SmCo در مقابل NdFeB در کاربردهای موتور: هنگامی که سوئیچ توجیه می شود
نسخه کوتاه: NdFeB انتخاب مناسبی برای اکثر موتورها است و SmCo انتخاب مناسبی برای زیرمجموعه خاصی از کاربردها است که در آن دما یا محیط باعث می شود NdFeB غیرعملی باشد. مشکل این است که مرز بین این دو دسته در بیشتر مکالمات مهندسی مبهم است. مهندسان گاهی اوقات زمانی که N45EH کار می کرد SmCo را به دلایل حرارتی مشخص می کنند و گاهی اوقات زمانی که شرایط عملیاتی به وضوح SmCo را می طلبد، N45EH را مشخص می کنند. هیچ یک از این دو اشتباه رایگان نیست.
این مقاله معیارهای سوئیچینگ بتن - نه دستورالعمل های کلی، بلکه اعداد خاص - را برای رایج ترین سناریوهای کاربردی موتور که در آن انتقال NdFeB به SmCo مطرح می شود، ارائه می دهد.
1. معامله اصلی عملکرد
NdFeB و SmCo هر دو میدان‌های مغناطیسی دائمی با انرژی بالا تولید می‌کنند، اما خواص مواد آنها در دمای بالا به روش‌هایی که برای طراحی موتور مهم است، متفاوت است.
NdFeB (سینتر شده، درجه N): Br از 1.08 T (N35) تا 1.46 T (N52) در دمای اتاق متغیر است. ضریب دمای Br تقریباً 0.11- تا 0.13-٪ در درجه است - بنابراین یک آهنربای N45 در 150 درجه Br تقریباً 1.25 T به جای دمای اتاق 1.34 T دارد که 7٪ کاهش دارد. ضریب دمایی Hcj 0.55- تا -0.60٪/درجه است که عدد بحرانی است: یک N45 با Hcj=1380 kA/m در 20 درجه دارای Hcj ≈ 620 kA/m در 150 درجه است. زانو تا حدود 310 کیلو آمپر بر متر میدان مغناطیس زدایی کاهش می یابد - به این معنی که آهنربا در دمای بالا تحت واکنش آرمیچر نسبتا آسان است.
SmCo درجه 26 (Sm2Co17): Br تقریباً 1.02-1.05 T در دمای اتاق. ضریب دمای Br -0.030- تا -0.035٪ / درجه - تقریباً 3× بهتر از NdFeB. در 200 درجه، Br تقریباً 0.99 T است، به سختی تغییر کرده است. ضریب دمای Hcj -0.20 تا -0.25٪ / درجه. SmCo Grade 26 با Hcj=1500 kA/m در 20 درجه تقریباً 1000 kA/m را در 200 درجه حفظ می‌کند. زانو در 200 درجه حدود 500 کیلو آمپر بر متر است - هنوز مقاومت مغناطیس زدایی قابل توجهی در واکنش آرمیچر ارائه می دهد.
معامله واضح است: در دمای اتاق، N45 از SmCo Gr26 تقریباً 30٪ در Br عملکرد بهتری دارد. در 150 درجه، شکاف به 15٪ کاهش می یابد. بالاتر از 200 درجه، SmCo آهنربای قوی تری نیز توسط Br است. حق بیمه قیمت برای SmCo 4-6× در هر کیلوگرم برای حجم معادل است.
2. معیارهای سوئیچینگ مبتنی بر دما
تصمیم سوئیچینگ مربوط به ترکیب خاصی از حداکثر دمای آهنربا و میدان مغناطیسی زدایی اوج است، نه در آستانه دمای دلخواه. اما برای تصمیم گیری های عملی گذر اول، این معیارها بیشتر کاربردهای موتور را پوشش می دهند:
دمای آهنربا زیر 120 درجه:درجه NdFeB H یا SH تقریبا همیشه انتخاب صحیحی است. SmCo هیچ مزیت عملکردی در این دماها ندارد که حق بیمه هزینه را توجیه کند. تنها استثنا محیط‌های خورنده (موتورهای دریایی، محرک‌های فرآیند شیمیایی) است که آسیب‌پذیری پوشش NdFeB بیش از خواص حرارتی اهمیت دارد.
حداکثر دمای آهنربا 120 تا 150 درجه:این منطقه مورد مناقشه است. برای موتورهای سیم پیچ توزیع شده با نسبت گشتاور پیک به پیوسته زیر 3×، N45SH یا N42SH کافی است و 60 تا 70 درصد کمتر از SmCo هزینه دارد. برای موتورهای سیم پیچ متمرکز با نسبت گشتاور اوج بالای 4×، یا برای طراحی موتور با PC کمتر از 4 (آهنربای نازک در شکاف های هوای بزرگ)، SmCo شروع به منطقی مهندسی می کند زیرا محاسبه حاشیه Hcj برای NdFeB حتی با درجه های SH شروع به شکست می کند.
