Termiline demagnetiseerimine on kõige levinum magneti rikkerežiim, mida keegi ei plaani
Enamik mootori termoanalüüse keskendub mähisele. Kui mähise temperatuur jääb alla isolatsiooniklassi piiri, arvutatakse välja vase kadu, ehitatakse soojustakistusvõrk ja projekt tunnistatakse ohutuks. Magneti temperatuur märgitakse sama mudeli sekundaarse väljundina – tavaliselt 10–20 kraadi mähist allapoole – ja seda võrreldakse andmelehel oleva maksimaalse töötemperatuuriga. Kui see on alla andmelehe piirangu, peatub analüüs.
See lähenemine jätab kahe asja vahele. Esiteks ei ole andmelehel olev magneti maksimaalne töötemperatuur demagnetiseerimise ohutuspiir – see on temperatuur, millest kõrgemal halvenevad magneti omadused püsivalt ka ilma välisväljata. Teiseks, isegi madalamal temperatuuril tekitab kõrgendatud temperatuuri ja armatuuri reaktsioonivälja kombinatsioon tipppöördemomendi sündmuste ajal demagnetiseerimisriski, mida ei saa hinnata ainult püsitemperatuuri järgi. See artikkel käsitleb tegelikku arvutusmetoodikat.
1. Miks mootorimagnetid töötavad kuumemini, kui enamik disainereid eeldab
Pindkinnitusega PM-mootoris on magnetid ühendatud rootoriga ja eraldatud mähisest vasest õhupilu, pilu vooderdise, hambarauda ja korpusega. Esmapilgul tunduvad need primaarsest soojusallikast hästi isoleeritud. Praktikas kuumeneb rootor kahest allikast: pöörisvoolukadudest magnetites endis (oluline kõrge piluharmoonikuga segmentmagnetite puhul) ja staatorist läbi õhupilu kiirguse ja konvektsiooni kaudu juhitavast soojusest.
Tahkete NdFeB magnetite pöörisvoolukaod skaalatakse voo tiheduse harmoonilise amplituudi ja sageduse ruuduga. 6-pooluselises mootoris, mis töötab 3000 p/min kontsentreeritud mähisega (kõrge harmooniliste sisaldusega), võivad magnetite pöörisvoolukadud ulatuda 15–30%ni rootori kogukadudest. See ei ole väike parandus. 500 W mootoris tekitab 10 W magneti pöörisvoolu kadu soojustakistusega 3 kraadi/W magneti ja ümbritseva keskkonna vahel 30 kraadi võrra täiendava magneti temperatuuri tõusu rootori raua kohal. Koos staatorist juhitava soojusega ületavad magnetite temperatuurid pidevalt koormatud kontsentreeritud mähisega mootorites mähise temperatuuri 5–15 kraadi võrra, mitte ei jää sellest allapoole.
Termiline tee on oluline. Topeltrootori konfiguratsiooniga aksiaalvoomootoris on magnetid rootoriketaste välispindadel – neil on enamiku geomeetriate puhul suurepärane konvektiivjahutus ja need töötavad jahedamalt kui staatoril. Pika kihi ja piiratud otsajahutusega sügava piluga radiaalvoomootoris võib magneti temperatuurigradient piki aksiaalset pikkust ulatuda 20 kraadini otsast keskpunkti. Magneti kuumim koht ei ole staatorisse integreeritud soojusanduritele nähtav ja see on kuumim koht, mis määrab demagnetiseerimisvaru.
2. Õige demagnetiseerimise ohutuse arvutus
Demagnetiseerimise ohutusvarul on kaks komponenti: termiline marginaal (kaugus töötemperatuurist temperatuurini, mille juures põlv läbib töövälja) ja väljavaru (kaugus armatuuri reaktsiooni demagnetiseerivast väljast põlveni töötemperatuuril). Mõlemad tuleb välja arvutada.
Alustage koormusjoone analüüsiga magnetahela geomeetriast (seda käsitletakse selle seeria eelmises artiklis). See annab tööpunkti (Bop, Hop) armatuuri reaktsiooni puudumisel. Hästi kavandatud radiaalvoomootori PC-ga=6 korral on Hop ligikaudu −Br/PC ≈ −0,22 T / μ₀ ≈ −175 kA/m. See on keskkonnatemperatuuri ja koormuseta tööpunkt.
Lisage armatuuri reaktsiooniväli. Tippvoolu korral (tavaliselt servoajamis 3x pidev) on magnetipinna demagnetiseerimisväli Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm), kus Id on d-telje voolukomponent ja Ld on d-telje induktiivsus. Tüüpilise servomootori puhul, mille tippvõimsus on 10A ja Ld=2mH, võib armatuuri reaktsiooniväli magneti pinnal ulatuda olenevalt mootori geomeetriast 200–400 kA/m. Kogu demagnetiseeriv väli on summa: −175 + (−300)=−475 kA/m selles näites.
