้หลังจากที่สนามแม่เหล็กภายนอกถูกถอดออก และส่วนที่เหลือจะสูญเสียอย่างถาวร ผลที่ตามมาของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า: คงเหลือลดลง และในเวลาเดียวกัน  จุดเข่าเคลื่อนไปทางขวา (ไปยังสนามแม่เหล็กด้านล่าง) ซึ่งหมายความว่าสนามแม่เหล็กย้อนกลับเดียวกันมีแนวโน้มที่จะข้ามจุดเข่าที่อุณหภูมิสูง สำหรับ NdFeB โดยทั่วไปการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรมจะถือว่าอุณหภูมิ  ประมาณ 150°C เป็นบริเวณวิกฤตสำหรับการล้างอำนาจแม่เหล็กแบบกลับไม่ ได้ เหนือระดับนี้ ความเสี่ยงของการสูญเสียสมรรถนะทางแม่เหล็กโดยสิ้นเชิงจะไม่ใช่เหตุการณ์ความน่าจะเป็นเล็กน้อยอีกต่อไป

ส่วนต่อท้ายตัวอักษรของเกรดแม่เหล็กจะระบุ  อุณหภูมิที่จุดเข่าสามารถคงอยู่ทางด้านขวาได้มาก พอ ความสอดคล้องทั่วไปได้แก่: SH สอดคล้องกับประมาณ 150°C, UH ถึง 180°C, EH ถึง 200°C และ AH ถึง 220°C แต่มีจุดที่อ่านผิดได้ง่ายมาก: อุณหภูมิที่ระบุโดยส่วนต่อท้ายคือความต้านทานอุณหภูมิของวัสดุภายใต้  เงื่อนไขการสอบเทียบค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านเฉพาะ ไม่ใช่ 'อุณหภูมิการทำงานสูงสุด' ที่แม่เหล็กจะได้รับโดยอัตโนมัติหลังจากติดตั้งในมอเตอร์ แม่เหล็ก UH ตัวเดียวกันอาจทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 130°C ในต้นแบบที่มีการระบายความร้อนอย่างดี แต่ในชิ้นส่วนการผลิตจำนวนมากที่มีการระบายความร้อนแบบแซนวิชไม่เพียงพอ ฮอตสปอตอาจพุ่งสูงกว่า 170°C โดยตรง

ซาแมเรียมโคบอลต์: ตัวเลือกทางเลือก แต่ต้องคำนวณต้นทุนให้ชัดเจน

เมื่อค่าเผื่ออุณหภูมิของ NdFeB ไม่เพียงพออย่างแท้จริง SmCo จึงเป็นทางเลือกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในด้านวิศวกรรม SmCo มีความต้านทานต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นอย่างมาก เกรดต่างๆ สามารถนำไปใช้งานที่ ระดับ  350°C  และอุณหภูมิ Curie ก็อยู่ในช่วง 700–850°C เช่นกัน ซึ่งสูงกว่า NdFeB ที่ 310–350°C มาก ในภูมิภาคที่มีอุณหภูมิสูง ความชันของเส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ของ SmCo ที่มีอุณหภูมินั้นยังราบเรียบกว่าของ NdFeB มากอีกด้วย

แต่ต้นทุนของ SmCo ก็ต้องถูกวางบนโต๊ะพร้อมๆ กัน ปริมาณคงเหลือโดยทั่วไปอยู่ใน ช่วง  0.95–1.1 T  ในขณะที่ NdFeB สามารถเข้าถึง 1.1–1.4 T; ผลิตภัณฑ์พลังงานสูงสุดมักจะ  25%–30%  ต่ำกว่า NdFeB ซึ่งหมายความว่าเพื่อให้ได้ความหนาแน่นของฟลักซ์ช่องว่างอากาศที่เท่ากัน แม่เหล็ก SmCo จะต้องมีความหนาและหนักกว่า ซึ่งจะรุกล้ำพื้นที่แนวแกนที่แน่นอยู่แล้วของเครื่องฟลักซ์ตามแนวแกน และอาจเพิ่มความเฉื่อยของโรเตอร์และการสูญเสียกระแสไหลวนด้วยซ้ำ SmCo ยังมีราคาแพงกว่า และความพร้อมของห่วงโซ่อุปทานและความยืดหยุ่นในการจัดส่งไม่ดีเท่าของ NdFeB ดังนั้น เว้นแต่การตรวจสอบความร้อนจะระบุอย่างชัดเจนว่า 'แม้แต่ NdFeB ที่อัปเกรดเป็น EH/AH ก็ไม่สามารถคงไว้ได้'  การใช้ SmCo เพื่อ 'ซื้อ' ส่วนต่างอุณหภูมิ มักจะเป็นธุรกรรมที่จ่ายมากกว่าสามเท่าในด้านน้ำหนัก ต้นทุน และความหนาแน่นของพลังงาน.

