Miksi BH-käyrä on tärkeämpi kuin arvosanataulukko
Useimmat moottorisuunnittelijat valitsevat magneettilajin teknisistä tiedoista, varmistavat, että Br ja Hcj täyttävät sovelluksen vaatimukset, ja lopettavat sen. Tämä sopii yksinkertaisiin sovelluksiin ja valmiisiin moottoreihin, joissa joku muu on jo tehnyt magneettipiirin analyysin. Ongelmaksi muodostuu, kun magneetin geometria, ilmaväli tai käyttölämpötila poikkeaa referenssisuunnittelusta, mikä on lähes aina totta räätälöidyssä moottorikehityksessä.
Arvosanataulukko antaa magneetin luontaiset ominaisuudet - mitä se voi tehdä yksinään. Magneettipiirianalyysi kertoo, mitä se todella tekee sinun erityisessä suunnittelussasi. Nämä kaksi numeroa voivat olla olennaisesti erilaisia, ja niiden välinen ero määrittää, saavuttaako moottorisi vääntömomenttitavoitteensa vai jääkö moottorisi alle 15 % käyttölämpötilassa. Tämä artikkeli kattaa keskeiset analyyttiset työkalut: kuormitusviivan, toimintapisteen ja käytännön vaikutukset suunnittelupäätöksiin.
1. BH-käyrä ja mitä se todella kertoo sinulle
Sintratun NdFeB-magneetin demagnetointikäyrällä (BH-käyrän toinen kvadrantti) on kaksi avainkoordinaattia. Remanenssi Br on vuontiheys, kun ulkoista kenttää ei käytetä (H=0). Koersitiivinen Hcb on käänteinen kentänvoimakkuus, joka vaaditaan B:n nollaamiseksi. Näiden kahden pisteen välinen käyrä on lähes lineaarinen nykyaikaisille NdFeB-laaduille - kaltevuus on magneetin permeabiliteetti, noin μ₀ × μᵣ missä μᵣ ≈ 1,05 sintratulle NdFeB:lle.
Tietolomake ei suoraan näytä, missä magneetti todella toimii suljetussa magneettipiirissä. Kaikissa todellisissa sovelluksissa magneetti on osa piiriä, joka sisältää ilmaraon, teräskomponentit ja geometrian. Toimintapiste - todellinen (B, H) koordinaatti demagnetointikäyrällä - riippuu piirin geometriasta, ei vain magneettimateriaalista. Kahdella mallilla, jotka käyttävät samaa laatua eri ilmarakokokoonpanoissa, on erilaiset toimintapisteet, eri vuontiheydet raossa ja erilaiset demagnetoinnin turvamarginaalit.
Kriittinen raja on demagnetisaatiokäyrän polvi. Arvosanoilla, joissa ei ole H- tai SH-liitettä (vakio NdFeB), polvi esiintyy noin H=-700 - -800 kA/m asteesta ja lämpötilasta riippuen. Jos toimintapiste putoaa polven alapuolelle - eli ulkoinen demagnetoiva kenttä ajaa magneetin tälle epälineaariselle alueelle - magneetti demagnetoituu osittain palautumattomasti, kun kenttä poistetaan. H-luokan magneeteissa polvi työnnetään arvoon −1100 kA/m tai alle, minkä vuoksi ne on tarkoitettu sovelluksiin, joissa on merkittäviä ankkurin reaktiokenttiä tai korkeita käyttölämpötiloja.
2. Kuormitusviiva: Magneetin ominaisuuksien yhdistäminen piirigeometriaan
Kuormitusviiva on piirin rajoitus magneetin toimintapisteeseen. Se on BH-tasolle piirretty suora viiva, joka alkaa origosta ja leikkaa demagnetointikäyrän todellisessa toimintapisteessä. Kuormitusviivan kaltevuutta kutsutaan permeanssikertoimeksi (PC), ja se määräytyy kokonaan geometrian mukaan:
PC=(Ag × Lm) / (Am × Lg)
missä Ag on ilmavälin poikkileikkauspinta-ala, Am on magneetin navan pinta-ala, Lm on magneetin pituus magnetointisuunnassa ja Lg on ilmavälin pituus. Tämä on yksinkertaistettu versio, jossa oletetaan, että magneettinen teräs on täydellinen (ei vuovuotoa, ei teräksen reluktanssia) - täysversiossa lisätään vuodon läpäisytermit, mutta tämä likiarvo on riittävä alkuperäisiin suunnittelupäätöksiin.