حداکثر دمای آهنربا 150-200 درجه:SmCo انتخاب صحیح مواد برای اکثر برنامه ها است. گریدهای NdFeB EH (Hcj > 3000 kA/m در 20 درجه) گاهی اوقات می‌توانند در این محدوده برای طرح‌های با واکنش کم آرمیچر کشیده شوند، اما شما قیمت‌های EH (تقریباً 2× درجه H) را برای آهنربایی می‌پردازید که هنوز نزدیک به محدودیت‌های خود کار می‌کند. SmCo Gr26 در 200 درجه، 95 درصد از دمای اتاق Br خود را حفظ می کند و Hcj سه برابر بیشتر از N45EH در همان دما دارد. تفاوت هزینه در 150-200 درجه بسیار کمتر از آنچه در دمای اتاق به نظر می رسد تعیین کننده است، زیرا گزینه NdFeB به گران ترین درجه های EH نیاز دارد.
بالای 200 درجه:فقط SmCo حداکثر دمای عملیاتی پیوسته NdFeB برای گریدهای EH 200 درجه است و این با حداقل واکنش آرمیچر است. برای موتورهای کمکی توربین، موتورهای حفاری پایین چاه و درایوهای صنعتی با دمای بالا که عملکرد پایدار 200 تا 250 درجه دارند، SmCo Gr28-30 تنها گزینه عملی از دسته خاک‌های کمیاب متخلخل است.
3. نقاط سوئیچینگ خاص برنامه
دما عامل اصلی است، اما این تنها عامل نیست. این برنامه های خاص نیاز به بررسی بیشتری دارند:
درایوهای موتور هوافضا (محرک، پمپ سوخت، فن ECS):محرک اصلی اغلب دما نیست، بلکه سختی تشعشع و نیازهای خروج گاز است. پوشش‌های NdFeB (Ni-Cu-Ni، اپوکسی) می‌توانند در خلاء از گاز خارج شوند و مقاومت تابشی محدودی دارند. SmCo هیچ اجزای آلی ندارد و گاز خروجی بسیار کمتری دارد - TML اندازه گیری شده (تلفات جرم کل) برای SmCo درجه خلاء کمتر از 0.1٪ است در مقابل 0.3-0.8٪ برای NdFeB پوشش داده شده با اپوکسی. برای صلاحیت ناسا یا ESA، SmCo استاندارد است نه به دلیل دما، بلکه به دلیل سازگاری با محیط فضایی.
موتورهای پرسرعت (بیش از 50000 دور در دقیقه):در سرعت های بسیار بالا، تنش گریز از مرکز در ساختار آهنربای روتور به عامل محدود کننده تبدیل می شود. SmCo استحکام فشاری کمی بالاتر از NdFeB دارد (تقریباً 1100 مگاپاسکال در مقابل مقاومت فشاری 900 مگاپاسکال)، اما عامل مهمتر این است که موتورهای پرسرعت با آهنرباهای سطحی معمولاً از فیبر کربن یا غلاف نگهدارنده Inconel استفاده می کنند که بار گریز از مرکز را می بیند. در 100000 دور در دقیقه با روتور شعاع 10 میلی متر، سرعت سطح آهنربا 100 متر بر ثانیه است و تنش آستین محدودیت طراحی است - خواص مواد آهنربا ثانویه است. مزیت SmCo در اینجا مقاومت در برابر خوردگی در محیط جریان گردابی با فرکانس بالا است، نه مقاومت مکانیکی.
موتورهای فرآیند صنعتی در محیط های خورنده:NdFeB در محیط هایی با رطوبت بالای 85% RH همراه با آلودگی یونی (نمک اسپری، کلر، غبار اسیدی) به سرعت خورده می شود. پوشش Ni-Cu-Ni حفاظت کافی را برای محیط های صنعتی استاندارد (IP54-IP65) فراهم می کند، اما در محیط های دریایی یا شیمیایی در عرض 2 تا 5 سال از بین می رود. SmCo ذاتاً در برابر خوردگی مقاوم است - برای موتورهای IP67 درجه دریایی نیازی به پوشش نیست. اگر موتور به صورت اپوکسی آب بندی شده باشد یا روتور به طور جداگانه آب بندی شده باشد، NdFeB می تواند در این محیط ها با کپسولاسیون کافی کار کند، اما SmCo خطر طراحی را حذف می کند.