Nüüd kontrollige põlve asendit magneti töötemperatuuril. N45 puhul (Hcj=1380 kA/m 20 kraadi juures, temperatuurikoefitsient –0,55%/kraad) langeb 120 kraadi juures Hcj väärtuseni ligikaudu 1380 × (1 – 0,55% × 100)=621 kA/m. N45 demagnetiseerimiskõvera põlv on 120 kraadi juures ligikaudu 0,5 × Hcj=310 kA/m demagnetiseerimise suunas. Koguväli −475 kA/m ületab põlvevälja −310 kA/m. See konstruktsioon kogeb töötemperatuuril maksimaalse pöördemomendi ajal osalist pöördumatut demagnetiseerumist. Arvutus näitab rikkerežiimi enne selle ilmumist testis.
Parandus ei ole alati klassi täiendamine. Selles näites on valikud järgmised: (1) uuendada versioonile N45H (Hcj ≈ 2000 kA/m 20 kraadi juures, põlv 120 kraadi juures ≈ 650 kA/m – ohutu); (2) suurendage PC-d, vähendades õhupilu, mis viib Hopi 0-le lähemale ja vähendab tundlikkust armatuuri reaktsioonile; (3) vähendada tippvoolu voolu piiramise kaudu ajamis; või (4) nõustuma tööprofiiliga ja kasutama madalama kvaliteediga magnetit, millel on parem pööratav temperatuurikoefitsient. Valikud 2–4 ei vaja kallimaid magneteid. 1. variant on kõige lihtsam spetsifikatsioon, kuid mitte alati odavaim.
3. Magneti temperatuuri hindamine ilma FEA-ta
Projekteerimise varases etapis ei ole täielik termiline FEA alati saadaval. Lihtsustatud koondparameetritega soojusvõrk annab esialgsete otsuste tegemiseks piisava täpsuse.
Radiaalvoomootori puhul modelleerige soojustakistuse tee magnetist ümbritseva keskkonnani kolme seeriaelemendina: magnet-rootor-raud soojustakistus (R1=Lm / (km × Am), tavaliselt 0,3–0,8 kraadi /W sõltuvalt liimikihi paksusest ja juhtivusest); rootor-raud-võll (R2, oleneb rootori geomeetriast, tahke terasrootori puhul tavaliselt 0,5–2 kraadi /W); ja võlli ja ümbritseva keskkonna vahel läbi laagri ja korpuse tee (R3, tavaliselt 1–5 kraadi /W sõltuvalt jahutusmeetodist). Staatori soojusjuhtivuse panuse jaoks lisage õhupilu soojustakistus (R_gap ≈ Lg / (k_air × Ag) + konvektsiooni parandus, tavaliselt 0,1–0,5 kraadi /W 0,5 mm vahe korral).
Lihtsustatud võrgu korral on magneti temperatuuri tõus üle ümbritseva keskkonna ligikaudu:
ΔT_magnet=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_staator × (R_gap + R2 + R3) / (R_stator_total)
1kW harjadeta servomootorile, millel on: P_eddy=5W, R1=0.5 kraad /W, R2=1 kraad /W, R3=3 kraad /W; P_staator=80W, R_stator_to_ambient=0.8 kraad /W, R_gap=0.3 kraad /W. Magneti temperatuuri tõus üle ümbritseva keskkonna on ligikaudu 5 × 4.5 + 80 × 4,3/0,8 ≈ 22.5 + 430=vale – termin P_stator ei tööta sel viisil, kuna staatori soojus voolab enamasti korpuse kaudu, mitte magnetile viiva pilu kaudu.
Korrigeeritud lihtsustatud lähenemisviis: staatori soojusest tulenev magneti temperatuuri tõus on ligikaudu P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap, mis on piiratud staatori mähise temperatuuril miinus fikseeritud vahe termiline langus. Enamiku sundjahutusega mootorite puhul on magneti temperatuur õhupilu isolatsiooni tõttu staatori temperatuur miinus 10–25 kraadi. Passiivjahutusega konstruktsioonide puhul on vaheisolatsioon vähem efektiivne ja erinevus väheneb 5–10 kraadini. Kui staatori mähis on 155 kraadi juures (F-klassi piirang), siis magnet on 130–145 kraadi juures – see paneb N45 ülaltoodud ohutsooni. Seetõttu on N45 magnetitega klassi F isoleeritud mootorid töökindlusprobleemid, mis ootavad tekkimist suure tippvooluga rakendustes.
