Lämpödemagnetointi on yleisin magneettivikatila, jota kukaan ei suunnittele
Useimmat moottorin lämpöanalyysit keskittyvät käämiin. Kuparihäviö lasketaan, rakennetaan lämpövastusverkko ja suunnittelu julistetaan turvalliseksi, jos käämin lämpötila jää eristysluokkarajan alapuolelle. Magneetin lämpötila merkitään saman mallin toissijaiseksi ulostuloksi - tyypillisesti 10-20 astetta käämin alapuolelle - ja verrataan datalehdellä olevaan maksimikäyttölämpötilaan. Jos se on taulukkorajan alapuolella, analyysi pysähtyy.
Tästä lähestymistavasta puuttuu kaksi asiaa. Ensinnäkin, magneetin maksimi käyttölämpötila tiedoissa ei ole demagnetoinnin turvaraja - se on lämpötila, jonka ylittyessä magneetin ominaisuudet heikkenevät pysyvästi myös ilman ulkoista kenttää. Toiseksi, jopa tämän lämpötilan alapuolella, kohonneen lämpötilan ja ankkurin reaktiokentän yhdistelmä huippuvääntömomenttitapahtumien aikana luo demagnetoitumisriskin, jota ei voida arvioida pelkästään vakaan tilan lämpötilan perusteella. Tämä artikkeli kattaa varsinaisen laskentamenetelmän.
1. Miksi moottorimagneetit käyvät kuumemmin kuin useimmat suunnittelijat odottavat
Pinta-asennetussa PM-moottorissa magneetit on kiinnitetty roottoriin ja erotettu käämityskuparista ilmaraolla, raon vuorauksella, hammasraudalla ja kotelolla. Ensi silmäyksellä ne näyttävät hyvin eristettyiltä ensisijaisesta lämmönlähteestä. Käytännössä roottori lämpenee kahdesta lähteestä: pyörrevirtahäviöistä itse magneeteissa (merkittävä segmentoiduissa magneeteissa, joissa on korkea rakoharmoninen) ja staattorista johdetusta lämpöstä säteilyn ja konvektion kautta ilmaraon kautta.
Pyörrevirtahäviöt kiinteissä NdFeB-magneeteissa skaalautuvat vuotiheyden harmonisen amplitudin neliöön ja taajuuden neliöön. 6-napaisessa moottorissa, joka käy nopeudella 3000 RPM ja jossa on keskitetty käämitys (korkea harmoninen pitoisuus), magneettien pyörrevirtahäviöt voivat olla 15–30 % roottorin kokonaishäviöstä. Tämä ei ole pieni korjaus. 500 W:n moottorissa 10 W magneettipyörrevirtahäviö, jonka lämpövastus on 3 astetta/W magneetin ja ympäristön välillä, tuottaa 30 astetta magneetin ylimääräisen lämpötilan nousun roottorin raudan yläpuolelle. Yhdessä staattorin johdettuun lämpöön magneettien lämpötilat jatkuvasti kuormitetuissa tiivistetyissä käämimoottoreissa ylittävät säännöllisesti käämityslämpötilat 5–15 astetta sen sijaan, että ne olisivat niiden alapuolella.
Lämpöpolulla on väliä. Aksiaalivuomoottorissa, jossa on kaksiroottorikokoonpano, magneetit ovat roottorilevyjen ulkopinnoilla - niillä on erinomainen konvektiivinen jäähdytys useimmissa geometrioissa ja ne toimivat viileämmin kuin staattori. Syvärakoisessa säteittäisvuomoottorissa, jossa on pitkä pino ja rajoitettu päätekäännösjäähdytys, magneetin lämpötilagradientti aksiaalisella pituudella voi saavuttaa 20 astetta päästä keskustaan. Magneetin kuumin kohta ei näy staattoriin upotetuille lämpöantureille, ja se on kuumin kohta, joka määrittää demagnetointimarginaalin.
2. Oikea demagnetisoinnin turvallisuuslaskelma
Demagnetisoinnin turvamarginaalissa on kaksi osaa: lämpömarginaali (etäisyys käyttölämpötilasta lämpötilaan, jossa polvi ylittää toimintakentän) ja kenttämarginaali (etäisyys armatuurireaktion demagnetointikentästä polveen käyttölämpötilassa). Molemmat pitää laskea.
Aloita kuormitusviiva-analyysillä magneettipiirin geometriasta (käsitelty tämän sarjan edellisessä artikkelissa). Tämä antaa toimintapisteen (Bop, Hop) ankkurireaktion puuttuessa. Hyvin suunnitellulle radiaalivuomoottorille, jossa on PC=6, Hop on noin −Br/PC ≈ −0,22 T / μ₀ ≈ −175 kA/m. Tämä on ympäristön lämpötila, kuormittamaton toimintapiste.
