דה-מגנטיזציה תרמית היא מצב כשל המגנט הנפוץ ביותר שאיש לא מתכנן
רוב הניתוח התרמי המוטורי מתמקד בפיתול. אובדן הנחושת מחושב, נבנית רשת התנגדות תרמית, והעיצוב מוכרז בטוח אם טמפרטורת הפיתול נשארת מתחת לגבול דרגת הבידוד. טמפרטורת המגנט מצוינת כפלט משני מאותו דגם - בדרך כלל 10-20 מעלות מתחת לפיתול - ונבדקת מול טמפרטורת הפעולה המקסימלית בגליון הנתונים. אם זה מתחת למגבלת גיליון הנתונים, הניתוח נעצר.
גישה זו מפספסת שני דברים. ראשית, טמפרטורת הפעולה המקסימלית של המגנט בגליון הנתונים אינה מגבלה בטיחותית של דה-מגנטיזציה - זוהי הטמפרטורה שמעבר לה תכונות המגנט מתדרדרות לצמיתות גם ללא שדה חיצוני. שנית, אפילו מתחת לטמפרטורה זו, השילוב של טמפרטורה מוגברת ושדה התגובה של האבזור במהלך אירועי שיא המומנט יוצר סיכון לדה-מגנטיזציה שלא ניתן להעריך מטמפרטורה של מצב יציב בלבד. מאמר זה מכסה את מתודולוגיית החישוב בפועל.
1. מדוע מגנטים מוטוריים פועלים חם יותר ממה שרוב המעצבים מצפים
במנוע PM מותקן על פני השטח, המגנטים מחוברים לרוטור ומופרדים מהנחושת המתפתלת על ידי מרווח האוויר, ציפוי החריצים, ברזל השן והבית. במבט ראשון הם נראים מבודדים היטב ממקור החום העיקרי. בפועל, הרוטור מתחמם משני מקורות: הפסדי זרם מערבולת במגנטים עצמם (משמעותיים במגנטים מפולחים עם הרמוניות חריצים גבוהות) ומוליך חום מהסטטור באמצעות קרינה והסעה על פני מרווח האוויר.
הפסדי זרם מערבולת במגנטים מוצקים של NdFeB נמדדים בריבוע של המשרעת ההרמונית של צפיפות השטף ועם ריבוע התדר. במנוע 6 קוטבי הפועל ב-3000 סל"ד עם פיתול מרוכז (תכולה הרמונית גבוהה), הפסדי זרם מערבולת במגנטים יכולים להגיע ל-15-30% מכלל אובדן הרוטור. זה לא תיקון קטן. במנוע של 500W, 10W של אובדן זרם מערבולת מגנט עם התנגדות תרמית של 3 מעלות /W בין המגנט לסביבה מייצרת 30 מעלות של עליית טמפרטורת מגנט נוספת מעל הברזל הרוטור. בשילוב עם חום מוליך מהסטטור, טמפרטורות המגנט במנועי פיתול מרוכזים הטעונים באופן רציף עולות על טמפרטורות הפיתול ב-5-15 מעלות במקום להיות מתחתיהן.
הנתיב התרמי חשוב. במנוע שטף צירי עם תצורת רוטור כפול, המגנטים נמצאים על המשטחים החיצוניים של הדיסקים הרוטורים - יש להם קירור הסעה מצוין ברוב הגיאומטריות והם פועלים קריר יותר מהסטטור. במנוע שטף רדיאלי בעל חריץ עמוק עם ערימה ארוכה וקירור קצה מוגבל, שיפוע טמפרטורת המגנט לאורך הציר יכול להגיע ל-20 מעלות מקצה למרכז. הנקודה החמה ביותר במגנט אינה נראית לחיישנים התרמיים המוטמעים בסטטור, והיא הנקודה החמה ביותר שקובעת את מרווח הדה-מגנטיזציה.
2. חישוב בטיחות דה-מגנטיזציה הנכון
מרווח הבטיחות של דה-מגנטיזציה כולל שני מרכיבים: השוליים התרמיים (מרחק מטמפרטורת ההפעלה לטמפרטורה שבה הברך חוצה את שדה ההפעלה) ושולי השדה (מרחק משדה דה-מגנטיזציה בתגובת האבזור לברך בטמפרטורת ההפעלה). יש לחשב את שניהם.
התחל עם ניתוח קו העומס מגיאומטריית המעגל המגנטי (מכוסה במאמר הקודם בסדרה זו). זה נותן את נקודת הפעולה (בופ, הופ) בהיעדר תגובת אבזור. עבור מנוע שטף רדיאלי מתוכנן היטב עם PC=6, ההופ הוא בערך −Br/PC ≈ −0.22 T / μ₀ ≈ −175 kA/m. זוהי נקודת הפעולה בטמפרטורת הסביבה ללא עומס.
