SmCo vs NdFeB mootorirakendustes: kui lüliti on õigustatud
Lühiversioon: NdFeB on enamiku mootorite jaoks õige valik ja SmCo on õige valik teatud rakenduste alamhulga jaoks, kus temperatuur või keskkond muudab NdFeB ebapraktiliseks. Probleem on selles, et piir nende kahe kategooria vahel on enamikus insenerivestlustes hägune. Insenerid määravad mõnikord SmCo termilistel põhjustel, kui N45EH oleks töötanud, ja mõnikord määravad N45EH, kui töötingimused nõuavad selgelt SmCo kasutamist. Kumbki viga pole tasuta.
See artikkel annab konkreetsed lülituskriteeriumid - mitte üldised juhised, vaid konkreetsed numbrid - kõige levinumate mootorirakenduste stsenaariumide jaoks, kus üleminek NdFeB-st SmCo-le tuleb.
1. Põhijõudluse kompromiss
NdFeB ja SmCo tekitavad mõlemad suure energiaga püsimagnetvälju, kuid nende materjaliomadused erinevad kõrgemal temperatuuril mootori konstruktsiooni seisukohalt olulisel viisil.
NdFeB (paagutatud, N-klass): Br on toatemperatuuril vahemikus 1,08 T (N35) kuni 1,46 T (N52). Br temperatuurikoefitsient on ligikaudu –0,11 kuni –0,13% kraadi kohta – seega on N45 magnetil 150 kraadi juures Br ligikaudu 1,25 T toatemperatuuri 1,34 T asemel, mis on 7% vähenemine. Hcj temperatuurikoefitsient on –0,55 kuni –0,60%/kraadi, mis on kriitiline arv: N45 Hcj=1380 kA/m 20 kraadi juures on Hcj ≈ 620 kA/m 150 kraadi juures. Põlv langeb ligikaudu 310 kA/m demagnetiseeriva väljani – see tähendab, et magnetit on kõrgendatud temperatuuril suhteliselt lihtne demagnetiseerida armatuuri reaktsiooni käigus.
SmCo 26. klass (Sm₂Co₇₇): Br umbes 1,02–1,05 T toatemperatuuril. Br temperatuurikoefitsient –0,030 kuni –0,035%/kraadi – ligikaudu 3 korda parem kui NdFeB. 200 kraadi juures on Br ligikaudu 0,99 T, vaevu muutunud. Hcj temperatuuri koefitsient –0,20 kuni –0,25%/kraad . SmCo Grade 26 Hcj=1500 kA/m 20 kraadi juures säilitab ligikaudu 1000 kA/m 200 kraadi juures. Põlv 200 kraadi juures on umbes 500 kA/m – see tagab siiski olulise demagnetiseerimistakistuse armatuuri reaktsiooni ajal.
Kompromiss on selge: toatemperatuuril ületab N45 Br-s ligikaudu 30% SmCo Gr26. 150 kraadi juures väheneb vahe 15%-ni. Üle 200 kraadi on SmCo ka Br tugevam magnet. SmCo hinnalisa on 4–6× kilogrammi kohta samaväärse mahu kohta.
2. Temperatuuripõhised lülituskriteeriumid
Lülitusotsus kuulub magneti tipptemperatuuri ja maksimaalse demagnetiseeriva välja konkreetsele kombinatsioonile, mitte suvalise temperatuuriläve juures. Kuid praktiliste esimese läbimise otsuste puhul hõlmavad need kriteeriumid enamikku mootorirakendusi:
Magneti tipptemperatuur alla 120 kraadi:NdFeB H või SH klass on peaaegu alati õige valik. SmCo-l ei ole nendel temperatuuridel jõudluse eelist, mis õigustaks kululisa. Ainsaks erandiks on söövitavad keskkonnad (laevamootorid, keemiliste protsesside ajamid), kus NdFeB katte haavatavus on olulisem kui termilised omadused.