ลำดับการเลือกที่ถูกต้อง: อนุมานเกรดจากอุณหภูมิแม่เหล็ก

กระบวนการเลือกแม่เหล็กตามอุณหภูมิที่สามารถดำเนินการได้สำหรับฟลักซ์ตามแนวแกนควรเป็นไปตามลำดับด้านล่าง แทนที่จะเริ่มจากตารางเกรด

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดความเย็นก่อน จากนั้นจึงหารือเกี่ยวกับเกรด  วิธีการทำความเย็นของโรเตอร์ของเครื่องฟลักซ์ตามแนวแกนจะกำหนด 'พื้น' ของอุณหภูมิแม่เหล็กโดยตรง การระบายความร้อนด้วยอากาศนั้นทำได้ง่ายและมีการสูญเสียปรสิตต่ำ แต่ค่าการนำความร้อนและความจุความร้อนจำเพาะของอากาศนั้นมีจำกัด และความสามารถในการทำความเย็นนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วและสภาพแวดล้อมอย่างมาก การระบายความร้อนด้วยน้ำมันเป็นสิ่งที่คาดหวังไว้สูงในฟลักซ์ตามแนวแกน ข้อมูลการทดลองแสดงให้เห็นว่ารูปแบบการระบายความร้อนด้วยน้ำมันที่เหมาะสมสามารถลดอุณหภูมิสูงสุดลงได้  15–20°C  ซึ่งมากกว่าการระบายความร้อนด้วยน้ำบริสุทธิ์ แต่การระบายความร้อนด้วยน้ำมัน 'การพาความร้อนออกไป' ไม่เท่ากับ 'การขจัดความร้อน' ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างขอบและศูนย์กลางของโครงสร้างประเภทดิสก์ยังคงสูงถึง  30–50 K และฮอตสปอตเฉพาะจุดนั้นเป็นเป้าหมายของการตรวจสอบการล้างอำนาจแม่เหล็ก ก่อนที่รูปแบบการทำความเย็นจะถูกแช่แข็ง การเลือกเกรดใดๆ ยังขาดหลักฐานที่เชื่อถือได้

ขั้นตอนที่ 2: ใส่สภาวะไฟฟ้าลัดวงจรลงในการตรวจสอบอุณหภูมิ  อุณหภูมิภายใต้การทำงานปกติเป็นเพียงค่าพื้นฐานเท่านั้น การตรวจสอบการลดอำนาจแม่เหล็กจะต้องครอบคลุมสนามแม่เหล็กย้อนกลับที่เกิดจากความผิดปกติของตัวควบคุมหรือการลัดวงจรของขดลวด และการตรวจสอบนี้จะต้องดำเนินการที่  อุณหภูมิสูงสุดที่แม่เหล็กอาจเข้าถึงได้ภายใต้สภาวะดัง กล่าว เกณฑ์การออกแบบในวรรณคดีตรงไปตรงมา: ควรเลือกความหนาของแม่เหล็กเพื่อหลีกเลี่ยงการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ไม่สามารถย้อนกลับได้หลังจากกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสามเฟสที่อุณหภูมิต่ำสุด โดยทั่วไป จำเป็นต้องยืนยันว่าจุดปฏิบัติงานไม่ต่ำกว่าจุดเข่าที่ตำแหน่งซ้อนทับของอุณหภูมิที่เลวร้ายที่สุดและสนามล้างอำนาจแม่เหล็กที่แย่ที่สุด