Lisää ankkurin reaktiokenttä. Huippuvirralla (tyypillisesti 3x jatkuva servokäytössä) demagnetointikenttä magneetin pinnalla on Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm), missä Id on d-akselin virtakomponentti ja Ld on d-akselin induktanssi. Tyypillisessä servomoottorissa, jonka huippu on 10A ja Ld=2mH, ankkurin reaktiokenttä magneetin pinnalla voi olla 200–400 kA/m moottorin geometriasta riippuen. Kokonaisdemagnetointikenttä on summa: −175 + (−300)=−475 kA/m tässä esimerkissä.
Tarkista nyt polven asento magneetin käyttölämpötilassa. N45:lle (Hcj=1380 kA/m 20 asteessa, lämpötilakerroin −0,55 %/aste ) 120 asteessa Hcj laskee arvoon noin 1380 × (1 - 0,55 % × 100)=621 kA/m. N45:n demagnetointikäyrän polvi 120 asteen kulmassa tapahtuu noin 0,5 × Hcj=310 kA/m demagnetointisuunnassa. Kokonaiskenttä −475 kA/m ylittää polvikentän −310 kA/m. Tämä malli kokee osittaisen peruuttamattoman demagnetisoitumisen huippuvääntömomenttitapahtumien aikana käyttölämpötilassa. Laskelma näyttää vikatilan ennen kuin se näkyy testissä.
Korjaus ei aina ole arvosanan päivitys. Tässä esimerkissä vaihtoehdot ovat: (1) päivitys N45H:hen (Hcj ≈ 2000 kA/m 20 asteessa, polvi 120 asteessa ≈ 650 kA/m - turvallinen); (2) lisää PC:tä pienentämällä ilmarakoa, mikä siirtää Hopin lähemmäksi arvoa 0 ja vähentää herkkyyttä ankkurireaktiolle; (3) vähentää huippuvirtaa taajuusmuuttajan virranrajoituksella; tai (4) hyväksyä toimintaprofiili ja käyttää heikompaa magneettia, jolla on parempi palautuva lämpötilakerroin. Vaihtoehdot 2–4 eivät vaadi kalliimpia magneetteja. Vaihtoehto 1 on helpoin määrittää, mutta ei aina halvin.
3. Magneetin lämpötilan arviointi ilman FEA:ta
Suunnittelun alkuvaiheessa täydellistä lämpö-FEA:ta ei ole aina saatavilla. Yksinkertaistettu niputettu lämpöverkko antaa riittävän tarkkuuden alustaviin päätöksiin.
Säteittäisvuomoottorissa mallinna lämpöresistanssipolku magneetista ympäristöön kolmena sarjaelementtinä: magneetti-roottori-raudan lämpövastus (R1=Lm / (km × Am), tyypillisesti 0,3–0,8 astetta /W liimakerroksen paksuudesta ja johtavuudesta riippuen); roottori-raudasta akseliin (R2, riippuu roottorin geometriasta, tyypillisesti 0,5–2 astetta /W umpiteräsroottorilla); ja akselista ympäristöön laakerin ja kotelon kautta (R3, tyypillisesti 1-5 astetta /W jäähdytysmenetelmästä riippuen). Staattorin lämmönjohtavuuden osalta lisää ilmavälin lämpöresistanssi (R_rako ≈ Lg / (k_air × Ag) + konvektion korjaus, tyypillisesti 0,1–0,5 astetta /W 0,5 mm:n raolla).
Yksinkertaistetussa verkossa magneetin lämpötilan nousu ympäristön yläpuolelle on noin:
ΔT_magneetti=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_staattori × (R_gap + R2 + R3) / (R_staattorin_yhteensä)
1 kW:n harjattomalle servomoottorille: P_eddy=5W, R1=0.5 aste /W, R2=1 aste /W, R3=3 aste /W; P_staattori=80W, R_staattori_ympäristöön=0.8 aste /L, R_rako=0.3 aste /W. Magneetin lämpötilan nousu ympäristön yläpuolelle on noin 5 × 4.5 + 80 × 4,3/0,8 ≈ 22.5 + 430=väärin - termi P_staattori ei toimi tällä tavalla, koska staattorin lämpö virtaa enimmäkseen kotelon kautta, ei magneetille menevän raon kautta.
Korjattu yksinkertaistettu lähestymistapa: staattorin lämmöstä johtuva magneetin lämpötilan nousu on noin P_staattori × (R_gap / R_stator_total) × R_gap, rajattu staattorin käämityksen lämpötilaan miinus kiinteän raon lämpöhäviö. Useimmissa pakkojäähdytteisissä moottoreissa magneetin lämpötila on staattorin lämpötila miinus 10–25 astetta ilmavälieristyksestä johtuen. Passiivisesti jäähdytetyissä malleissa rakoeristys on vähemmän tehokas ja ero kutistuu 5–10 asteeseen. Jos staattorin käämitys on 155 astetta (luokan F raja), magneetti on 130–145 astetta - mikä asettaa N45:n yllä laskettuun vaara-alueeseen. Tästä syystä luokan F eristetyt moottorit, joissa on N45-magneetit, ovat luotettavuusongelma, joka odottaa tapahtuvansa korkean huippuvirran sovelluksissa.