Korkea PC (jyrkkä kuormitusviivan kaltevuus) tarkoittaa, että magneetti toimii lähempänä Br:tä - enemmän magneetin vuokapasiteetista käytetään. Matala PC (matala kaltevuus) tarkoittaa, että magneetti toimii kauempana Br:stä ja tuottaa vähemmän vuotiheyttä rakoon, mutta vastustaa paremmin ulkoisten kenttien demagnetoitumista. Tyypillinen käyttöalue PC:lle moottorisovelluksissa on 4–12. Alle 3, et käytä magneettia tehokkaasti. Yli 15, käytät magneettia tehokkaasti, mutta geometria on usein epäkäytännöllinen (erittäin paksut magneetit rakoon nähden).
Radiaalivuomoottorille, jonka Lm=5mm, Am=Ag (ei reunusta) ja Lg=1mm, PC=5. Jos arvo on N45 ja Br=1.34 T, toimintavuon tiheys raossa on suunnilleen Br × PC/(PC+1) Tämä on T25/1 × tämä luku=1.34. menee voiman tai vääntömomentin laskentaan, ei tietolehteen Br. Ero on 16 % – se ei ole vähäpätöinen tiukan toleranssin moottorin suunnittelussa.
3. Lämpötilan vaikutukset käyttöpisteeseen
Sekä Br että Hcj laskevat lämpötilan myötä. Normaalille N45 NdFeB:lle lämpötilakertoimet ovat noin −0,11 %/aste Br:lle ja −0,55 %/aste Hcj:lle. Käämityksen viereisen magneetin lämpötilassa 120 astetta (50 astetta huoneenlämpötilan vertailuarvon yläpuolella), Br putoaa arvoon 1,34 × (1 - 0,0011 × 50)=1.27 T ja Hcj noin arvosta 1150 kA/m arvoon noin 1150 × (1 - 0,005) kA.8,8
Myös toimintapiste muuttuu lämpötilan mukaan. Sekä demagnetointikäyrän koordinaatit että kuormitusviiva leikkaavat liikkeen. Useimmissa moottorigeometrioissa, joissa PC on alueella 4–8, käyttövuon tiheys laskee suunnilleen suhteessa Br:iin - joten 5 % Br:n pudotus lämpötilassa tuottaa noin 5 % vääntömomentin pienenemisen. Tämä on vakio moottorin lämpökuormituslaskelma.
Vaarallisempi vaikutus on polvipisteen siirtyminen. 120 asteessa N45-magneetin Hcj on noin 833 kA/m. Demagnetisaatiokäyrän polvi (vakiolaadulle) on nyt noin H=-500 kA/m, eikä -750 kA/m huoneenlämpötilassa. Jos moottorin ankkurireaktiokenttä huippuvirralla tuottaa -450 kA/m demagnetointikentän magneetin pinnalle, suunnittelussa on nolla demagnetointimarginaali käyttölämpötilassa. Tästä syystä moottorit, joilla on korkea huippuvääntömomenttisuhde (servokäytöt jatkuvaan 3- tai 5-kertaiseen vääntömomenttiin transienteissa), tarvitsevat H-luokan magneetteja - ei niiden hieman paremman Br:n vuoksi, vaan paljon paremman polviasennon vuoksi lämpötilassa.
4. Toimintapisteen analyysistä johdetut käytännön suunnittelupäätökset
Kolme suunnittelupäätöstä seuraa suoraan toimintapisteanalyysistä, ja kaikki kolme tehdään väärin tietyin säännöllisin mielin mukautetuissa moottorisuunnitelmissa.
Ensimmäinen: magneetin pituuden optimointi. Tietylle PC:lle Lm:n lisääminen lisää toimintapisteen vuotiheyttä monotonisesti - mutta vain pisteeseen. PC:n ≈ 10–12 jälkeen aukon vuotiheyden vahvistus magneetin pituuden yksikkölisäystä kohti pienenee (pienenee tuotto B × H -tuotekäyrällä). Optimaalinen Lm useimmille moottorin geometrioille on pituus, jolla saavutetaan PC=6–8, tasapainotettuna magneettimateriaalin kustannuksia ja painoa vastaan.