120–150 kraadi magneti tipptemperatuur:See on vaidlusalune tsoon. Jaotatud mähisega mootorite jaoks, mille tipp- ja pideva pöördemomendi suhe on alla 3 ×, on N45SH või N42SH piisav ja maksab 60–70% vähem kui SmCo. Kontsentreeritud mähisega mootorite puhul, mille maksimaalne pöördemomendi suhe on üle 4 ×, või mootorite puhul, mille PC on alla 4 (õhukesed magnetid suurtes õhuvahedes), on SmCo insenertehniliselt mõttekas, kuna Hcj marginaali arvutamine hakkab NdFeB puhul ebaõnnestuma isegi SH klasside puhul.
Magneti tipptemperatuur 150–200 kraadi:SmCo on enamiku rakenduste jaoks õige materjalivalik. NdFeB EH klassid (Hcj > 3000 kA/m 20 kraadi juures) võib mõnikord ulatuda sellesse vahemikku madala armatuuriga konstruktsioonide puhul, kuid maksate EH hindu (ligikaudu 2 × H klass) magneti eest, mis töötab endiselt oma piiride lähedal. SmCo Gr26 säilitab 200 kraadi juures 95% toatemperatuurist Br ja selle Hcj on kolm korda kõrgem kui N45EH samal temperatuuril. Kulude erinevus 150–200 kraadi juures on palju vähem määrav kui toatemperatuuril, sest NdFeB valik eeldab kõige kallimaid EH-klasse.
Üle 200 kraadi:Ainult SmCo. NdFeB maksimaalne pidev töötemperatuur on EH-klasside puhul 200 kraadi ja see on minimaalse armatuurireaktsiooniga. Turbiinide abimootorite, puuraukude puurimismootorite ja kõrge temperatuuriga tööstuslike ajamite jaoks, mis töötavad püsivalt 200–250 kraadi, on SmCo Gr28–30 ainus praktiline võimalus paagutatud haruldaste muldmetallide kategooriast.
3. Rakenduspõhised lülituspunktid
Temperatuur on peamine tegur, kuid see pole ainus. Need konkreetsed rakendused nõuavad täiendavat kaalumist:
Lennundusmootorite ajamid (ajamid, kütusepumbad, ECS-ventilaatorid):Peamine põhjus ei ole sageli mitte temperatuur, vaid kiirguse kõvadus ja gaasi väljalaske nõuded. NdFeB katted (Ni-Cu-Ni, epoksü) võivad eralduda vaakumis ja neil on piiratud kiirguskindlus. SmCo ei sisalda orgaanilisi komponente ja gaasi väljutamine on palju väiksem – vaakumkvaliteediga SmCo mõõdetud TML (kogumassikadu) on alla 0,1%, epoksükattega NdFeB puhul 0,3–0,8%. NASA või ESA kvalifikatsiooni jaoks on SmCo standardne mitte temperatuuri, vaid kosmosekeskkonna ühilduvuse tõttu.
Kiired mootorid (üle 50 000 p/min):Väga suurel kiirusel muutub piiravaks teguriks tsentrifugaalpinge rootori magneti struktuuris. SmCo survetugevus on pisut suurem kui NdFeB (ligikaudu 1100 MPa vs 900 MPa), kuid olulisem tegur on see, et pindmontaažimagnetitega kiired mootorid kasutavad tavaliselt süsinikkiust või Inconeli kinnitushülsi, mis näeb tsentrifugaalkoormust. 100 000 p/min juures 10 mm raadiusega rootoriga on magneti pinnakiirus 100 m/s ja konstruktsioonipiiranguks on hülsi pinge – magneti materjali omadused on teisejärgulised. SmCo eeliseks on korrosioonikindlus kõrgsagedusliku pöörisvoolu keskkonnas, mitte mehaaniline tugevus.
Tööstusprotsesside mootorid söövitavas keskkonnas:NdFeB korrodeerub kiiresti keskkonnas, kus õhuniiskus on üle 85% suhtelisest õhuniiskusest koos ioonsaastega (soolapihustus, kloor, happeudu). Ni-Cu-Ni kate pakub piisavat kaitset standardsetes tööstuskeskkondades (IP54–IP65), kuid ebaõnnestub mere- või keemilises keskkonnas 2–5 aasta jooksul. SmCo on olemuselt korrosioonikindel – meresõidukite IP67 mootorite jaoks pole vaja katet. Kui mootor on suletud epoksiidiga või rootor on eraldi suletud, võib NdFeB nendes keskkondades töötada piisava kapseldamisega, kuid SmCo eemaldab disainiriski.
