جهت مغناطیس در آهنرباهای موتور: آرایه های شعاعی، موازی و هالباخ

جهت مغناطیسی که هیچ کس توضیح نمی دهد

هنگامی که یک مهندس موتور آهنرباهای قوس NdFeB را مشخص می کند، ترتیب معمولاً شامل درجه، هندسه، پوشش و تلرانس می شود. جهت مغناطیسی به صورت یک یادداشت تک کلمه ای - "شعاعی" - نشان داده می شود یا به طور کامل با این فرض که تامین کننده می داند چه کاری انجام دهد حذف می شود.

این فرض برای موتورهای ساده درست است. برای کاربردهای سروو، اتصال ربات و پهپاد با کارایی بالا، این نوعی فرضیه است که برای تشخیص سه تکرار نمونه اولیه هزینه دارد. جهت مغناطیس به طور مستقیم شکل موج چگالی شار را در شکاف هوا، موج گشتاور، محتوای هارمونیک back-EMF، و معاوضه عملی بین حداکثر گشتاور و گشتاور چرخشی تعیین می‌کند. انتخاب اشتباه پس از قفل شدن هندسه روتور یک راه حل سریع نیست.

این راهنما سه رویکرد مغناطیسی مورد استفاده در موتورهای آهنربای دائم مدرن - شعاعی، موازی (که گاهی اوقات "نان نان" نامیده می شود) و آرایه Halbach - و زمانی که هر کدام انتخاب مناسبی هستند و نیستند را پوشش می دهد.

1. مغناطیس شعاعی: پیش فرضی که کار می کند تا زمانی که این کار انجام نشود

مغناطش شعاعی به این معنی است که میدان مغناطیسی داخل قطعه قوس به صورت شعاعی - در مورد آهنرباهای نصب شده روی سطح روی روتور داخلی - از مرکز روتور به سمت خارج است. این استاندارد دلایل خوبی دارد: با وسایل شارژ استاندارد قابل تولید است، به طور قابل اعتمادی در طیف وسیعی از هندسه های قوس الکتریکی کار می کند، و یک شکل موج چگالی شار شکاف هوا ذوزنقه ای شکل ایجاد می کند که برای موتورهای ذوزنقه ای پشت EMF مناسب است.

شکل موج ذوزنقه‌ای دارای یک ناحیه بالای صاف است که در آن چگالی شار تقریباً ثابت است و به سرعت در لبه‌های آهنربا تغییر می‌کند. برای موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) که با کموتاسیون شش مرحله‌ای هدایت می‌شوند، این دقیقاً شکل موجی است که می‌خواهید - با سوئیچینگ کموتاسیون همسو می‌شود و گشتاور نسبتاً نرمی را در سرعت کاری مورد نظر تولید می‌کند.

این مشکل در موتورهای PMSM سینوسی نشان می دهد که در آن الگوریتم کنترل یک EMF پشتی سینوسی را فرض می کند. قطعات قوس مغناطیسی شعاعی یک EMF پشتی با محتوای هارمونیک 5 و 7 قابل توجهی تولید می کنند - معمولاً 3-7٪ از پایه در روتورهای با طراحی خوب، به طور بالقوه بالاتر در روتورهایی با قطب های کم یا طول قوس کوتاه. این هارمونیک ها به صورت موج گشتاور در 6× فرکانس الکتریکی ظاهر می شوند. در 3000 RPM در یک موتور 8 قطبی (200 هرتز الکتریکی)، که موج گشتاور 1200 هرتز است. در یک ماشین ابزار دقیق یا یک اتصال رباتی که پهنای باند مکانیکی بالا است، در طیف خطای موقعیت قابل شنیدن و اندازه گیری است.

مغناطش شعاعی انتخاب مناسبی برای: موتورهای BLDC با کموتاسیون شش مرحله‌ای، موتورهایی که هزینه و قابلیت ساخت بر امواج گشتاور غالب است، و کاربردهایی که فرکانس الکتریکی به اندازه‌ای کم است که هارمونیک ۶× کمتر از رزونانس مکانیکی بار می‌افتد.