הוסף את שדה תגובת האבזור. בזרם שיא (בדרך כלל 3× רציף בכונן סרוו), שדה הדה-מגנטיזציה במשטח המגנט הוא Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm), כאשר Id הוא רכיב הזרם של ציר ה-D ו-Ld הוא השראות של ציר ה-D. עבור מנוע סרוו טיפוסי עם שיא של 10A ו-Ld=2mH, שדה התגובה של האבזור על פני המגנט יכול להגיע ל-200-400 kA/m בהתאם לגיאומטריית המנוע. השדה הכולל של דה-מגנטיזציה הוא הסכום: −175 + (-300)=−475 kA/m בדוגמה זו.
כעת בדוק את תנוחת הברך בטמפרטורת הפעולה של המגנט. עבור N45 (Hcj=1380 kA/m ב-20 מעלות, מקדם טמפרטורה -0.55%/מעלה), ב-120 מעלות ה-Hcj יורד לכ-1380 × (1 - 0.55% × 100)=621 kA/m. הברך של עקומת דה-מגנטיזציה עבור N45 ב-120 מעלות מתרחשת בערך ב-0.5 × Hcj=310 kA/m בכיוון דה-מגנטיזציה. השדה הכולל −475 kA/m חורג משדה הברך −310 kA/m. עיצוב זה יחווה דה-מגנטיזציה חלקית בלתי הפיכה במהלך אירועי שיא המומנט בטמפרטורת הפעולה. החישוב מציג את מצב הכשל לפני שהוא מופיע בבדיקה.
התיקון הוא לא תמיד שדרוג ציונים. בדוגמה זו, האפשרויות הן: (1) שדרוג ל-N45H (Hcj ≈ 2000 kA/m ב-20 מעלות, ברך ב-120 מעלות ≈ 650 kA/m - בטוח); (2) הגדל את ה-PC על ידי הקטנת פער האוויר, מה שמקרב את הופ ל-0 ומפחית את הרגישות לתגובת האבזור; (3) להפחית את שיא זרם באמצעות הגבלת זרם בכונן; או (4) קבל את פרופיל ההפעלה והשתמש במגנט בדרגה נמוכה יותר עם מקדם טמפרטורה הפיך טוב יותר. אפשרויות 2–4 אינן דורשות מגנטים יקרים יותר. אפשרות 1 היא הקלה ביותר לפרט אך לא תמיד הזולה ביותר.
3. הערכת טמפרטורת מגנט ללא FEA
בשלבי תכנון מוקדמים, FEA תרמי מלא לא תמיד זמין. רשת תרמית מפושטת עם פרמטרים גושיים נותנת דיוק הולם להחלטות ראשוניות.
עבור מנוע שטף רדיאלי, דגם את נתיב ההתנגדות התרמית ממגנט לסביבה כשלושה אלמנטים בסדרה: התנגדות תרמית מגנט לרוטור-ברזל (R1=Lm / (km × Am), בדרך כלל 0.3-0.8 מעלות /W בהתאם לעובי שכבת הדבק ומוליכות; רוטור-ברזל לציר (R2, תלוי בגיאומטריית הרוטור, בדרך כלל 0.5-2 מעלות /W עבור רוטור פלדה מוצק); וציר לסביבה דרך מסב ונתיב בית (R3, בדרך כלל 1-5 מעלות /W בהתאם לשיטת הקירור). לתרומת הולכת החום של הסטטור, הוסף את ההתנגדות התרמית של מרווח האוויר (R_gap ≈ Lg / (k_air × Ag) + תיקון להסעה, בדרך כלל 0.1-0.5 מעלות /W עבור מרווח של 0.5 מ"מ).
עם רשת פשוטה, עליית טמפרטורת המגנט מעל הסביבה היא בערך:
ΔT_magnet=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_stator × (R_gap + R2 + R3) / (R_stator_total)
עבור מנוע סרוו ללא מברשות של 1kW עם: P_eddy=5W, R1=0.5℃/W, R2=1℃/W, R3=3℃/W; P_stator=80W, R_stator_to_ambient=0.8 מעלות /W, R_gap=0.3 מעלות /W. עליית טמפרטורת המגנט מעל הסביבה היא בערך 5 × 4.5 + 80 × 4.3/0.8 ≈ 22.5 + 430=שגויה - מונח ה-P_stator לא עובד כך מכיוון שחום הסטטור זורם לרוב החוצה דרך הבית, לא דרך הפער למגנט.
הגישה המפושטת המתוקנת: עליית טמפרטורת המגנט עקב חום הסטטור היא בקירוב P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap, מוגבלת בטמפרטורת פיתול הסטטור פחות ירידה תרמית של פער קבוע. עבור רוב עיצובי המנוע בקירור מאולץ, טמפרטורת המגנט היא טמפרטורת הסטטור מינוס 10-25 מעלות בשל בידוד מרווח האוויר. עבור עיצובים מקוררים באופן פסיבי, בידוד הפערים פחות יעיל וההבדל מתכווץ ל-5-10 מעלות. אם פיתול הסטטור הוא ב-155 מעלות (מגבלת Class F), המגנט הוא ב-130-145 מעלות - מה שמכניס את N45 לאזור הסכנה שחושב לעיל. זו הסיבה שמנועים מבודדים מסוג Class F עם מגנטים N45 הם בעיית אמינות שמחכה לקרות ביישומי זרם שיא גבוה.
