مغناطیس زدایی حرارتی مغناطیسی موتور: محدودیت های دما، محاسبه حاشیه ایمنی، و انتخاب درجه

مغناطیس زدایی حرارتی رایج ترین حالت شکست مغناطیسی است که هیچ کس برای آن برنامه ریزی نمی کند

بیشتر تحلیل های حرارتی موتور بر روی سیم پیچ تمرکز می کنند. تلفات مس محاسبه می‌شود، یک شبکه مقاومت حرارتی ساخته می‌شود و اگر دمای سیم‌پیچ کمتر از حد کلاس عایق بماند، طرح ایمن اعلام می‌شود. دمای آهنربا به عنوان یک خروجی ثانویه از همان مدل - معمولاً 10 تا 20 درجه زیر سیم پیچ - ذکر می شود و در برابر حداکثر دمای عملیاتی در برگه داده بررسی می شود. اگر کمتر از حد دیتاشیت باشد، تجزیه و تحلیل متوقف می شود.

این رویکرد دو چیز را از دست می دهد. اولاً، حداکثر دمای عملکرد آهنربا در برگه داده یک محدودیت ایمنی مغناطیس زدایی نیست - این دمایی است که فراتر از آن، خواص آهنربا حتی بدون میدان خارجی به طور دائمی کاهش می یابد. دوم، حتی در زیر آن دما، ترکیب دمای بالا و میدان واکنش آرمیچر در طول رویدادهای اوج گشتاور، خطر مغناطیس زدایی ایجاد می‌کند که نمی‌توان آن را به تنهایی از روی دمای حالت پایدار ارزیابی کرد. این مقاله روش محاسبه واقعی را پوشش می دهد.

1. چرا آهنرباهای موتوری داغتر از آنچه اکثر طراحان انتظار دارند کار می کنند؟

در یک موتور PM روی سطح، آهنرباها به روتور متصل می شوند و توسط شکاف هوا، آستر شکاف، آهن دندانه و محفظه از مس سیم پیچ جدا می شوند. در نگاه اول آنها به خوبی از منبع حرارت اولیه جدا شده اند. در عمل، روتور از دو منبع گرم می شود: تلفات جریان گردابی در خود آهنرباها (که در آهنرباهای قطعه بندی شده با هارمونیک های شکاف بالا قابل توجه است) و گرمای هدایت شده از استاتور از طریق تشعشع و همرفت در سراسر شکاف هوا.

تلفات جریان گردابی در آهنرباهای جامد NdFeB با مربع دامنه هارمونیک چگالی شار و با مربع فرکانس مقیاس می شود. در یک موتور 6 قطبی با سرعت 3000 دور در دقیقه با سیم پیچ متمرکز (محتوای هارمونیک بالا)، تلفات جریان گردابی در آهنرباها می تواند به 15 تا 30 درصد از تلفات کل روتور برسد. این یک اصلاح جزئی نیست. در یک موتور 500 وات، 10 وات جریان گردابی مغناطیسی با مقاومت حرارتی 3 درجه بر وات بین آهنربا و محیط، 30 درجه افزایش دمای آهنربای اضافی بالاتر از آهن رتور ایجاد می کند. همراه با گرمای هدایت شده از استاتور، دمای آهنربا در موتورهای سیم پیچ متمرکز با بارگذاری پیوسته به طور منظم از دمای سیم پیچ به جای اینکه کمتر از آن باشد، 5 تا 15 درجه بیشتر می شود.

مسیر حرارتی مهم است. در یک موتور شار محوری با پیکربندی دو روتور، آهنرباها روی سطوح بیرونی دیسک‌های روتور قرار دارند - آنها خنک‌کننده همرفتی عالی در اکثر هندسه‌ها دارند و خنک‌تر از استاتور کار می‌کنند. در یک موتور شار شعاعی با شکاف عمیق با پشته بلند و خنک کننده محدود در انتها، گرادیان دمای آهنربا در طول محوری می تواند از انتهای به مرکز به 20 درجه برسد. داغ ترین نقطه در آهنربا برای حسگرهای حرارتی تعبیه شده در استاتور قابل مشاهده نیست و این داغ ترین نقطه است که حاشیه مغناطیس زدایی را تعیین می کند.

