Kodėl ašiniams srauto varikliams reikia skirtingų magnetų
Ašiniai srauto varikliai, dar vadinami blynų varikliais arba diskiniais varikliais, nukreipia savo magnetinį srautą lygiagrečiai sukimosi ašiai, o ne radialiai į išorę nuo jos. Oro tarpas yra plokščias diskas, o ne cilindrinis žiedas. Ši geometrija sukuria didesnį sukimo momento tankį tūrio vienetui nei radialinio srauto konstrukcijos, todėl ašiniai srauto varikliai atsiranda EV traukos pavarose, vėjo generatoriuose, tiesioginės pavaros skalbimo mašinose ir vis dažniau robotikoje, kur trumpas plokščias variklis tinka geriau nei ilgas cilindrinis.
Magnetinės grandinės geometrijos skirtumas nėra tik formos pasikeitimas – keičiasi, kokia magneto geometrija reikalinga, kaip nurodoma įmagnetinimo kryptis ir kokie gedimo režimai veikiami magnetų. Inžinieriai, kurie nurodo magnetus iš radialinio srauto variklio patirties ir taiko tą pačią logiką ašinio srauto konstrukcijoms, paprastai susiduria su problemomis pirmajame prototipe: magnetai, kurie yra geometriškai teisingi, bet įmagnetinti neteisinga kryptimi, arba konstrukcijos, kuriose nebuvo atsižvelgta į srauto koncentracijos koeficientą ir magnetai prisotina statoriaus geležį esant dalinei apkrovai.
1. Sektoriaus magneto geometrijos problema
Radialinio srauto variklyje magnetai yra lanko segmentai – lenktos plytelės, kurios apgaubia cilindrinį rotoriaus paviršių. Magneto plotis, lanko kampas ir radialinis storis yra pagrindiniai matmenys, jie tiesiogiai priklauso nuo polių skaičiaus ir rotoriaus skersmens.
Ašinio srauto variklyje magnetai yra sektoriaus formos – gabalėlių gabalėliai, dengiantys dalį plokščio rotoriaus disko paviršiaus. Sektoriaus kampas lygus 360 laipsnių, padalintas iš polių skaičiaus (visos aprėpties konstrukcijai). 16 polių variklis naudoja 16 sektorių magnetų, kurių kiekvienas dengia 22,5 laipsnio. Kritinė geometrinė komplikacija yra ta, kad magneto plotis skiriasi nuo vidinio spindulio iki išorinio spindulio: kiekvieno sektoriaus vidinis kraštas yra siauresnis nei išorinis. Tai yra priešinga pastoviam skerspjūviui ir sukuria dvi problemas.
Pirma, srauto tankis oro tarpelyje nėra vienodas visame magneto spindulyje. Išorinė magneto dalis sukuria daugiau srauto ploto vienetui nei vidinė dalis tuo pačiu įmagnetinimo lygiu, nes išorinis lankas yra ilgesnis ir užima didesnį plotą. Gerai suprojektuotame ašinio srauto variklyje šis netolygumas valdomas taikant statoriaus apvijos žingsnį ir plyšio geometriją, tačiau magneto tiekėjas turi žinoti vidinio ir išorinio spindulio santykį ir polių lanko dalį, kad nurodytų teisingą geometriją.
Antra, pjaustant sektoriaus formas iš sukepinto NdFeB bloko susidaro daug medžiagų atliekų, palyginti su lanko segmentais. NdFeB blokas, suteikiantis dvylika 30 laipsnių lanko segmentų radialiniam varikliui, duos mažiau naudojamų sektorių ašiniam varikliui, kurio rotoriaus skersmuo yra toks pat, nes sektoriaus kampai ir pločio kitimas sumažina našumą. Tikėtis 20–35 % didesnių medžiagų sąnaudų vienam varikliui ašinio srauto sektoriaus magnetams, palyginti su lygiaverčiais radialinio srauto lanko magnetais su tos pačios klasės ir dangos.
