Вибір температури розмагнічування магніту ротора з осьовим потоком: температура є першим предметом вибору

Найпоширеніша помилка при виборі магніту для Двигуни з осьовим потоком повинні починатися з таблиці сортів: спочатку подивіться на залишкову намагніченість, потім на максимальну робочу температуру та виберіть клас, який є 'досить хорошим', щоб включити його до специфікації. Але в структурі осьового потоку цей порядок прямо протилежний. Температура магніту ротора не визначається самим магнітом; вона накладається на магніт через топологію, охолодження та умови експлуатації. Справжня відправна точка вибору полягає в тому, щоб чітко запитати:  у найгіршому випадку, коли коротке замикання, перевантаження та гарячі точки накладаються, наскільки гарячим стане магніт і чи зможе він витримати зворотне магнітне поле при цій температурі?

Ризик розмагнічування осьового потоку «вписаний» у структуру

Перевага двигунів з осьовим потоком зрозуміла: за тієї самої потужності вага та осьова довжина можуть бути зменшені вдвічі порівняно з радіальними двигунами. Але ця компактність пов’язана з температурними витратами.

У однороторній топології з двома статорами ротор затиснутий між двома статорами, тому площа прямого контакту між ротором і повітрям значно зменшується, а шлях розсіювання тепла за своєю суттю вузький. У той же час самі магніти створюють втрати на вихрові струми в змінному магнітному полі, і це тепло виділяється безпосередньо всередині постійних магнітів. Теплове випромінювання від статорів, що накладається на самонагрівання ротора, дозволяє температурі магніту легко наближатися або навіть перетинати небезпечну межу в умовах постійної високої потужності. У галузевому аналізі постійно повторюється судження про те, що сендвіч-структура та висока питома потужність двигунів з осьовим потоком призводять до надзвичайно низької теплової потужності, що робить магніти ротора «дуже схильними до перегріву».

Тому вибір магніту для осьового потоку не може просто скопіювати досвід радіальних двигунів. Інтуїція радіальних двигунів про те, що 'ротор охолоджується через вал і повітря на кінцях' в основному не працює в топології дискового типу.

Що насправді відбувається при розмагнічуванні: межа між оборотним і необоротним

Щоб зрозуміти вибір, потрібно лише осягнути два поняття температури.

Оборотне розмагнічування —  це звичайний 'термічний розпад' магніту. У міру підвищення температури залишкова намагніченість зменшується лінійно та відновлюється після охолодження без постійних пошкоджень. NdFeB в основному працює в цьому діапазоні нижче 120°C. Проблема виникає при температурі вище 120°C: нахил оборотного розпаду стає більш значним, і, що більш критично,  межа необоротного розмагнічування зсувається ближче.

Фізичним критерієм необоротного розмагнічування є  точка перегину . Крива розмагнічування має точку перегину в другому квадранті. Робочі точки вище точки коліна безпечні; як тільки зовнішнє зворотне магнітне поле штовхає робочу точку нижче точки коліна, магніт не може повернутися після видалення зовнішнього поля, і залишкова намагніченість зазнає постійної втрати. Наслідки підвищення температури є подвійними: залишкова намагніченість зменшується, і в той же час  точка вигину переміщується вправо (до нижчого магнітного поля) , тобто те саме зворотне магнітне поле, швидше за все, перетне точку вигину при високій температурі. Для NdFeB інженерна практика зазвичай розглядає  приблизно 150°C як критичну область для незворотного розмагнічування ; вище цього рівня ризик повної втрати магнітних характеристик більше не є незначною подією з малою ймовірністю.

Літерний суфікс марки магніту по суті визначає  температуру, при якій точка вигину все ще може залишатися досить далеко вправо . Загальні відповідності такі: SH відповідає приблизно 150°C, UH — 180°C, EH — 200°C, а AH — 220°C. Але є момент, який дуже легко зрозуміти неправильно: температура, вказана суфіксом, є температурним опором матеріалу за  певних умов калібрування коефіцієнта проникності , а не «максимальною робочою температурою», яку магніт автоматично отримує після встановлення в двигуні. Той самий UH-магніт може працювати безперервно при 130°C у добре охолодженому прототипі, але в масовому виробництві з недостатнім сендвіч-охолодженням гаряча точка може безпосередньо піднятися вище 170°C.

Samarium Cobalt: запасний варіант, але вартість має бути чітко розрахована

Коли температурний запас NdFeB справді недостатній, SmCo є неминучою альтернативою в техніці. SmCo має значно вищу термостійкість; багато марок можна використовувати в програмах на рівні  350°C  , і температура Кюрі також знаходиться в діапазоні 700–850°C, що набагато вище, ніж 310–350°C NdFeB. У високотемпературній області нахил кривої необоротного розмагнічування SmCo з температурою також є набагато пологішим, ніж у NdFeB.