2. محاسبه صحیح ایمنی مغناطیس زدایی

حاشیه ایمنی مغناطیس زدایی دارای دو جزء است: حاشیه حرارتی (فاصله از دمای کار تا دمایی که زانو از میدان عمل عبور می کند) و حاشیه میدان (فاصله میدان مغناطیسی زدایی واکنش آرمیچر تا زانو در دمای کار). هر دو باید محاسبه شود.

با تجزیه و تحلیل خط بار از هندسه مدار مغناطیسی (که در مقاله قبلی این مجموعه پوشش داده شد) شروع کنید. این نقطه عملیاتی (Bop، Hop) را در غیاب واکنش آرمیچر می دهد. برای یک موتور شار شعاعی با طراحی خوب با PC=6، هاپ تقریباً -Br/PC ≈ -0.22 T / μ₀ ≈ -175 kA/m است. این نقطه عملیاتی در دمای محیط و بدون بار است.

فیلد واکنش آرمیچر را اضافه کنید. در اوج جریان (معمولاً 3× پیوسته در یک درایو سروو)، میدان مغناطیسی زدایی در سطح آهنربا Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm است)، که در آن Id جزء جریان محور d و Ld اندوکتانس محور d است. برای یک سروو موتور معمولی با پیک 10A و Ld=2mH، میدان واکنش آرمیچر در سطح آهنربا بسته به هندسه موتور می‌تواند به 200-400 کیلو آمپر در متر برسد. مجموع میدان مغناطیسی زدایی مجموع است: −175 + (-300)=−475 kA/m در این مثال.

اکنون وضعیت زانو را در دمای عملکرد آهنربا بررسی کنید. برای N45 (Hcj=1380 kA/m در 20 درجه، ضریب دما -0.55%/ درجه)، در 120 درجه Hcj تقریباً به 1380 × (1 − 0.55% × 100)=621 kA/m کاهش می‌یابد. زانوی منحنی مغناطیس زدایی برای N45 در 120 درجه تقریباً در 0.5 × Hcj=310 kA/m در جهت مغناطیس زدایی رخ می دهد. میدان کل -475 کیلو آمپر بر متر از میدان زانو -310 کیلو آمپر بر متر بیشتر است. این طراحی در طول رویدادهای اوج گشتاور در دمای عملیاتی، مغناطیس زدایی غیرقابل برگشت جزئی را تجربه خواهد کرد. محاسبه حالت شکست را قبل از اینکه در آزمایش ظاهر شود نشان می دهد.

راه حل همیشه ارتقاء درجه نیست. در این مثال، گزینه ها عبارتند از: (1) ارتقاء به N45H (Hcj ≈ 2000 kA/m در 20 درجه، زانو در 120 درجه ≈ 650 kA/m - ایمن). (2) افزایش PC با کاهش شکاف هوا، که Hop را به 0 نزدیکتر می کند و حساسیت به واکنش آرمیچر را کاهش می دهد. (3) کاهش حداکثر جریان از طریق محدود کردن جریان در درایو. یا (4) مشخصات عملیاتی را بپذیرید و از آهنربای درجه پایین تر با ضریب دمایی برگشت پذیر بهتر استفاده کنید. گزینه های 2-4 به آهنرباهای گران تری نیاز ندارند. گزینه 1 ساده ترین گزینه است اما همیشه ارزان ترین نیست.

3. تخمین دمای آهنربا بدون FEA

در مراحل اولیه طراحی، FEA حرارتی کامل همیشه در دسترس نیست. یک شبکه حرارتی با پارامتر یکپارچه ساده شده دقت کافی را برای تصمیم گیری های اولیه می دهد.

