Lựa chọn nhiệt độ khử từ của nam châm rôto hướng trục-thông lượng: Nhiệt độ là đối tượng lựa chọn đầu tiên

Sai lầm phổ biến nhất trong việc lựa chọn nam châm cho Động cơ hướng trục phải bắt đầu từ bảng cấp độ: trước tiên hãy xem xét độ dư, sau đó đến nhiệt độ vận hành tối đa và chọn cấp độ 'đủ tốt' để đưa vào BOM. Nhưng trong cấu trúc thông trục, trật tự này hoàn toàn bị đảo ngược. Nhiệt độ nam châm rôto không được xác định bởi chính nam châm; nó được áp đặt lên nam châm bởi cấu trúc liên kết, sự làm mát và các điều kiện vận hành. Điểm khởi đầu thực sự của việc lựa chọn là phải hỏi rõ ràng:  trong trường hợp xấu nhất khi xảy ra đoản mạch, quá tải và các điểm nóng, nam châm sẽ nóng đến mức nào và liệu nó có chịu được từ trường ngược ở nhiệt độ đó không?

Nguy cơ khử từ của dòng trục được 'ghi vào' cấu trúc

Ưu điểm của động cơ hướng trục rất rõ ràng: ở cùng công suất, trọng lượng và chiều dài trục có thể giảm một nửa so với động cơ hướng tâm. Nhưng sự nhỏ gọn này đi kèm với chi phí nhiệt.

Trong cấu trúc liên kết một rôto kép, rôto được kẹp giữa hai stato, do đó diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa rôto và không khí giảm đi đáng kể và đường tản nhiệt vốn đã hẹp. Đồng thời, bản thân nam châm cũng tạo ra tổn thất dòng điện xoáy trong từ trường xen kẽ và lượng nhiệt này được giải phóng trực tiếp bên trong nam châm vĩnh cửu. Bức xạ nhiệt từ các stato chồng lên bộ phận tự làm nóng của rôto khiến nhiệt độ nam châm dễ dàng tiếp cận hoặc thậm chí vượt qua ranh giới nguy hiểm trong điều kiện công suất cao liên tục. Một đánh giá thường xuyên trong các phân tích trong ngành là cấu trúc kẹp và mật độ công suất cao của động cơ từ thông hướng trục dẫn đến công suất nhiệt cực thấp, làm cho nam châm rôto 'rất dễ bị quá nhiệt'.'

Do đó, việc lựa chọn nam châm cho từ thông hướng trục không thể chỉ sao chép kinh nghiệm của động cơ hướng tâm. Trực giác trong động cơ hướng tâm cho rằng 'rôto được làm mát qua trục và không khí ở các đầu' về cơ bản không thành công trong cấu trúc liên kết kiểu đĩa.

Điều gì thực sự xảy ra trong quá trình khử từ: Ranh giới giữa có thể đảo ngược và không thể đảo ngược

Để hiểu sự lựa chọn, người ta chỉ cần nắm được hai khái niệm nhiệt độ.

Sự khử từ thuận nghịch  là sự 'phân rã nhiệt' bình thường của nam châm. Khi nhiệt độ tăng, lượng dư giảm tuyến tính và phục hồi sau khi làm mát mà không bị hư hỏng vĩnh viễn. NdFeB chủ yếu hoạt động ở phạm vi dưới 120°C. Vấn đề xuất hiện ở nhiệt độ trên 120°C: độ dốc của quá trình phân rã thuận nghịch trở nên đáng kể hơn và nghiêm trọng hơn là  ranh giới của quá trình khử từ không thuận nghịch được đẩy gần hơn.

Tiêu chí vật lý để khử từ không thể đảo ngược là điểm  đầu gối . Đường cong khử từ có điểm uốn ở góc phần tư thứ hai. Điểm vận hành trên điểm đầu gối là an toàn; một khi từ trường ngược bên ngoài đẩy điểm vận hành xuống dưới điểm uốn, nam châm không thể quay trở lại sau khi loại bỏ từ trường bên ngoài và phần dư sẽ bị mất vĩnh viễn. Hậu quả của việc nhiệt độ tăng lên gấp đôi: từ dư giảm, đồng thời  điểm đầu gối di chuyển sang bên phải (về phía từ trường thấp hơn) , nghĩa là cùng một từ trường ngược có nhiều khả năng đi qua điểm đầu gối ở nhiệt độ cao. Đối với NdFeB, thực hành kỹ thuật thường coi  khoảng 150°C là vùng tới hạn cho quá trình khử từ không thể đảo ngược ; trên mức này, nguy cơ mất hoàn toàn hiệu suất từ ​​tính không còn là sự kiện có xác suất nhỏ không đáng kể nữa.

