Įmagnetinimo krypties niekas nepaaiškina
Kai variklių inžinierius nurodo NdFeB lanko magnetus, į užsakymą paprastai įeina klasė, geometrija, danga ir tolerancija. Įmagnetinimo kryptis rodoma kaip vieno žodžio pastaba – „radialinė“ – arba visiškai praleidžiama, darant prielaidą, kad tiekėjas žino, ką daryti.
Ši prielaida teisinga paprastiems varikliams. Didelio našumo servo, roboto jungties ir UAV taikomųjų programų atveju tai yra tokia prielaida, kuriai diagnozuoti kainuoja trys prototipo iteracijos. Įmagnetinimo kryptis tiesiogiai lemia srauto tankio bangos formą oro tarpelyje, sukimo momento bangavimą, atgalinės EMF harmonikos turinį ir praktinį kompromisą tarp didžiausio sukimo momento ir sukimo momento. Neteisingas pasirinkimas po rotoriaus geometrijos užrakinimo nėra greitas sprendimas.
Šiame vadove aprašomi trys įmagnetinimo būdai, naudojami šiuolaikiniuose nuolatinių magnetų varikliuose – radialinis, lygiagretusis (kartais vadinamas „duonos kepalu“) ir Halbacho masyvas – ir kada kiekvienas iš jų yra tinkamas ir netinkamas pasirinkimas.
1. Radialinis įmagnetinimas: numatytoji nuostata, kuri veikia tol, kol neveikia
Radialinis įmagnetinimas reiškia, kad lanko segmento viduje esantis magnetinis laukas nukreipiamas radialiai – į išorę nuo rotoriaus centro, jei ant vidinio rotoriaus paviršiaus sumontuoti magnetai. Tai standartas dėl geros priežasties: jis gali būti gaminamas naudojant standartinius įkrovimo įrenginius, jis patikimai veikia įvairiose lanko geometrijose ir sukuria trapecijos formos oro tarpo srauto tankio bangos formą, kuri puikiai tinka trapecijos formos užpakaliniams EMF varikliams.
Trapecinė bangos forma turi plokščią viršutinę sritį, kurioje srauto tankis yra maždaug pastovus ir greitai pereina prie magneto kraštų. Bešepetėliams nuolatinės srovės (BLDC) varikliams, varomiems su šešių pakopų komutacija, būtent tokios bangos formos ir norite – ji suderinama su komutacijos perjungimu ir sukuria gana tolygų sukimo momentą esant numatytam veikimo greičiui.
Problema pasireiškia sinusiškai varomuose PMSM varikliuose, kur valdymo algoritmas prisiima sinusoidinį atgalinį EMF. Radialiniu būdu įmagnetinti lanko segmentai sukuria užpakalinį EMF, turintį reikšmingą 5-osios ir 7-osios harmonikos turinį – paprastai 3–7 % pagrindinio gerai suprojektuotuose rotoriuose, potencialiai didesnį, kai rotoriai turi keletą polių arba trumpo lanko ilgio. Šios harmonikos pasirodo kaip sukimo momento bangavimas, kai elektros dažnis yra 6 kartus didesnis. Esant 3 000 aps./min. 8 polių variklyje (200 Hz elektrinis), tai yra 1 200 Hz sukimo momento pulsacija. Tikslioje staklėje arba roboto jungtyje, kur mechaninis pralaidumas yra didelis, jis girdimas ir išmatuojamas padėties paklaidos spektre.
Radialinis įmagnetinimas yra tinkamas pasirinkimas: BLDC varikliams su šešių pakopų komutacija, varikliams, kuriuose kaina ir gamybos galimybė dominuoja, o ne sukimo momento pulsacija, ir tais atvejais, kai elektros dažnis yra pakankamai žemas, kad 6 × harmonika nukristų žemiau apkrovos mechaninio rezonanso.