Але вартість SmCo має бути поставлена ​​на стіл одночасно. Його типова залишкова намагніченість знаходиться в діапазоні  0,95–1,1 Тл  , тоді як NdFeB може досягати 1,1–1,4 Тл; максимальний енергетичний продукт зазвичай  на 25–30%  нижчий, ніж у NdFeB. Це означає, що для досягнення такої ж щільності потоку повітряного зазору магніти SmCo повинні бути товщими та важчими, що, у свою чергу, зазіхає на і без того вузький осьовий простір машин з осьовим потоком і може навіть збільшити інерцію ротора та втрати на вихрові струми. SmCo також є дорожчим, а його зрілість ланцюга постачання та гнучкість доставки не такі добрі, як у NdFeB. Таким чином, якщо теплові перевірки чітко не вказують на те, що 'навіть NdFeB, оновлений до EH/AH, не може витримати',  використання SmCo для 'купівлі' температурного запасу часто є транзакцією, оплаченою втричі за вагою, вартістю та щільністю потужності.

Правильний порядок вибору: виведіть клас за температурою магніту

Дійсний процес вибору магніту на основі температури для осьового потоку має відповідати наведеному нижче порядку, а не починатися з таблиці оцінок.

Крок 1: спочатку визначте охолодження, а потім обговоріть ступінь.  Спосіб охолодження ротора аксіально-потокової машини безпосередньо визначає «підлогу» температури магніту. Повітряне охолодження є простим і має низькі паразитні втрати, але теплопровідність і питома теплоємність повітря обмежені, а здатність до охолодження сильно залежить від швидкості та середовища. Охолодження масла дуже очікуване в осьовому потоці; Експериментальні дані показують, що розумна схема охолодження маслом може знизити максимальну температуру на  15–20°C  далі, ніж охолодження чистою водою, але охолодження масла «відведенням тепла» не дорівнює «віддаленню тепла». Різниця температур між краєм і центром конструкції дискового типу все ще може досягати  30–50 К , а локальна гаряча точка є об’єктом перевірки розмагнічування. До заморожування схеми охолодження будь-який вибір сорту не має надійного передумови.

Крок 2: внесіть умову короткого замикання в перевірку температури.  Температура за нормальної роботи є лише базовою. Перевірка розмагнічування повинна охоплювати зворотне магнітне поле, створене несправністю контролера або коротким замиканням обмотки, і цю перевірку потрібно виконувати при  найвищій температурі, яку магніт може досягти за таких умов . Критерій конструкції в літературі простий: товщина магніту повинна бути обрана так, щоб уникнути необоротного розмагнічування після трифазного струму короткого замикання при найнижчій температурі. У більш загальному плані необхідно підтвердити, що робоча точка не опускається нижче точки викривлення в суперпозиції найгіршої температури та найгіршого поля розмагнічування.

Крок 3. Використовуйте 'фактична температура магніту + поле розмагнічування короткого замикання', щоб перевірити суфікс оцінки.  Якщо температура гарячої точки магніту, визначена схемою охолодження та електромагнітним дизайном, становить близько  140–150°C , а розмагнічувальне поле короткого замикання не є сильним, SH може увійти до списку кандидатів; як тільки гаряча точка наближається або перевищує  160°C , UH є більш надійною відправною точкою; коли гаряча точка досягає  вище 180°C , EH або навіть вищі класи повинні бути серйозно оцінені, або сама конструкція охолодження повинна бути переглянута. Логіка тут така:  суфікс — це не 'рівень продуктивності', а 'рівень можливості для збереження точки коліна при заданій температурі'.  Вартість вищих класів суфікса (UH/EH) зазвичай є трохи нижчою залишковою намагніченістю або вищою добавкою важких і рідкоземельних елементів; це не безкоштовне страхування.

Крок 4. Використовуйте сегментацію ротора та геометрію магніту, щоб 'полегшити' температуру.  Вибір магніту не є ізольованим суттєвим рішенням. Втрати на вихровий струм роторних магнітів з осьовим потоком безпосередньо пов’язані з довжиною шляху вихрового струму та площею поверхні на поверхні магніту, а сегментація постійного магніту є ефективним засобом зменшення втрат на вихровий струм і придушення підвищення температури. Коли клас уже визначено, а температурний запас невеликий, зменшення власного теплогенерування магнітом за допомогою оптимізації сегментації іноді є більш економічним, ніж просто підвищення суфікса класу на один рівень, і це також сприяє збереженню щільності крутного моменту.

Лінія практичного судження

Якщо цю статтю потрібно стиснути в одне речення, щоб включити до огляду дизайну, то це:  сорт магніту ротора з осьовим потоком не слід «вибирати»; її слід 'розрахувати'—спочатку використайте умови охолодження та короткого замикання, щоб обчислити, яку температуру досягне магніт, потім використайте цю температуру, щоб знайти точку перегину, і, нарешті, зупиніться на суфіксі.

Для NdFeB  120°C  є точкою спостереження, в якій оборотний розпад починає ставати значним, а близько  150°C  є областю, де ризик необоротного розмагнічування досягає рівня, який необхідно серйозно перевірити. Ці дві цифри не є 'максимальною робочою температурою' у таблиці марок; скоріше, вони нагадують дизайнерам, що в сендвіч-структурі осьового потоку температурний запас зникає швидше, ніж у радіальних машинах. Розгляд температури як об’єкта відбору, а не об’єкта класу, – це те, що запобігає перетворенню розмагнічування з матеріальної проблеми на розрив системної надійності.