2. مغناطیس موازی: نزدیک به سینوسی بدون پیچیدگی

مغناطش موازی - که به دلیل اینکه خطوط میدان در داخل آهنربا چگونه به نظر می رسند، مغناطش "نان نان" نیز نامیده می شود - جهت مغناطش را موازی با یک محور ثابت به جای شعاعی از مرکز روتور تراز می کند. نتیجه یک توزیع چگالی شار در شکاف هوا است که به سینوسی نزدیکتر از حالت شعاعی است.

بهبود کمی اندک اما قابل اندازه گیری است. در یک روتور معمولی 8 قطبی روی سطح با قطعات قوس 150 درجه، جابجایی از مغناطش شعاعی به موازی مولفه EMF پشتی 5 هارمونیک را از تقریباً 5٪ به 2-3٪ از پایه کاهش می دهد. هارمونیک هفتم از تقریباً 3٪ به 1-1.5٪ کاهش می یابد. اعوجاج هارمونیک کل در شکل موج پشتی-EMF از 6-8٪ به 3-4٪ کاهش می یابد.

برای موتورهای PMSM سینوسی کنترل شده در محورهای CNC، اتصالات ربات مشترک، و درایوهای سروو که مشخصات امواج گشتاور کمتر از 2% گشتاور نامی است، مغناطش موازی ارزش هزینه کمی را دارد - معمولاً 8 تا 15 درصد بیش از شعاعی برای قطعات قوس سفارشی در حجم تولید.

محدودیت هندسی است: مغناطش موازی زمانی بهترین عملکرد را دارد که بخش قوس به یک زاویه نسبتاً کوچک متمایل شود. برای موتورهای با تعداد قطب بالا که بخش‌های قوس جداگانه 30 تا 45 درجه از محیط روتور را پوشش می‌دهند، بهبود نسبت به شعاعی قابل توجه است. برای موتورهای کم قطب که قطعات آن 60 درجه یا بیشتر را پوشش می دهند، چگالی شار در لبه های آهنربا به طور قابل توجهی از شکل سینوسی مورد نظر فاصله می گیرد و مزیت آن کاهش می یابد.

Flux density waveform comparison: radial vs parallel magnetization in arc segment motor magnets

3. آرایه های Halbach: عملکرد بالا با هزینه مهندسی واقعی

یک آرایه هالباخ آهنرباها را طوری مرتب می‌کند که بخش‌های مجاور دارای جهت‌های مغناطیسی چرخشی تدریجی باشند - شعاعی به سمت بیرون، مماس، سپس شعاعی به سمت داخل، سپس مماس در جهت مخالف - و شکل موجی تولید می‌کند که در یک طرف آرایه به شدت سینوسی و در طرف دیگر تقریباً صفر است. در روتور موتور، این بدان معنی است که تقریباً تمام شار در شکاف هوا متمرکز شده است و مقدار بسیار کمی از آهن پشتی نشت می کند.

مزایای عملکرد واقعی و قابل توجه است. در مقایسه با یک روتور مغناطیسی شعاعی معمولی، آرایه هالباخ تولید می کند:

15 تا 25 درصد چگالی شار اصلی شکاف هوا برای همان حجم آهنربا بیشتر است
Back-EMF THD زیر 1٪ در پیکربندی های خوب طراحی شده است
گشتاور نزدیک به سینوسی با ریپل گشتاور زیر 0.5% گشتاور نامی
کاهش ضخامت روتور پشت آهنی، روتورهای سبک تر را امکان پذیر می کند

اینها دلایلی هستند که آرایه‌های Halbach در موتورهای درایو مستقیم با کارایی بالا برای روبات‌های مشارکتی، درایوهای میز تصویربرداری پزشکی، هندلینگ دقیق نیمه‌رساناها و برخی کاربردهای پهپاد ظاهر می‌شوند.