ขั้นตอนที่ 3: ใช้ 'อุณหภูมิแม่เหล็กจริง + สนามล้างอำนาจแม่เหล็กลัดวงจร' เพื่อตรวจสอบส่วนต่อท้ายเกรด  หากอุณหภูมิฮอตสปอตแม่เหล็กที่กำหนดโดยรูปแบบการทำความเย็นและการออกแบบแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในลำดับ  140–150°C และสนามล้างอำนาจแม่เหล็กของการลัดวงจรไม่รุนแรง SH อาจเข้าสู่รายชื่อผู้สมัคร เมื่อจุดร้อนเข้าใกล้หรือเกิน  160°C UH จะเป็นจุดเริ่มต้นที่เชื่อถือได้มากขึ้น เมื่อจุดร้อนมีอุณหภูมิ  สูงกว่า 180°C จะต้องได้รับการประเมิน EH หรือเกรดที่สูงกว่านั้นอย่างจริงจัง หรือต้องพิจารณาการออกแบบการทำความเย็นอีกครั้ง ตรรกะในที่นี้คือ:  คำต่อท้ายไม่ใช่ 'ระดับประสิทธิภาพ' แต่เป็น 'ระดับความสามารถในการรักษาจุดเข่าที่อุณหภูมิที่กำหนด'  ราคาของเกรดต่อท้ายที่สูงกว่า (UH/EH) มักจะน้อยกว่าการเติมกลับที่ต่ำกว่าเล็กน้อยหรือการเติมดินหายากที่สูงกว่า มันไม่ใช่ประกันฟรี

ขั้นตอนที่ 4: ใช้การแบ่งส่วนโรเตอร์และรูปทรงแม่เหล็กเพื่อ 'แบ่งเบาภาระ' เกี่ยวกับอุณหภูมิ  การเลือกแม่เหล็กไม่ใช่การตัดสินใจเลือกวัสดุแบบแยกเดี่ยว การสูญเสียกระแสไหลวนของแม่เหล็กโรเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความยาวเส้นทางและพื้นที่ผิวของกระแสไหลวนบนพื้นผิวแม่เหล็ก และการแบ่งส่วนแม่เหล็กถาวรเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดการสูญเสียกระแสไหลวนและระงับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เมื่อเกรดถูกกำหนดแล้วและระยะขอบของอุณหภูมิแน่นหนา การลดการสร้างความร้อนของแม่เหล็กเองผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพการแบ่งส่วนบางครั้งอาจประหยัดกว่าการเพิ่มส่วนต่อท้ายของเกรดขึ้นหนึ่งระดับ และยังเอื้อต่อการรักษาความหนาแน่นของแรงบิดอีกด้วย

เส้นตัดสินที่ใช้งานได้จริง

หากบทความนี้ถูกบีบอัดเป็นประโยคเดียวเพื่อนำมาทบทวนการออกแบบ  เกรดของแม่เหล็กโรเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนไม่ควร 'เลือก'; ควร 'คำนวณ' ไว้ ขั้นแรกให้ใช้สภาวะการทำความเย็นและการลัดวงจรเพื่อคำนวณอุณหภูมิที่แม่เหล็กจะไปถึง จากนั้นใช้อุณหภูมินั้นเพื่อดูจุดเข่า และสุดท้ายจึงตกลงที่ส่วนต่อท้าย

สำหรับ NdFeB อุณหภูมิ  120°C  เป็นจุดสังเกตที่การสลายตัวแบบผันกลับได้เริ่มมีนัยสำคัญ และประมาณ  150°C  เป็นบริเวณที่ความเสี่ยงในการล้างอำนาจแม่เหล็กแบบกลับไม่ได้เข้าสู่ระดับที่ต้องได้รับการตรวจสอบอย่างจริงจัง ตัวเลขสองตัวนี้ไม่ใช่ 'อุณหภูมิการทำงานสูงสุด' ในตารางเกรด แต่พวกเขาเตือนนักออกแบบว่าในโครงสร้างแซนวิชของฟลักซ์ตามแนวแกน ขอบของอุณหภูมิจะหายไปเร็วกว่าในเครื่องจักรแนวรัศมี การปฏิบัติต่ออุณหภูมิเป็นเรื่องของการเลือกแทนที่จะเป็นเป้าหมายของเกรดคือสิ่งที่ทำให้การลดอำนาจแม่เหล็กจากการเปลี่ยนจากปัญหาวัสดุไปสู่ช่องว่างความน่าเชื่อถือของระบบ