4. היגיון בחירת דרג המבוסס על טמפרטורת מגנט שיא
עם אומדן טמפרטורת המגנט, בחירת הציון הופכת להחלטה הנדסית ישירה ולא לבדיקת טבלה.
מתחת ל-80 מעלות שיא טמפרטורת המגנט: דרגות סטנדרטיות (N35-N52) מתאימות. שולי Hcj לברך ב-80 מעלות מתאימים לרוב היישומים המוטוריים עם זרמי שיא מתחת ל-3× רציפים.
טמפרטורת שיא של 80-120 מעלות: דרגות H (N35H-N52H) הן קו הבסיס לכל דבר עם זרם שיא מעל 2× רציף, או פיתולים מרוכזים (תוכן הרמוני גבוה). עבור פיתולים מבוזרים עם שיא זרם מתחת ל-2× רציף, דרגות סטנדרטיות עם שולי קו עומס מאומתים מקובלות.
טמפרטורת מגנט שיא של 120-150 מעלות: דרושים דרגות SH (N35SH-N48SH) עבור יישומי זרם שיא גבוה. Hcj עבור N42SH הוא כ-2400 kA/m ב-20 מעלות, מה שמעניק תנוחת ברך ב-150 מעלות של כ-550 kA/m - כפול מהדרגה הסטנדרטית N42 באותה טמפרטורה. עבור פיתולים מבוזרים עם מגבלות זרם שיא שמרניות, דרגות H עדיין עשויות להספיק בקצה התחתון של טווח זה.
טמפרטורת שיא של מגנט מעל 150 מעלות: דרגות EH או AH (N35EH–N38EH) עבור NdFeB, או מעבר ל-SmCo Grade 26–28. דרגות NdFeB EH מספקות Hcj מעל 3000 kA/m ב-20 מעלות אך Br מוגבל לטווח 1.08-1.18 T. עבור יישומים שבהם צפיפות המומנט חשובה יותר מהתנגדות תרמית (הנעי מדחס במהירות גבוהה, כונני מנוע תעופה וחלל), SmCo בטמפרטורת שיא של 150-200 מעלות היא בדרך כלל הבחירה הנכונה של החומר למרות פרמיית העלות של 4-6×.
טעות נפוצה אחת: ציון דרגת EH לתכנון מוטורי שצריך רק H מכיוון שמישהו בצוות "היה בטוח". ציוני EH עולים כ-25-35% יותר מציונים H עבור Br מקביל, וה-Br שלהם נמוך יותר עבור אותו מספר כיתה. אם חישוב שיא טמפרטורת המגנט מראה 130 מעלות, N45H הוא המפרט הנכון - לא N40EH.
5. אימות השוליים התרמיים לאחר הייצור
החישוב נותן כוונה עיצובית. אימות דורש נתוני בדיקה.
הבדיקה הסטנדרטית לאימות שולי דה-מגנטיזציה היא בדיקת זרם קצר בטמפרטורה גבוהה. המנוע מחומם לטמפרטורת הפעולה היעד, ואז מופעל קצר חשמלי מבוקר כדי לייצר שיא של שדה מגנטיזציה של תגובת אבזור. Back-EMF נמדד לפני ואחרי. אם ה-EMF האחורי שלאחר הבדיקה נמצא בטווח של 1% מהערך שלפני הבדיקה, המגנטים שרדו ללא דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה. ירידה של יותר מ-2% מצביעה על דה-מגנטיזציה חלקית.
לקבלת ייצור, מבחן זה יקר להפעלה על כל מנוע. במקום זאת, ספקים בדרך כלל מאמתים מאפיינים מגנטיים ברמת אצווה: אחידות Br בתוך ±1.5% בתוך אצווה (לא מנה למגרש - אחידות אצווה חשובה לעקביות שולי דה-מגנטיזציה), Hcj מעל המינימום של המפרט (בדרך כלל 10% מעל המינימום הנדרש לשוליים), ואחידות מגנטיזציה באמצעות סריקת הול. אלה מאמתים שלמגנטים הנמסרים לייצור יש את התכונות הנחות בחישוב התכנון.
HIMAGNET מספק עקומות דה-מגנטיזציה מלאות בטמפרטורות יישום ויכול להצליב את ניתוח קו העומס שלך מול ערכי Hcj שנמדדו ספציפיים לאצווה לפני המשלוח. עבור עיצובי מנועים עם שוליים תרמיים הדוקים - בידוד Class F, יחס מומנט שיא לרציף מעל 3×, או סביבות הפעלה מעל 60 מעלות סביבה - בקש את תעודת אצווה בטמפרטורה גבוהה (Hcj בערכים של 100 מעלות ו-120 מעלות, לא נומינלי) בעת ביצוע ההזמנה.