Pikaealised temperatuuritsükliga mootorid:Korduv termiline tsükkel külmkäivitusest töötemperatuurini tekitab magneti ja liimimisliimi vahel erineva soojuspaisumise. NdFeB soojuspaisumistegur on ligikaudu 5–8 × 10⁻⁶/kraadi (olenevalt magnetiseerimise suunast). SmCo on ligikaudu 10–12 × 10⁻⁶ kraadi kohta – tegelikult kõrgem kui NdFeB. See tähendab, et SmCo ei ole termilise tsükli jaoks olemuselt parem; liimimisliimi valik ja magneti geomeetria domineerivad mõlemal juhul väsimuse kestuse üle.
4. Mida SmCo ei paranda
SmCo on mõnikord määratletud kui lahendus probleemidele, mida see ei lahenda:
Pöörisvoolukaod:SmCo elektritakistus (ligikaudu 0,8–1,0 μΩ·m) on sarnane NdFeB-ga (ligikaudu 1,4–1,6 μΩ·m). SmCo ei ole märkimisväärselt parem pöörisvoolukadude vähendamiseks kõrgsageduslike väljade keskkondades. Magneti segmenteerimine (lõikamine aksiaal- või ringsuunas) on mõlema materjali puhul õige lahendus.
Hammustusmoment:Hammustusmomendi määrab magnetpooluse kuju, pilu geomeetria ja nende koostoime – mitte magneti materjal. SmCo ei vähenda hammustusmomenti NdFeB suhtes sama geomeetriaga. Magneti viltu, pilu viltu või murdosa mähised on õiged tööriistad.
Kulude vähendamine, kui EH on juba nõutav: When the operating conditions require NdFeB EH grade, some engineers switch to SmCo expecting a lower cost. In volume (>500 tükki), on NdFeB EH samaväärse energiatoote puhul tavaliselt 30–50% odavam kui SmCo Gr26. SmCo on temperatuuriläve ületav insenerikaalutlustel – mitte kulude vähendamise strateegiana, kui EH-klassid on juba SmCo-ga samaväärsed.
5. Mootorite projekteerimise praktiline üleminekuprotokoll
Kui mootori konstruktsiooni hinnatakse SmCo ja NdFeB suhtes, peaks otsustusjärjestus olema järgmine:
1. samm: arvutage magneti tipptemperatuur, nagu on kirjeldatud eelmises artiklis (kombineerides staatori soojusjuhtivuse ja magneti isekuumenemise). Kui SH-klassi varuga on alla 120 kraadi, lõpetage – NdFeB SH on vastus.
2. samm: kui 120–180 kraadi, arvutage N45SH ja N42EH demagnetiseerimise ohutusvaru. Kui mõlemad tagavad piisava varu (kombineeritud termiline + armatuuri reaktsiooniväli põlve all 20% või rohkem), on lahendus N45SH.
3. samm: kui nõutakse EH-klassi, kuid tipptemperatuur on alla 160 kraadi, hankige konkreetse geomeetria jaoks nii N40EH kui ka SmCo Gr26 praegune hind. Selles temperatuurivahemikus on kulude erinevus standardsuuruste puhul sageli 15–25% NdFeB kasuks. Kui temperatuur on üle 160 kraadi, taotlege SmCo Gr26 hinnakujundust – kulude ristumispunkt liigub temperatuuri tõustes järjekindlalt SmCo suunas.
4. samm: olenemata temperatuurist, määrake SmCo, kui rakendus on kosmosevaakumreiting, püsiv merekasutus ilma täieliku epoksükapseldamiseta või pidev töö üle 200 kraadi.
HIMAGNET tarnib nii NdFeB-d (standard kuni EH-klassid) kui ka SmCo-d (Gr18-Gr32) ning võib anda toimivusandmeid rakendustemperatuuridel, et võrrelda neid teie koormusjoone arvutustes. Kui teil on mootori konstruktsioon, mis jääb 130–160 kraadise magneti tipptemperatuuri vahemikku ja te pole kindel, milline materjal on õigustatud, saatke meile tööprofiil ja me esitame arvutuse, mitte hinnapõhise soovituse.