Hậu tố chữ cái của loại nam châm về cơ bản chỉ định  nhiệt độ mà tại đó điểm đầu gối vẫn có thể duy trì đủ xa về bên phải . Các tương ứng phổ biến là: SH tương ứng với khoảng 150°C, UH đến 180°C, EH đến 200°C, và AH đến 220°C. Nhưng có một điểm rất dễ bị hiểu sai: nhiệt độ được biểu thị bằng hậu tố là khả năng chịu nhiệt độ của vật liệu trong  điều kiện hiệu chuẩn hệ số thấm cụ thể , chứ không phải 'nhiệt độ hoạt động tối đa' mà nam châm tự động đạt được sau khi lắp vào động cơ. Nam châm UH tương tự có thể chạy liên tục ở nhiệt độ 130°C trong nguyên mẫu được làm mát tốt, nhưng trong bộ phận sản xuất hàng loạt không đủ khả năng làm mát theo lớp, điểm nóng có thể trực tiếp tăng lên trên 170°C.

Samarium Cobalt: Phương án dự phòng nhưng chi phí phải được tính toán rõ ràng

Khi giới hạn nhiệt độ của NdFeB thực sự không đủ, SmCo là sự thay thế không thể tránh khỏi trong kỹ thuật. SmCo có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn đáng kể; nhiều loại có thể được sử dụng trong các ứng dụng ở mức  350°C  , và nhiệt độ Curie cũng nằm trong khoảng 700–850°C, cao hơn nhiều so với 310–350°C của NdFeB. Ở vùng nhiệt độ cao, độ dốc của đường cong khử từ không thuận nghịch của SmCo theo nhiệt độ cũng phẳng hơn nhiều so với NdFeB.

Nhưng cái giá của SmCo phải được đặt lên bàn cân cùng lúc. Độ dư điển hình của nó nằm trong khoảng  0,95–1,1 T  , trong khi NdFeB có thể đạt tới 1,1–1,4 T; sản phẩm năng lượng tối đa thường thấp hơn  25%–30%  so với NdFeB. Điều này có nghĩa là để đạt được cùng mật độ từ thông khe hở không khí, nam châm SmCo cần phải dày hơn và nặng hơn, điều này sẽ lấn chiếm không gian dọc trục vốn đã chật hẹp của các máy từ thông dọc trục và thậm chí có thể làm tăng quán tính rôto và tổn thất dòng điện xoáy. SmCo cũng đắt hơn, độ ổn định của chuỗi cung ứng và tính linh hoạt trong giao hàng của nó không tốt bằng NdFeB. Do đó, trừ khi kiểm tra nhiệt chỉ ra rõ ràng rằng 'ngay cả NdFeB được nâng cấp lên EH/AH cũng không thể giữ được',  việc sử dụng SmCo để 'mua' biên độ nhiệt độ thường là một giao dịch được trả gấp ba lần về trọng lượng, chi phí và mật độ năng lượng.

Thứ tự lựa chọn đúng: Suy ra cấp độ từ nhiệt độ nam châm

Quá trình lựa chọn nam châm dựa trên nhiệt độ có thể thực hiện được cho từ thông hướng trục phải tuân theo thứ tự bên dưới, thay vì bắt đầu từ bảng phân loại.

Bước 1: Xác định độ làm mát trước, sau đó thảo luận về cấp độ.  Phương pháp làm mát rôto của máy thông lượng hướng trục xác định trực tiếp mức 'tần số' của nhiệt độ nam châm. Làm mát bằng không khí đơn giản và có tổn thất ký sinh thấp, nhưng độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng của không khí bị hạn chế và khả năng làm mát phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ và môi trường. Việc làm mát dầu được mong đợi nhiều ở dòng trục; Dữ liệu thực nghiệm cho thấy sơ đồ làm mát bằng dầu hợp lý có thể giảm nhiệt độ tối đa thêm  15–20°C  so với làm mát bằng nước tinh khiết, nhưng làm mát bằng dầu 'mang nhiệt đi' không bằng 'loại bỏ nhiệt'. Chênh lệch nhiệt độ giữa mép và tâm của cấu trúc kiểu đĩa vẫn có thể đạt tới  30–50 K và điểm nóng cục bộ là đối tượng của quá trình xác minh khử từ. Trước khi hệ thống làm mát bị đóng băng, mọi lựa chọn cấp độ đều thiếu tiền đề đáng tin cậy.

