Eksenel Akı Rotor Mıknatısı Demanyetizasyon Sıcaklığı Seçimi: İlk Seçim Konusu Sıcaklıktır

Mıknatıs seçiminde en sık yapılan hata Eksenel akılı motorlar için sınıf tablosundan başlamak gerekir: önce kalıcılığa, ardından maksimum çalışma sıcaklığına bakın ve Malzeme Listesine koymak için 'yeterince iyi' olan bir kalite seçin. Ancak eksenel akılı yapıda bu sıra tam tersidir. Rotor mıknatısının sıcaklığı mıknatısın kendisi tarafından belirlenmez; topoloji, soğutma ve çalışma koşulları mıknatısa uygulanır. Seçimin asıl başlangıç ​​noktası açıkça şunu sormaktır:  Kısa devre, aşırı yük ve sıcak noktaların üst üste geldiği en kötü durumda, mıknatıs ne kadar ısınır ve o sıcaklıkta ters manyetik alana hâlâ dayanabilir mi?

Eksenel Akının Demanyetizasyon Riski Yapıya 'Yazılmıştır'

Eksenel akılı motorların satış noktası açıktır: aynı güçte, ağırlıkta ve eksenel uzunlukta, radyal motorlara kıyasla yarıya indirilebilir. Ancak bu kompaktlığın termal bir maliyeti vardır.

Çift statorlu tek rotorlu topolojide, rotor iki stator arasına sıkıştırılır, böylece rotor ile hava arasındaki doğrudan temas alanı büyük ölçüde azalır ve ısı dağıtım yolu doğası gereği dar olur. Aynı zamanda mıknatısların kendisi de alternatif manyetik alanda girdap akımı kayıpları üretir ve bu ısı doğrudan kalıcı mıknatısların içine salınır. Rotorun kendi kendine ısınması üzerine statorlardan gelen termal radyasyon, sürekli yüksek güç koşulları altında mıknatıs sıcaklığının tehlikeli sınıra yaklaşmasını ve hatta tehlikeli sınıra ulaşmasını kolaylaştırır. Endüstri analizlerinde yinelenen bir yargı, eksenel akılı motorların sandviç yapısının ve yüksek güç yoğunluğunun son derece düşük termal kapasiteye yol açarak rotor mıknatıslarını 'aşırı ısınmaya oldukça yatkın' hale getirdiği yönündedir.

Bu nedenle eksenel akı için mıknatıs seçimi, radyal motorların deneyimini basitçe kopyalayamaz. Radyal motorlarda 'rotorun mil aracılığıyla ve uçlardaki havanın soğutulması' sezgisi, disk tipi bir topolojide temel olarak başarısız olur.

Demanyetizasyonda Gerçekte Ne Oluyor: Tersinir ve Geri Dönülemez Arasındaki Sınır

Seçimi anlamak için yalnızca iki sıcaklık kavramını kavramak gerekir.

Tersine çevrilebilir demanyetizasyon,  bir mıknatısın normal 'termal bozulmasıdır'. Sıcaklık arttıkça kalıcılık doğrusal olarak azalır ve soğuduktan sonra kalıcı bir hasar olmadan eski haline döner. NdFeB esas olarak 120°C'nin altındaki bu aralıkta çalışır. Sorun 120°C'nin üzerinde ortaya çıkıyor: Tersine çevrilebilir bozunumun eğimi daha belirgin hale geliyor ve daha da önemlisi,  geri döndürülemez manyetikliğin giderilmesinin sınırı daha da yaklaşıyor.

Geri dönüşü olmayan manyetikliği gidermenin fiziksel kriteri  diz noktasıdır . Demanyetizasyon eğrisinin ikinci çeyrekte bir bükülme noktası vardır. Diz noktasının üzerindeki çalışma noktaları güvenlidir; Harici bir ters manyetik alan, çalışma noktasını diz noktasının altına ittiğinde, dış alan kaldırıldıktan sonra mıknatıs geri dönemez ve kalıcı mıknatıslanma kaybı yaşanır. Artan sıcaklığın sonucu iki yönlüdür: kalıcılık azalır ve aynı zamanda  diz noktası sağa doğru (daha düşük manyetik alana doğru) hareket eder , bu da aynı ters manyetik alanın yüksek sıcaklıkta diz noktasını geçme ihtimalinin daha yüksek olduğu anlamına gelir. NdFeB için mühendislik uygulaması genellikle  150°C civarını geri döndürülemez manyetikliğin giderilmesi için kritik bölge olarak ele alır ; bu seviyenin üzerinde, manyetik performansın tamamen kaybolması riski artık göz ardı edilebilecek küçük olasılıklı bir olay değildir.