2. Įmagnetinimo kryptis: ašinė, o ne radialinė
Tai vienintelė dažniausiai pasitaikanti specifikacijos klaida inžinieriams, pereinantiems nuo radialinio prie ašinio srauto projektų. Radialiniame srauto variklyje magnetai įmagnetinami radialiai – šiaurinis ir pietinis poliai yra vidiniame ir išoriniame išlenktame paviršiuje. Ašinio srauto variklyje magnetai įmagnetinami ašine kryptimi – šiaurinis ir pietinis poliai yra plokščiuose viršutiniuose ir apatiniuose paviršiuose, orientuoti lygiagrečiai variklio velenui.
Nurodant ašinio srauto sektoriaus magneto radialinį įmagnetinimą, gaunamas geometriškai teisingas, bet magnetiniu požiūriu nenaudingas magnetas – srautas išeina per išlenktus kraštus, o ne per plokščius paviršius, kur yra oro tarpas. Ši klaida ne visada pastebima atliekant patikrinimą, nes magneto matmenys yra teisingi; pirmą kartą paleidus variklį, jis rodomas kaip beveik nulinis atgalinis EMF.
Ašinių srauto variklių su Halbach masyvo rotoriaus konfigūracija – vis dažniau pasitaikančios didelio efektyvumo konstrukcijose – įmagnetinimo kryptis sukasi aplink rotoriaus diską 45 laipsnių arba 90 laipsnių žingsniais. Specifikacijoje turi būti aiškiai nurodytas kiekvienos magneto padėties įmagnetinimo kampas, o surinkimo brėžinyje turi būti pažymėta kiekvienos detalės orientacija. Tam nėra standartinio sutrumpinimo; pirkimo specifikacijoje reikalingas kiekvienos pozicijos įmagnetinimo žemėlapis.
3. Vieno rotoriaus ir dviejų rotorių statoriaus konfigūracijos
Ašiniai srauto varikliai būna trijų pagrindinių mechaninių konfigūracijų: vieno rotoriaus su vienu statoriumi (SRSF), dvigubu rotoriumi su vienu statoriumi (TORUS arba YASA tipo) ir vieno rotoriaus su dvigubu statoriumi. Šių konfigūracijų magneto specifikacijos skiriasi.
TORUS/YASA konfigūracijose – kai du rotoriaus diskai yra šalia vieno centrinio statoriaus be šerdies – kiekviename rotoriaus diske yra magnetai, o du diskai yra sumontuoti priešingo poliškumo, todėl srauto kelias užsidaro per statoriaus apviją be plieninės šerdies. Tai reiškia, kad kiekvieno rotoriaus disko magnetai turi traukti į priešingą diską per statoriaus tarpą, o surinkimo seka turi išlaikyti šį trauką montuojant (jėga tarp dviejų priešingų rotoriaus diskų per 10 mm oro tarpą tipiškame 200 mm skersmens TORUS variklyje yra 500–1500 N – užtenka rimtai sužaloti ranką, jei mazgas sugenda).
TORUS varikliams be šerdies, magnetams turi būti taikomas mažesnis liekanos paklaidos (± 2 %, palyginti su standartiniu ± 5 %), nes nėra geležies, kuri prisotintų ir vidutiniškai išlygintų nedidelius srauto netolygumus. Atgalinės EMF bangos forma yra tiesiogiai proporcinga vietiniam srauto tankio pasiskirstymui, todėl magnetų ir magnetų kitimas tiesiogiai virsta sukimo momento bangavimu. Šis griežtesnis tolerancijos reikalavimas paprastai padidina magneto kainą 15–25%.
4. Ašinio srauto pritaikymo laipsnio pasirinkimas
Ašinio srauto variklių šiluminė aplinka skiriasi nuo radialinio srauto. Plokščias diskas turi geresnį paviršiaus ir tūrio santykį, o daugelyje konstrukcijų magnetai yra arčiau išorinio perimetro, kur konvekcinis arba laidus aušinimas yra efektyvesnis. Ašinių srauto variklių, naudojamų tiesioginės pavaros traukos ir generatorių, veikimo magneto temperatūra paprastai yra 60–100 laipsnių – žemesnė nei 100–150 laipsnių didelės spartos radialinio srauto servovarikliuose.