برای یک موتور شار شعاعی، مسیر مقاومت حرارتی از آهن‌ربا به محیط را به‌عنوان سه عنصر سری مدل‌سازی کنید: مقاومت حرارتی آهنربا به روتور-آهن (R1=Lm / (km × Am)، معمولاً 0.3-0.8 درجه / W بسته به ضخامت لایه چسب و رسانایی). روتور-آهن به شفت (R2، به هندسه روتور بستگی دارد، معمولاً 0.5-2 درجه / W برای روتور فولادی جامد). و شفت به محیط از طریق بلبرینگ و مسیر محفظه (R3، معمولاً 1-5 درجه / W بسته به روش خنک کننده). برای سهم انتقال حرارت استاتور، مقاومت حرارتی شکاف هوا را اضافه کنید (R_gap ≈ Lg / (k_air × Ag) + تصحیح برای همرفت، معمولاً 0.1-0.5 درجه / W برای یک شکاف 0.5 میلی متری).

با یک شبکه ساده شده، افزایش دمای آهنربا از محیط تقریباً برابر است:

ΔT_magnet=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_stator × (R_gap + R2 + R3) / (R_stator_total)

برای سروو موتور 1 کیلوواتی براشلس با: P_eddy=5W, R1=0.5 درجه /W, R2=1 درجه /W, R3=3 درجه /W; P_stator=80W، R_stator_to_ambient=0.8 درجه /W، R_gap=0.3 درجه /W. افزایش دمای آهنربا بالاتر از محیط تقریباً 5 × 4.5 + 80 × 4.3/0.8 ≈ 22.5 + 430=نادرست است - عبارت P_stator به این صورت کار نمی کند زیرا گرمای استاتور عمدتاً از داخل محفظه خارج می شود، نه از شکاف به آهنربا.

روش ساده شده اصلاح شده: افزایش دمای آهنربا به دلیل گرمای استاتور تقریباً P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap است که در دمای سیم پیچ استاتور منهای یک افت حرارتی شکاف ثابت محدود شده است. برای اکثر طراحی‌های موتور با خنک‌کاری اجباری، دمای آهنربا دمای استاتور منهای 10 تا 25 درجه است که دلیل آن جداسازی شکاف هوا است. برای طرح‌هایی که به صورت غیرفعال خنک می‌شوند، جداسازی شکاف مؤثرتر است و تفاوت به ۵ تا ۱۰ درجه کاهش می‌یابد. اگر سیم پیچ استاتور در 155 درجه باشد (محدودیت کلاس F)، آهنربا در 130-145 درجه است - که N45 را وارد منطقه خطر محاسبه شده در بالا می کند. به همین دلیل است که موتورهای عایق کلاس F با آهنرباهای N45 یک مشکل قابلیت اطمینان هستند که در انتظار وقوع در کاربردهای با جریان بالا هستند.

4. منطق انتخاب درجه بر اساس حداکثر دمای آهنربا

با تخمین دمای پیک آهنربا، انتخاب درجه به جای جستجوی جدول، به یک تصمیم مهندسی مستقیم تبدیل می شود.

دمای آهنربا زیر 80 درجه: درجه های استاندارد (N35-N52) مناسب هستند. حاشیه Hcj تا زانو در 80 درجه برای اکثر کاربردهای موتور با جریان پیک زیر 3× پیوسته کافی است.

درجه حرارت آهنربای اوج 80 تا 120 درجه: نمرات H (N35H-N52H) خط پایه برای هر چیزی با حداکثر جریان بالای 2× سیم پیچ پیوسته یا متمرکز (محتوای هارمونیک بالا) است. برای سیم پیچ های توزیع شده با جریان پیک کمتر از 2× مداوم، درجات استاندارد با حاشیه خط بار تایید شده قابل قبول است.