Bước 2: Đưa tình trạng đoản mạch vào phần kiểm tra nhiệt độ.  Nhiệt độ trong điều kiện hoạt động bình thường chỉ là nhiệt độ cơ bản. Việc xác minh khử từ phải bao gồm từ trường ngược được tạo ra do lỗi bộ điều khiển hoặc ngắn mạch cuộn dây và việc kiểm tra này phải được thực hiện ở  nhiệt độ cao nhất mà nam châm có thể đạt tới trong điều kiện đó . Tiêu chí thiết kế trong tài liệu rất đơn giản: nên chọn độ dày nam châm để tránh hiện tượng khử từ không thuận nghịch sau dòng điện ngắn mạch ba pha ở nhiệt độ thấp nhất. Tổng quát hơn, cần phải xác nhận rằng điểm vận hành không rơi xuống dưới điểm uốn khi có sự chồng chất của nhiệt độ kém nhất và trường khử từ kém nhất.

Bước 3: Sử dụng 'nhiệt độ nam châm thực tế + trường khử từ ngắn mạch' để kiểm tra hậu tố cấp.  Nếu nhiệt độ điểm nóng nam châm được đưa ra bởi sơ đồ làm mát và thiết kế điện từ ở mức  140–150°C và trường khử từ ngắn mạch không nghiêm trọng, SH có thể lọt vào danh sách ứng cử viên; khi điểm nóng đạt tới hoặc vượt quá  160°C , UH là điểm khởi đầu đáng tin cậy hơn; khi điểm nóng đạt  trên 180°C , cấp EH hoặc thậm chí cao hơn phải được đánh giá nghiêm túc hoặc bản thân thiết kế làm mát phải được xem xét lại. Logic ở đây là:  hậu tố không phải là 'mức hiệu suất' mà là 'mức khả năng duy trì điểm đầu gối ở nhiệt độ nhất định.'  Chi phí của các loại hậu tố cao hơn (UH/EH) thường là lượng dư thừa thấp hơn một chút hoặc lượng bổ sung đất hiếm nặng cao hơn; nó không phải là bảo hiểm miễn phí.

Bước 4: Sử dụng phân đoạn rôto và hình học nam châm để 'giảm tải' về nhiệt độ.  Lựa chọn nam châm không phải là một quyết định riêng biệt về vật liệu. Sự suy giảm dòng điện xoáy của nam châm rôto hướng trục có liên quan trực tiếp đến chiều dài đường dẫn dòng điện xoáy và diện tích bề mặt trên bề mặt nam châm, và phân đoạn nam châm vĩnh cửu là một phương tiện hiệu quả để giảm tổn thất dòng điện xoáy và ngăn chặn sự tăng nhiệt độ. Khi cấp đã được xác định và giới hạn nhiệt độ hẹp, việc giảm sự sinh nhiệt của nam châm thông qua tối ưu hóa phân đoạn đôi khi tiết kiệm hơn việc chỉ đơn giản là tăng hậu tố cấp lên một cấp và điều đó cũng có lợi hơn cho việc duy trì mật độ mô-men xoắn.

Một dòng phán xét thực tế

Nếu bài viết này được gói lại thành một câu để đưa vào đánh giá thiết kế thì đó là:  cấp độ của nam châm rôto hướng trục không được phép 'chọn'; nó phải được 'tính toán'—trước tiên hãy sử dụng các điều kiện làm mát và ngắn mạch để tính toán nhiệt độ mà nam châm sẽ đạt tới, sau đó sử dụng nhiệt độ đó để tra cứu điểm uốn và cuối cùng giải quyết hậu tố.

Đối với NdFeB,  120°C  là điểm quan sát mà tại đó sự phân rã có thể đảo ngược bắt đầu trở nên đáng kể và khoảng  150°C  là vùng mà rủi ro khử từ không thể đảo ngược đạt đến mức phải được xác minh nghiêm túc. Hai con số này không phải là 'nhiệt độ vận hành tối đa' trong bảng phân loại; đúng hơn, chúng nhắc nhở các nhà thiết kế rằng trong cấu trúc xen kẽ của từ thông hướng trục, biên độ nhiệt độ biến mất nhanh hơn so với trong máy hướng tâm. Việc coi nhiệt độ là chủ đề được lựa chọn chứ không phải là đối tượng của cấp độ là điều giúp quá trình khử từ không biến từ vấn đề vật chất thành khoảng cách về độ tin cậy của hệ thống.