2. Lygiagretusis įmagnetinimas: arčiau sinusoidinio be sudėtingumo
Lygiagretus įmagnetinimas – dar vadinamas „duonos kepalo“ įmagnetinimu dėl to, kaip lauko linijos atrodo magneto viduje – įmagnetinimo kryptį išlygiuoja lygiagrečiai fiksuotai ašiai, o ne radialiai nuo rotoriaus centro. Rezultatas yra srauto tankio pasiskirstymas oro tarpelyje, kuris yra artimesnis sinusoidiniam nei radialinis.
Kiekybinis pagerėjimas yra nedidelis, bet išmatuojamas. Tipiškame 8 polių paviršiuje montuojamame rotoriuje su 150 laipsnių lanko segmentais, perjungimas iš radialinio į lygiagrečią įmagnetinimą sumažina 5-ąjį harmoninį atgalinį EMF komponentą nuo maždaug 5% iki 2–3% pagrindinio. 7-oji harmonika sumažėja nuo maždaug 3% iki 1–1,5%. Bendras harmoninis iškraipymas atgalinės EMF bangos formoje sumažėja nuo 6–8% iki 3–4%.
Sinusoidiškai valdomiems PMSM varikliams CNC ašyse, bendradarbiaujančioms robotų jungtims ir servo pavaroms, kurių sukimo momento pulsacijos specifikacija yra mažesnė nei 2 % vardinio sukimo momento, lygiagretus įmagnetinimas vertas nedidelės kainos – paprastai 8–15 % daugiau nei radialinis, kai gaminami individualūs lanko segmentai, esant gamybos apimtims.
Apribojimas yra geometrinis: lygiagretus įmagnetinimas geriausiai veikia, kai lanko segmentas sudaro santykinai mažą kampą. Didelio polių skaičiaus varikliams, kuriuose atskiri lanko segmentai dengia 30–45 laipsnius rotoriaus perimetro, pagerėjimas, palyginti su radialiniu, yra didelis. Mažo polių skaičiaus varikliams, kuriuose segmentai apima 60 laipsnių ar daugiau, srauto tankis magneto kraštuose labai skiriasi nuo numatytos sinusoidinės formos, o nauda sumažėja.
3. Halbacho masyvai: didelis našumas realiomis inžinerinėmis sąnaudomis
Halbacho masyvas išdėsto magnetus taip, kad gretimų segmentų įmagnetinimo kryptys būtų laipsniškai pasuktos - radialiai į išorę, tada tangentinė, tada radialinė į vidų, tada tangentinė priešinga kryptimi - sukuriant bangos formą, kuri vienoje matricos pusėje yra stipriai sinusinė, o kitoje - beveik nulis. Variklio rotoriuje tai reiškia, kad beveik visas srautas yra sutelktas oro tarpelyje, o per galinį lygintuvą teka labai mažai.
Veiklos nauda yra reali ir reikšminga. Palyginti su įprastu radialiai įmagnetintu rotoriumi, Halbacho matrica gamina:
- 15–25 % didesnis pagrindinis oro tarpo srauto tankis esant tam pačiam magneto tūriui
- Back-EMF THD mažesnis nei 1 % gerai suplanuotomis konfigūracijomis
- Beveik sinusinis sukimo momentas, kai sukimo momento pulsacija yra mažesnė nei 0,5 % vardinio sukimo momento
- Sumažintas rotoriaus užpakalinės geležies storis, todėl rotoriai yra lengvesni
Dėl šių priežasčių „Halbach“ matricos atsiranda didelio našumo tiesioginės pavaros varikliuose, skirtuose bendradarbiaujantiems robotams, medicininių vaizdų stalų diskams, tiksliam puslaidininkių valdymui ir kai kuriose UAV programose.
Inžinerinės išlaidos yra tokios pat realios. Halbacho matricai reikia mažiausiai keturių magnetų segmentų viename poliuje – praktiškai šešių ar aštuonių, kad būtų geras sinusoidinis tikslumas, palyginti su vienu poliu radialiniam arba lygiagrečiam. Kiekvienas segmentas turi skirtingą įmagnetinimo kryptį, o tai reiškia skirtingus įkrovimo įrenginius, didesnę dalių kainą ir sudėtingesnį surinkimą. Padėties tolerancijos reikalavimai yra griežtesni: kiekvieno segmento kampinė padėtis turi būti ±0,5 laipsnio, kad nebūtų pablogėjusi srauto bangos forma. Surinkimui reikalingi tikslūs įtaisai ir tvirtinimo detalės, kurių negalima pakeisti skirtingų dydžių variklių.