120-150 درجه پیک دمای آهنربا: نمرات SH (N35SH-N48SH) برای کاربردهای با جریان بالا مورد نیاز است. Hcj برای N42SH تقریباً 2400 kA/m در 20 درجه است که موقعیت زانو را در 150 درجه تقریباً 550 kA/m می دهد - دو برابر درجه استاندارد N42 در همان دما. برای سیم‌پیچ‌های توزیع‌شده با محدودیت‌های اوج جریان محافظه‌کارانه، درجات H همچنان ممکن است در انتهای پایین این محدوده کافی باشد.

بیش از 150 درجه اوج دمای آهنربا: نمرات EH یا AH (N35EH-N38EH) برای NdFeB، یا انتقال به SmCo درجه 26-28. گریدهای NdFeB EH Hcj بالاتر از 3000 kA/m را در 20 درجه ارائه می‌کنند، اما Br به محدوده 1.08-1.18 T محدود می‌شود. برای کاربردهایی که چگالی گشتاور بیشتر از مقاومت حرارتی مهم است (درایوهای کمپرسور پرسرعت، موتورهای هوافضا)، SmCo در دمای اوج 150 تا 200 درجه معمولاً با وجود قیمت بالای 4 تا 6 برابر، انتخاب صحیح مواد است.

یک اشتباه رایج: تعیین درجه EH برای طراحی موتوری که فقط به H نیاز دارد زیرا یکی از اعضای تیم "ایمن است". نمرات EH تقریباً 25 تا 35٪ بیشتر از نمرات H برای Br معادل هزینه دارند و Br آنها برای همان عدد درجه کمتر است. اگر محاسبه دمای پیک آهنربا 130 درجه را نشان دهد، N45H مشخصات صحیح است - نه N40EH.

5. بررسی حاشیه حرارتی پس از تولید

محاسبه یک هدف طراحی می دهد. تأیید به داده های آزمایشی نیاز دارد.

آزمایش استاندارد برای تأیید حاشیه مغناطیس زدایی، آزمایش جریان اتصال کوتاه در دمای بالا است. موتور تا دمای عملیاتی مورد نظر گرم می شود، سپس یک اتصال کوتاه کنترل شده برای تولید میدان مغناطیسی زدایی واکنش آرمیچر اوج اعمال می شود. Back-EMF قبل و بعد اندازه گیری می شود. اگر EMF پس از آزمایش در 1٪ از مقدار پیش آزمون باشد، آهنرباها بدون مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر زنده ماندند. افت بیش از 2% نشان دهنده مغناطیس زدایی جزئی رخ داده است.

برای پذیرش تولید، اجرای این آزمایش بر روی هر موتور گران است. درعوض، تامین‌کنندگان معمولاً ویژگی‌های مغناطیسی سطح دسته را تأیید می‌کنند: یکنواختی Br در ± 1.5٪ در یک دسته (یکنواختی دسته‌ای برای ثبات حاشیه مغناطیس‌زدایی مهم است)، Hcj بالاتر از حداقل مشخصات (معمولاً 10٪ بالاتر از حداقل مورد نیاز برای حاشیه)، و یکنواختی مغناطیسی از طریق هال اسکن. اینها تأیید می کنند که آهنرباهای تحویل داده شده به تولید دارای خواصی هستند که در محاسبه طراحی در نظر گرفته شده است.

HIMAGNET منحنی های مغناطیس زدایی کامل را در دماهای کاربردی ارائه می دهد و می تواند تجزیه و تحلیل خط بار شما را در برابر مقادیر اندازه گیری Hcj خاص دسته ای قبل از ارسال ارجاع دهد. برای طرح‌های موتور با حاشیه‌های حرارتی تنگ - عایق کلاس F، نسبت گشتاور پیک به پیوسته بالای 3×، یا محیط‌های عملیاتی بالاتر از 60 درجه محیط - هنگام ثبت سفارش، گواهی دسته‌ای درجه حرارت بالا (Hcj در مقادیر اندازه‌گیری شده 100 درجه و 120 درجه، نه اسمی) را درخواست کنید.