Bir mıknatıs derecesinin harf son eki esas olarak  diz noktasının hala yeterince sağda kalabileceği sıcaklığı belirtir . Yaygın karşılıklar şunlardır: SH yaklaşık 150°C'ye, UH ila 180°C'ye, EH ila 200°C'ye ve AH ila 220°C'ye karşılık gelir. Ancak çok kolay yanlış okunabilecek bir nokta var: Son ekte belirtilen sıcaklık,  belirli geçirgenlik katsayısı kalibrasyon koşulları altındaki sıcaklık direncidir. mıknatısın motora takıldıktan sonra otomatik olarak elde ettiği 'maksimum çalışma sıcaklığı' değil, malzemenin Aynı UH mıknatısı iyi soğutulmuş bir prototipte sürekli olarak 130°C'de çalışabilir, ancak sandviç soğutmanın yetersiz olduğu seri üretim bir parçada sıcak nokta doğrudan 170°C'nin üzerine çıkabilir.

Samarium Kobalt: Geri Dönüş Seçeneği, Ancak Maliyet Açıkça Hesaplanmalı

NdFeB'nin sıcaklık marjı gerçekten yetersiz olduğunda SmCo mühendislikte kaçınılmaz bir alternatiftir. SmCo önemli ölçüde daha yüksek sıcaklık direncine sahiptir; seviyesindeki uygulamalarda pek çok kalite kullanılabilir  350°C  ve Curie sıcaklığı da 700–850°C aralığında olup, NdFeB'nin 310–350°C'sinden çok daha yüksektir. Yüksek sıcaklık bölgesinde, SmCo'nun sıcaklıkla tersinmez demanyetizasyon eğrisinin eğimi de NdFeB'ninkinden çok daha düzdür.

Ama aynı zamanda SmCo'nun maliyetinin de masaya yatırılması gerekiyor. Tipik kalıcılığı  0,95–1,1 T  aralığındayken NdFeB 1,1–1,4 T'ye ulaşabilir; Maksimum enerji ürünü genellikle  %25-30 daha düşüktür.  NdFeB'den Bu, aynı hava aralığı akı yoğunluğunu elde etmek için SmCo mıknatıslarının daha kalın ve daha ağır olması gerektiği anlamına gelir; bu da eksenel akılı makinelerin zaten dar olan eksenel alanını ihlal eder ve hatta rotor ataletini ve girdap akımı kayıplarını bile artırabilir. SmCo da daha pahalıdır ve tedarik zinciri olgunluğu ve teslimat esnekliği NdFeB kadar iyi değildir. Bu nedenle, termal kontrol açıkça 'EH/AH'ye yükseltilen NdFeB'nin bile dayanamayacağını' göstermediği sürece,  SmCo'yu sıcaklık marjını 'satın almak' için kullanmak genellikle ağırlık, maliyet ve güç yoğunluğu açısından üç kat fazla ödenen bir işlemdir..

Doğru Seçim Sırası: Dereceyi Mıknatıs Sıcaklığından Çıkarın

Eksenel akı için uygulanabilir sıcaklığa dayalı bir mıknatıs seçim süreci, derece tablosundan başlamak yerine aşağıdaki sırayı takip etmelidir.

Adım 1: Önce soğutmayı tanımlayın, ardından derecesi tartışın.  Eksenel akışlı bir makinenin rotor soğutma yöntemi doğrudan mıknatıs sıcaklığının 'tabanını' belirler. Hava soğutması basittir ve parazit kayıpları düşüktür, ancak havanın termal iletkenliği ve özgül ısı kapasitesi sınırlıdır ve soğutma kapasitesi büyük ölçüde hıza ve çevreye bağlıdır. Eksenel akışta yağın soğuması oldukça beklenir; Deneysel veriler, makul bir yağ soğutma planının maksimum sıcaklığı, saf su soğutmasından  15-20°C daha fazla azaltabileceğini, ancak 'ısıyı uzaklaştıran' yağ soğutmanın 'ısıyı ortadan kaldırmaya' eşit olmadığını göstermektedir. Disk tipi bir yapının kenarı ile merkezi arasındaki sıcaklık farkı hala  ulaşabilir  30-50 K'ye ve yerel sıcak nokta, manyetikliğin giderilmesi doğrulamasının hedefidir. Soğutma planı dondurulmadan önce herhangi bir kalite seçimi güvenilir bir dayanaktan yoksundur.