Toinen: arvosanan valinta versus geometrian optimointi. Kiinteässä ilmavälissä korkealaatuinen magneetti siirtää toimintapistettä ylöspäin B-akselilla, mutta ei muuta PC:tä. Raon vuotiheyden lisäys on verrannollinen Br:n vahvistumiseen - joten päivitys N42:sta (Br ≈ 1,30 T) N48:aan (Br ≈ 1,38 T) antaa noin 6 % enemmän aukkovirtaa, mikä tarkoittaa noin 6 % enemmän vääntömomenttia samalla kuparihäviöllä. Tämä on usein kustannustehokkaampaa kuin ilmavälin pienentäminen (mikä vaatii tiukempia valmistustoleransseja), mutta vähemmän kustannustehokasta kuin magneetin geometrian optimointi osumaan oikeaan tietokoneeseen.
Kolmanneksi: napojen lukumäärän ja magneetin tilavuuden välinen vuorovaikutus. Suuremman napamäärän moottoreissa käytetään lyhyempiä magneettikaaren pituuksia, ja niillä on tyypillisesti pienempi magneetin tilavuus vääntömomenttiyksikköä kohti lyhyempien vuoreittien vuoksi. Suuren napaluvun mallien PC on yleensä pienempi, mikä vaatii paksumpia magneetteja riittävän toimintapisteen ja demagnetointimarginaalin ylläpitämiseksi. Kun asiakas pyytää "korkeaa napalukua, pientä ilmaväliä ja minimimagneetin tilavuutta samanaikaisesti", toimintapisteanalyysi osoittaa nopeasti, miksi vähintään yhden näistä kolmesta on annettava. Erityinen kompromissi riippuu laadusta, geometriasta ja lämpötilavaatimuksista - ei ole yleissääntöä ilman numeroiden suorittamista.
5. Milloin yksinkertaistettu analyysi riittää ja milloin ei
Yllä oleva kuormitusviivan lähestymistapa olettaa lineaariset demagnetointikäyrät, ei vuotovirtausta ja teräksen läpäisevyys on ääretön. Nämä oletukset ovat riittävän tarkkoja alkuperäistä mitoitusta varten, kun toimintapiste on reilusti polven yläpuolella (PC > 4 maksimikäyttölämpötilassa, vähintään 200 kA/m marginaali polveen). Ne hajoavat kolmessa tilanteessa.
Ensinnäkin, kun PC on alle 3. Matalailla PC-malleilla (suuri rako, ohut magneetti) on toimintapisteet demagnetointikäyrän alaosassa, jossa epälineaarisuus tulee merkittäväksi. Äärillisten elementtien analyysi tarvitaan tarkkojen aukkovuon tiheysarvojen saamiseksi.
Toiseksi, kun reunusvuo on merkittävä. Suuren napaluvun moottoreissa, joissa on kapeat magneettikaaret, reunojen reunukset voivat edustaa 15–25 % kokonaisvuosta. Fringing vähentää tehollista rakovuon tiheyttä verrattuna yksinkertaistettuun laskentaan. FEA tallentaa tämän tarkasti; analyyttinen kaava ei.
Kolmanneksi, kun teräksen kylläisyydellä on merkitystä. Yksinkertaistettu analyysi olettaa teräksen äärettömän läpäisevyyden. Moottoreissa, joissa on ohuet ikeen osat tai korkea vuontiheys (yli 1,6 T ikeessä), teräksen kyllästyminen lisää piiriin vastahakoisuutta, mikä vähentää aukon vuotiheyttä ja vääristää toimintapistettä. Harjattomien moottoreiden hampaiden kärjen ja ikeen kyllästysvaikutukset ovat hyvin dokumentoituja ja vaativat FEA:n tarkan käsittelyn.
HIMAGNET tarjoaa magneetin suorituskykytietoja, mukaan lukien täydelliset demagnetointikäyrät useissa lämpötiloissa (20 astetta, 60 astetta, 100 astetta, 120 astetta, 150 astetta laadusta riippuen), mikä mahdollistaa tarkan kuormitusviiva-analyysin ilman FEA:ta useimmissa alkuperäisissä suunnitteluiteraatioissa. Ota yhteyttä suunnittelutiimiimme ja kerro piirigeometriastasi toimintapisteen tarkastelua varten ennen magneettispesifikaatiosi viimeistelyä.