4. Magneetin huippulämpötilaan perustuva luokan valintalogiikka
Kun magneetin huippulämpötila on arvioitu, laadun valinnasta tulee suora suunnittelupäätös taulukon haun sijaan.
Alle 80 asteen huippumagneetin lämpötila: vakioluokat (N35–N52) ovat sopivia. Hcj-marginaali polveen 80 asteen kulmassa on riittävä useimpiin moottorisovelluksiin, joissa huippuvirrat ovat alle 3x jatkuvat.
Magneetin huippulämpötila 80–120 astetta: H-luokat (N35H–N52H) ovat perustaso kaikelle, jonka huippuvirta on yli 2× jatkuva, tai keskittyneet käämit (korkea harmoninen pitoisuus). Hajautetuille käämeille, joiden huippuvirta on alle 2× jatkuva, hyväksytään vakiolaatuja vahvistetuilla kuormituslinjan marginaaleilla.
Magneetin huippulämpötila 120–150 astetta: SH-luokat (N35SH–N48SH) vaaditaan korkean huippuvirran sovelluksissa. N42SH:n Hcj on noin 2400 kA/m 20 asteessa, mikä antaa polven asennon 150 asteessa noin 550 kA/m - kaksinkertainen N42-standardiin verrattuna samassa lämpötilassa. Hajautetuille käämeille, joilla on konservatiiviset huippuvirran rajat, H-luokat voivat silti olla riittäviä tämän alueen alemmassa päässä.
Magneetin huippulämpötila yli 150 astetta: EH- tai AH-luokat (N35EH–N38EH) NdFeB:lle tai siirtyminen SmCo-luokkaan 26–28. NdFeB EH -laadut tarjoavat Hcj:n yli 3000 kA/m 20 asteessa, mutta Br on rajoitettu alueelle 1,08–1,18 T. Sovelluksiin, joissa vääntömomenttitiheydellä on enemmän merkitystä kuin lämpövastus (nopeat kompressorikäytöt, ilmailumoottorikäytöt), SmCo 150–200 asteen huippulämpötilassa on yleensä oikea materiaalivalinta 4–6-kertaisesta kustannuslisästä huolimatta.
Yksi yleinen virhe: EH-luokan määrittäminen moottorisuunnittelulle, joka tarvitsee vain H:tä, koska joku tiimistä oli "turvassa". EH-laadut maksavat noin 25–35 % enemmän kuin H-laadut vastaavalla Br:llä, ja niiden Br on alhaisempi samalla lajikkeella. Jos magneetin huippulämpötilalaskelma näyttää 130 astetta, N45H on oikea määritys - ei N40EH.
5. Terminen marginaalin tarkistaminen tuotannon jälkeen
Laskelma antaa suunnittelutarkoituksen. Vahvistaminen vaatii testitietoja.
Vakiotesti demagnetointimarginaalin todentamiseksi on oikosulkuvirtatesti korotetussa lämpötilassa. Moottori lämmitetään tavoitekäyttölämpötilaan, sitten ohjataan oikosulkua ankkurin reaktion demagnetointikentän huippuottamiseksi. Back-EMF mitataan ennen ja jälkeen. Jos testin jälkeinen takaisin-EMF on 1 %:n sisällä testiä edeltävästä arvosta, magneetit selvisivät ilman palautumatonta demagnetoitumista. Yli 2 % pudotus tarkoittaa osittaista demagnetoitumista.
Tuotannon hyväksymisen kannalta tämä testi on kallista suorittaa kaikilla moottoreilla. Sen sijaan toimittajat tyypillisesti tarkistavat erätason magneettiset ominaisuudet: Br:n tasaisuus ±1,5 %:n sisällä erässä (ei erästä - erän tasaisuus ratkaisee demagnetointimarginaalin yhtenäisyyden), Hcj ylittää määrittelyn vähimmäistason (yleensä 10 % marginaalin vähimmäisvaatimuksen yläpuolella) ja magnetoinnin tasaisuus Hall-skannauksella. Näillä varmistetaan, että tuotantoon toimitetuilla magneeteilla on suunnittelulaskelmassa oletetut ominaisuudet.
HIMAGNET tarjoaa täydelliset demagnetointikäyrät sovelluslämpötiloissa ja voi verrata kuormitusviiva-analyysiäsi eräkohtaisiin mitattuihin Hcj-arvoihin ennen toimitusta. Moottorimalleissa, joissa on tiukat lämpömarginaalit - luokan F eristys, huippu- ja jatkuva vääntömomenttisuhde yli 3× tai käyttöympäristöt, joiden lämpötila on yli 60 astetta - pyydä korkean lämpötilan erätodistus (Hcj 100 asteen ja 120 asteen mittausarvoilla, ei nimellisarvolla) tilausta tehdessäsi.