Esant nedideliam gamybos kiekiui – mažiau nei 500 rotorių per mėnesį – Halbach masyvo įrankių ir surinkimo išlaidų priemoka paprastai yra 3–5 kartus didesnė už įprasto rotoriaus magneto kainą. Esant dideliam kiekiui, priemoka sumažėja iki 1,5–2 ×. Teisingas sprendimas priklauso nuo to, ar našumo pagerinimas pateisina išlaidas pagal jūsų gamybos mastą ir našumo tikslą.
4. Atrankos matrica
| Variklio tipas / taikymas | Rekomenduojamas įmagnetinimas | Pagrindinė Priežastis |
|---|---|---|
| BLDC su šešių pakopų komutacija (ventiliatoriai, siurbliai, pagrindinės pavaros) | Radialinis | Trapecijos formos atgal-EMF atitinka komutaciją; radialinis yra ekonomiškai optimalus |
| PMSM servo, CNC ašis, standartinis pramoninis robotas | Lygiagretus | Sumažina sukimo momento bangavimą iki 1–2 % be sudėtingo surinkimo |
| Didelio tikslumo servo (puslaidininkinis, medicininis, optinis) | Lygiagretus arba Halbachas (4 segmentų) | Sukimo momento virpėjimo specifikacijai mažesniam nei 1 % reikalingas sinusinis srautas |
| Bendradarbiavimo roboto jungtis, tiesioginės pavaros sukimo momento variklis | Halbachas (4–6 segmentai) | Didelis sukimo momento tankis ir beveik nulinis susitraukimas kompaktiškoje formoje |
| UAV variklis, ašinio srauto variklis | Halbachas (6–8 segmentai) | Maksimalus sukimo momentas ir svoris; Atgalinės geležies pašalinimas leidžia sukurti plokščią rotorių |
| Rankinis variklis be rėmelio | Lygiagretus arba Halbachas (4 segmentų) | Sukimo momento lygumas, būtinas jėgos valdymui; per mažai vietos 6+ segmentui Halbach |
5. Ką reikia patvirtinti savo magnetų tiekėjui
- ☐ Brėžinyje aiškiai nurodykite įmagnetinimo kryptį – „radialinė“, „lygiagreti“ arba „Halbach su N segmento konfigūracija poliui“
- ☐ Lygiagrečiam įmagnetinimui: įsitikinkite, kad tiekėjas turi tinkamą jūsų lanko geometrijos įkrovimo įtaisą; Skirtingam lanko kampui pritaikytas šviestuvas sukurs hibridą, kuris nėra nei radialinis, nei tinkamai lygiagretus
- ☐ Halbach matricoms: paprašykite įmagnetinimo krypties vektoriaus kiekvienai segmento padėčiai agregate; prieš pradėdami dirbti su įrankiu patikrinkite, ar jis atitinka variklio modeliavimą
- ☐ Prašyti pavyzdinio rotoriaus srauto tankio kartografavimo duomenų: tiekėjas matuoja magnetinį srautą nustatytose rotoriaus perimetro vietose; tai patvirtina, kad buvo pasiektas numatytas įmagnetinimas, ir pateikiami pradiniai gaunami patikrinimo duomenys
- ☐ Patvirtinkite įkrovimo įrenginio kalibravimo intervalą; armatūros degradacija yra labiausiai paplitęs įmagnetinimo kitimo šaltinis gamybos metu
HIMAGNET gamina radialiai įmagnetintus, lygiagrečiai įmagnetintus ir Halbacho matricos lanko segmentų magnetus, skirtus varikliams nuo inžinerinių pavyzdžių iki gamybos. Jei norite palaikyti variklio dizaino įmagnetinimo specifikacijas,susisiekite su mūsų inžinierių komandasu savo polių skaičiumi, lanko segmentų geometrija ir sukimo momento pulsacijos tikslu.