Tai reiškia, kad prievartos reikalavimai dažnai yra ne tokie griežti, nei tikėtasi. Daugumai elektromobilių ratų variklių ir vėjo generatorių N42H (120 laipsnių nominalioji vertė) yra tinkama klasė. N42SH (150 laipsnių) reikalingas retai, nebent variklis yra aukštos aplinkos temperatūros aplinkoje ir ribotas aušinimas. Gerai aušinamam ašiniam srauto varikliui nurodant N42SH arba aukštesnįjį magneto sąnaudas padidėja 8–12 %, o našumas darbinėje temperatūroje nepagerėja.
Išimtis yra greitaeigiai ašiniai srauto varikliai – suklio pavaros, smagračio energijos kaupimo rotoriai – kur dominuojantis konstrukcijos apribojimas yra diskinių magnetų išcentrinis įtempis. Esant 10, 000+ RPM, išorinio spindulio sektoriaus magnetų radialinis įtempis gali priartėti prie sukepinto NdFeB tempimo stiprio ribos (maždaug 80 MPa). Šioms programoms reikalinga baigtinių rotoriaus disko įtempių analizė, o kai kuriais atvejais reikia modifikuoti magneto geometriją (pridėti vidinio spindulio nuožulnų, kad būtų sumažinta įtempių koncentracija) arba pereiti prie surištų NdFeB arba SmCo, kurių tempimo savybės yra geresnės mažesnės BHmax kaina.
5. Ašinio srauto sektoriaus magnetų pirkimų kontrolinis sąrašas
Į standartines radialinio srauto magnetų pirkimo specifikacijas reikia šių ašinio srauto sektoriaus magnetų papildymų:
Geometrija: nurodykite vidinį spindulį (Ri), išorinį spindulį (Ro), sektoriaus kampą (laipsnis) ir plokščio paviršiaus storį. Aiškiai įtraukite Ri/Ro santykį – jis nustato derlingumo apskaičiavimą ir srauto pasiskirstymo vienodumą.
Įmagnetinimo kryptis: standartinėms konstrukcijoms nurodykite ašinį (storį). Halbach masyvo rotoriams pateikite kiekvienos padėties įmagnetinimo žemėlapio brėžinį.
Tolerancija išliekamumui: standartinis ±5 % yra priimtinas geležies šerdies statoriaus konstrukcijoms. Nurodykite ±2 % bešerdžių TORUS/YASA konfigūracijų.
Danga: standartinis Ni-Cu-Ni tinka daugeliui ašinių srautų. Korozinei aplinkai (pakrančių vėjas, jūra) arba didelės drėgmės sąlygomis nurodykite beelektrinį nikelį arba epoksidinį dangą. Auksinio sluoksnio prireikia retai, nebent variklis yra medicininėje ar puslaidininkinėje aplinkoje.
Surinkimo žymėjimas: paprašykite, kad kiekvienas magneto paviršius būtų pažymėtas įmagnetinimo kryptimi (N arba S) ant plokščio paviršiaus. Sektorių geometrija nėra savaime orientuota – nepažymėti magnetai kelių polių mazge yra didelė surinkimo klaidų rizika.
HIMAGNET gamina sektorinius magnetus, skirtus ašiniams srauto varikliams nuo N35 iki N52, su ašiniu ir Halbacho matricos įmagnetinimu, griežtos tolerancijos be šerdies variantais ir surinkimo žymėjimu. Susisiekite su mūsų inžinierių komanda, nurodydami savo Ri, Ro, polių skaičių ir darbinę temperatūrą, kad gautumėte rekomendacijas dėl geometrijos ir klasės.