موتورهای با عمر طولانی با چرخه دما:چرخه حرارتی مکرر از شروع سرد تا دمای عملیاتی باعث ایجاد انبساط حرارتی متفاوت بین آهنربا و چسب پیوند می شود. NdFeB دارای ضریب انبساط حرارتی تقریباً 5-8 × 10-6 / درجه است (بسته به جهت مغناطیسی). SmCo تقریباً 10-12 × 10-6/ درجه دارد - در واقع بالاتر از NdFeB. این بدان معناست که SmCo ذاتاً برای چرخه حرارتی بهتر نیست. انتخاب چسب پیوند و هندسه آهنربا بر عمر خستگی در هر دو مورد غالب است.
4. آنچه SmCo رفع نمی کند
SmCo گاهی اوقات به عنوان راه حلی برای مشکلاتی که حل نمی کند مشخص می شود:
تلفات جریان گردابی:مقاومت الکتریکی SmCo (تقریباً 0.8-1.0 μΩ·m) مشابه NdFeB است (تقریباً 1.4-1.6 μΩ·m). SmCo برای کاهش تلفات جریان گردابی در محیط های میدان فرکانس بالا به طور قابل توجهی بهتر نیست. تقسیم بندی آهنربا (برش در جهت محوری یا محیطی) راه حل صحیح برای هر دو ماده است.
گشتاور گیره:گشتاور گیره با شکل قطب آهنربا، هندسه شکاف، و برهمکنش آنها - نه مواد آهنربا - تعیین می شود. SmCo با همان هندسه گشتاور گیره را نسبت به NdFeB کاهش نمی دهد. چوله آهنربایی، شیار شیار یا سیم پیچ شکاف کسری ابزارهای صحیحی هستند.
کاهش هزینه زمانی که EH از قبل مورد نیاز است: When the operating conditions require NdFeB EH grade, some engineers switch to SmCo expecting a lower cost. In volume (>500 قطعه)، NdFeB EH معمولاً 30 تا 50٪ ارزان تر از SmCo Gr26 برای محصول انرژی معادل است. SmCo به دلایل مهندسی بالاتر از یک آستانه دما منطقی است - نه به عنوان یک استراتژی کاهش هزینه زمانی که درجه های EH از قبل با قیمت SmCo برابر است.
5. پروتکل انتقال عملی برای طراحی موتور
هنگامی که طراحی موتور برای SmCo در مقابل NdFeB ارزیابی می شود، ترتیب تصمیم گیری باید به صورت زیر باشد:
مرحله 1: محاسبه دمای پیک آهنربا همانطور که در مقاله قبلی توضیح داده شد (ترکیب هدایت حرارتی استاتور و خود گرمایش آهنربا). اگر زیر 120 درجه با حاشیه درجه SH، توقف کنید - NdFeB SH پاسخ است.
مرحله 2: اگر 120-180 درجه است، حاشیه ایمنی مغناطیس زدایی را برای N45SH و N42EH به طور خاص محاسبه کنید. اگر هر دو حاشیه کافی (ترکیب میدان واکنش حرارتی + آرمیچر زیر زانو 20٪ یا بیشتر) را فراهم کنند، N45SH پاسخ است.
مرحله 3: اگر درجه EH مورد نیاز است اما دمای اوج زیر 160 درجه است، قیمت فعلی را برای N40EH و SmCo Gr26 برای هندسه خاص دریافت کنید. در این محدوده دما، تفاوت هزینه اغلب 15-25٪ به نفع NdFeB برای اندازه های استاندارد است. بالاتر از 160 درجه، قیمت گذاری SmCo Gr26 را درخواست کنید - با افزایش دما، نقطه متقاطع هزینه به طور مداوم در جهت SmCo حرکت می کند.
مرحله 4: صرف نظر از دما، SmCo را مشخص کنید اگر برنامه دارای رتبه خلاء هوافضا، غوطه وری پایدار در دریا بدون کپسوله شدن کامل اپوکسی یا عملیات مداوم بالای 200 درجه باشد.
HIMAGNET هم NdFeB (استاندارد تا درجات EH) و هم SmCo (Gr18 تا Gr32) را تامین می کند و می تواند داده های عملکرد را در دمای برنامه برای مقایسه مستقیم در محاسبات خط بار شما ارائه دهد. اگر طراحی موتوری دارید که در محدوده دمایی 130 تا 160 درجه پیک مغناطیسی قرار دارد و مطمئن نیستید که کدام ماده قابل توجیه است، مشخصات عملیاتی را برای ما ارسال کنید و ما به جای پیشنهادی بر اساس قیمت، محاسبه را ارائه خواهیم داد.