4. Magneti tipptemperatuuril põhinev klassi valiku loogika
Kui magneti tipptemperatuur on hinnatud, muutub klassi valik pigem otseseks tehniliseks otsuseks kui tabeliotsinguks.
Magneti tipptemperatuur alla 80 kraadi: sobivad standardklassid (N35–N52). Hcj marginaal põlveni 80 kraadi juures on piisav enamiku mootorirakenduste jaoks, mille tippvoolud on alla 3 × pidevad.
Magneti tipptemperatuur 80–120 kraadi: H-klassid (N35H–N52H) on aluseks kõigele, mille tippvool on üle 2 × pidev või kontsentreeritud mähised (kõrge harmooniliste sisaldus). Jaotatud mähiste puhul, mille tippvool on alla 2x pideva, on vastuvõetavad standardklassid kontrollitud koormusjoone varudega.
Magneti tipptemperatuur 120–150 kraadi: SH-klassid (N35SH–N48SH) on vajalikud suure tippvooluga rakenduste jaoks. N42SH Hcj on ligikaudu 2400 kA/m 20 kraadi juures, mis annab põlveasendi 150 kraadi juures ligikaudu 550 kA/m – kaks korda suurem N42 standardklassist samal temperatuuril. Konservatiivse tippvoolupiiranguga hajutatud mähiste puhul võib selle vahemiku alumises otsas siiski piisata H-klassist.
Magnetite tipptemperatuur üle 150 kraadi: klassid EH või AH (N35EH–N38EH) NdFeB jaoks või üleminek SmCo klassile 26–28. NdFeB EH klassid tagavad Hcj üle 3000 kA/m 20 kraadi juures, kuid Br on piiratud vahemikus 1,08–1,18 T. Rakendustes, kus pöördemomendi tihedus on olulisem kui soojustakistus (kiire kompressori ajamid, kosmosemootori ajamid), on SmCo tipptemperatuuril 150–200 kraadi tavaliselt õige materjali valik, hoolimata 4–6-kordsest lisatasust.
Üks levinud viga: EH-klassi määramine mootorikonstruktsioonile, mis vajab ainult H-d, kuna keegi meeskonnast oli "turvaline". EH-klassid maksavad ligikaudu 25–35% rohkem kui H-klassid samaväärse Br-i puhul ja nende Br on sama klassinumbri puhul madalam. Kui magneti tipptemperatuuri arvutus näitab 130 kraadi, on õige spetsifikatsioon N45H, mitte N40EH.
5. Termilise marginaali kontrollimine pärast tootmist
Arvutus annab projekteerimise eesmärgi. Kontrollimiseks on vaja testandmeid.
Demagnetiseerimisvaru kontrollimise standardkatse on lühisevoolu test kõrgendatud temperatuuril. Mootor kuumutatakse sihttöötemperatuurini, seejärel rakendatakse kontrollitud lühis, et tekitada armatuuri reaktsiooni maksimaalse demagnetiseeriva välja. Back-EMF mõõdetakse enne ja pärast. Kui testijärgne tagasi-EMF on testieelsest väärtusest 1% piires, jäid magnetid ellu ilma pöördumatu demagnetiseerimiseta. Üle 2% langus näitab osalist demagnetiseerumist.
Tootmise heakskiitmiseks on selle testi tegemine iga mootoriga kallis. Selle asemel kontrollivad tarnijad tavaliselt partiitaseme magnetilisi omadusi: Br ühtlus ±1,5% ulatuses partii sees (mitte partiide lõikes – partii ühtlus on oluline demagnetiseerimisvaru konsistentsi jaoks), Hcj üle spetsifikatsiooni miinimumi (tavaliselt 10% kõrgem kui marginaaliks nõutav miinimum) ja magnetiseerimise ühtlus Halli skaneerimisega. Need kontrollivad, et tootmisse tarnitud magnetitel on projektarvutuses eeldatud omadused.
HIMAGNET pakub täielikke demagnetiseerimiskõveraid rakendustemperatuuridel ja võib enne tarnimist võrrelda teie koormusjoone analüüsi partiispetsiifiliste mõõdetud Hcj väärtustega. Tiheda soojusvaruga mootorite puhul – F-klassi isolatsioon, tipp- ja pideva pöördemomendi suhe üle 3× või töökeskkonnad, mille temperatuur on üle 60 kraadi – küsige tellimust esitades kõrge temperatuuri partii sertifikaati (Hcj 100 kraadi ja 120 kraadi mõõdetud väärtustel, mitte nominaalne).