Adım 2: Kısa devre durumunu sıcaklık kontrolüne koyun.  Normal çalışma sırasındaki sıcaklık yalnızca temel değerdir. Demanyetizasyon doğrulaması, bir kontrol cihazı arızası veya sargı kısa devresi tarafından oluşturulan ters manyetik alanı kapsamalıdır ve bu kontrol gerçekleştirilmelidir  , mıknatısın bu koşul altında ulaşabileceği en yüksek sıcaklıkta . Literatürdeki tasarım kriteri basittir: Mıknatıs kalınlığı, en düşük sıcaklıkta üç fazlı kısa devre akımından sonra geri dönülemez demanyetizasyonu önleyecek şekilde seçilmelidir. Daha genel olarak, en kötü sıcaklığın ve en kötü manyetikliği giderme alanının üst üste binme noktasında çalışma noktasının diz noktasının altına düşmediğinin doğrulanması gerekir.

Adım 3: Derecenin son ekini kontrol etmek için 'gerçek mıknatıs sıcaklığı + kısa devre manyetikliği giderme alanı'nı kullanın. Soğutma şeması ve elektromanyetik tasarım tarafından verilen mıknatıs sıcak nokta sıcaklığı  düzeyindeyse  140–150°C ve kısa devre manyetikliği giderme alanı şiddetli değilse, SH aday listesine girebilir; sıcak nokta yaklaştığında veya bu sıcaklığı aştığında  160°C'ye UH daha güvenilir bir başlangıç ​​noktasıdır; Sıcak nokta çıktığında  180°C'nin üzerine , EH veya daha yüksek dereceler ciddi şekilde değerlendirilmeli veya soğutma tasarımı yeniden değerlendirilmelidir. Buradaki mantık şudur:  sonek bir 'performans düzeyi' değil, 'belirli bir sıcaklıkta diz noktasını koruma yeteneği düzeyidir.'  Daha yüksek sonek kalitelerinin (UH/EH) maliyeti genellikle biraz daha düşük kalıcılık veya daha yüksek ağır-nadir toprak ilavesidir; ücretsiz sigorta değildir.

Adım 4: Sıcaklık üzerindeki 'yükü hafifletmek' için rotor bölümlendirmesini ve mıknatıs geometrisini kullanın.  Mıknatıs seçimi izole edilmiş bir maddi karar değildir. Eksenel akılı rotor mıknatıslarının girdap akımı kaybı, girdap akımı yol uzunluğu ve mıknatıs yüzeyindeki yüzey alanı ile doğrudan ilişkilidir ve kalıcı mıknatıs bölümlendirmesi, girdap akımı kaybını azaltmanın ve sıcaklık artışını bastırmanın etkili bir yoludur. Derece zaten belirlendiğinde ve sıcaklık marjı sıkı olduğunda, segmentasyon optimizasyonu yoluyla mıknatısın kendi ısı üretimini azaltmak bazen derece son ekini bir seviye yükseltmekten daha ekonomiktir ve aynı zamanda tork yoğunluğunun korunmasına da daha yardımcı olur.

Pratik Bir Yargı Çizgisi

Eğer bu makale bir tasarım incelemesine dahil edilmek üzere tek bir cümleye sıkıştırılacaksa, bu şudur:  eksenel akışlı rotor mıknatısının derecesi 'seçilmemelidir'; 'hesaplanması' gerekir; önce mıknatısın hangi sıcaklığa ulaşacağını hesaplamak için soğutma ve kısa devre koşullarını kullanın, ardından diz noktasına bakmak için bu sıcaklığı kullanın ve son olarak son eke karar verin.

NdFeB için  120°C ,  geri dönüşümlü bozunmanın belirginleşmeye başladığı gözlem noktasıdır ve  150°C civarı ise  geri döndürülemez demanyetizasyon riskinin ciddi şekilde doğrulanması gereken seviyeye girdiği bölgedir. Bu iki sayı, derece tablosundaki 'maksimum çalışma sıcaklığı' değildir; daha ziyade tasarımcılara eksenel akının sandviç yapısında sıcaklık marjının radyal makinelere göre daha hızlı kaybolduğunu hatırlatıyorlar. Sıcaklığın kalitenin nesnesi yerine seçim konusu olarak ele alınması, manyetikliğin giderilmesinin maddi bir sorundan sistemik bir güvenilirlik boşluğuna dönüşmesini engelleyen şeydir.