هزینه مهندسی به همان اندازه واقعی است. یک آرایه هالباخ به حداقل چهار بخش آهنربا در هر قطب - و در عمل به شش یا هشت قطعه برای وفاداری سینوسی خوب - در مقایسه با یک قطعه در هر قطب برای شعاعی یا موازی نیاز دارد. هر بخش دارای جهت مغناطیسی متفاوت است، که به معنای وسایل شارژ متفاوت، هزینه قطعه قطعه بالاتر و مونتاژ پیچیده تر است. الزامات تحمل موقعیت سخت تر است: موقعیت زاویه ای هر بخش باید در ± 0.5 درجه نگه داشته شود تا از تخریب شکل موج شار جلوگیری شود. مونتاژ نیاز به جک ها و وسایل دقیقی دارد که در اندازه های موتور قابل تعویض نیستند.

در حجم های کوچک تولید - زیر 500 روتور در ماه - هزینه ابزار و مونتاژ برای آرایه هالباخ معمولاً 3 تا 5 برابر هزینه آهنربا یک روتور معمولی است. در حجم های بالا، حق بیمه به 1.5-2× کاهش می یابد. تصمیم صحیح بستگی به این دارد که آیا بهبود عملکرد آن هزینه را در مقیاس تولید و هدف عملکرد شما توجیه می کند یا خیر.

4. ماتریس انتخاب

نوع موتور / کاربرد	مغناطیس توصیه شده	دلیل کلیدی
BLDC با کموتاسیون شش مرحله ای (پنکه ها، پمپ ها، درایوهای اصلی)	شعاعی	کموتاسیون منطبق بر پشت-EMF ذوزنقه ای. شعاعی از نظر هزینه بهینه است
سروو PMSM، محور CNC، ربات صنعتی استاندارد	موازی	ریپل گشتاور را بدون مونتاژ پیچیده به 1-2٪ کاهش می دهد
سروو با دقت بالا (نیمه هادی، پزشکی، اپتیک)	موازی یا هالباخ (4 قطعه)	مشخصات موج گشتاور زیر 1% نیاز به شار سینوسی دارد
مشترک ربات، موتور گشتاور مستقیم	هالباخ (بخش 4-6)	چگالی گشتاور بالا و چسبندگی نزدیک به صفر در فرم فشرده
پیشرانه پهپاد، موتور شار محوری	هالباخ (بخش 6-8)	حداکثر گشتاور به وزن؛ حذف آهن پشتی طراحی روتور تخت را امکان پذیر می کند
موتور دستی ماهرانه بدون قاب	موازی یا هالباخ (4 قطعه)	نرمی گشتاور برای کنترل نیرو حیاتی است. فضا برای بخش 6+ Halbach بسیار محدود است

5. چه چیزی را باید با تامین کننده مگنت خود تأیید کنید

☐ جهت مغناطیسی را به صراحت روی نقشه مشخص کنید - "شعاعی"، "موازی" یا "Halbach با پیکربندی بخش N در هر قطب"
☐ برای مغناطش موازی: تأیید کنید که تامین کننده دستگاه شارژ صحیح را برای هندسه قوس شما دارد. یک فیکسچر طراحی شده برای زاویه قوس متفاوت هیبریدی تولید می کند که نه شعاعی است و نه به درستی موازی
☐ برای آرایه های Halbach: درخواست بردار جهت مغناطیسی برای هر موقعیت قطعه در مجموعه. قبل از اینکه به ابزارسازی بپردازید، از شبیه سازی موتور خود اطمینان حاصل کنید
☐ درخواست داده های نقشه برداری چگالی شار روی روتور نمونه: تامین کننده شار مغناطیسی را در موقعیت های تعریف شده در اطراف محیط روتور اندازه گیری می کند. این تأیید می کند که مغناطیسی مورد نظر به دست آمده است و داده های پایه را برای بازرسی ورودی ارائه می دهد
☐ فاصله کالیبراسیون دستگاه شارژ را تأیید کنید. تخریب فیکسچر رایج ترین منبع تغییر مغناطیسی در مراحل تولید است

HIMAGNET مغناطیس شعاعی، مغناطیسی موازی و قطعه قوس آرایه Halbach را برای کاربردهای موتور از نمونه های مهندسی در طول تولید تولید می کند. برای پشتیبانی از مشخصات مغناطیسی در طراحی موتور شما،با تیم مهندسی ما تماس بگیریدبا تعداد قطب، هندسه قطعه قوس، و هدف امواج گشتاور.