Šiluminis išmagnetinimas yra labiausiai paplitęs magneto gedimo režimas, kurio niekas neplanuoja
Dauguma variklio šiluminės analizės sutelkia dėmesį į apviją. Apskaičiuojami vario nuostoliai, nutiesiamas šiluminės varžos tinklas, konstrukcija skelbiama saugi, jei apvijos temperatūra nesiekia izoliacijos klasės ribos. Magneto temperatūra pažymima kaip antrinė to paties modelio išvestis – paprastai 10–20 laipsnių žemiau apvijos – ir tikrinama pagal maksimalią darbinę temperatūrą duomenų lape. Jei jis nesiekia duomenų lapo ribos, analizė sustabdoma.
Šis požiūris praleidžia du dalykus. Pirma, maksimali magneto veikimo temperatūra duomenų lape nėra išmagnetinimo saugos riba – tai temperatūra, kurią viršijus magneto savybės visam laikui pablogėja net ir be išorinio lauko. Antra, net ir žemesnėje temperatūroje, padidėjusios temperatūros ir armatūros reakcijos lauko derinys didžiausio sukimo momento įvykių metu sukelia išmagnetinimo riziką, kurios negalima įvertinti vien iš pastovios temperatūros. Šiame straipsnyje aprašoma faktinė skaičiavimo metodika.
1. Kodėl variklio magnetai veikia karštiau, nei tikisi dauguma dizainerių
Paviršiaus montuojamame PM variklyje magnetai yra prijungti prie rotoriaus ir atskirti nuo apvijos vario oro tarpu, plyšio įdėklu, danties geležimi ir korpusu. Iš pirmo žvilgsnio jie atrodo gerai izoliuoti nuo pirminio šilumos šaltinio. Praktiškai rotorius šildo iš dviejų šaltinių: sūkurinių srovių nuostolių pačiuose magnetuose (reikšmingi segmentuotuose magnetuose su didelėmis plyšių harmonikomis) ir šilumos laidumo iš statoriaus per spinduliuotę ir konvekciją per oro tarpą.
Sūkurinių srovių nuostoliai kietuosiuose NdFeB magnetuose apskaičiuojami pagal srauto tankio harmoninės amplitudės kvadratą ir dažnio kvadratą. 6 polių variklyje, veikiančiame 3000 aps./min. su koncentruota apvija (didelis harmonikų kiekis), sūkurinės srovės nuostoliai magnetuose gali siekti 15–30 % visų rotoriaus nuostolių. Tai nėra smulkmena. 500 W variklyje 10 W magneto sūkurinės srovės nuostoliai, kai šiluminė varža 3 laipsniai /W tarp magneto ir aplinkos sukuria 30 laipsnių papildomą magneto temperatūros kilimą virš rotoriaus geležies. Kartu su statoriaus praleidžiama šiluma magneto temperatūra nuolat apkraunamų koncentruotų apvijų varikliuose reguliariai viršija apvijų temperatūrą 5–15 laipsnių, o ne žemiau jų.
Šiluminis kelias yra svarbus. Ašinio srauto variklyje su dvigubo rotoriaus konfigūracija magnetai yra ant išorinių rotoriaus diskų paviršių - jie turi puikų konvekcinį aušinimą daugelyje geometrijų ir veikia vėsiau nei statorius. Giliųjų plyšių radialinio srauto variklyje su ilgu kaminu ir ribotu galutinio posūkio aušinimu magneto temperatūros gradientas išilgai ašies ilgio gali siekti 20 laipsnių nuo galo iki centro. Karščiausia magneto vieta nėra matoma statoriuje įtaisytiems šiluminiams jutikliams, o karščiausia vieta lemia išmagnetinimo ribą.
2. Teisingas išmagnetinimo saugos skaičiavimas
Išmagnetinimo saugos ribą sudaro du komponentai: šiluminė riba (atstumas nuo darbinės temperatūros iki temperatūros, kurioje kelias kerta veikimo lauką) ir lauko riba (atstumas nuo armatūros reakcijos išmagnetinimo lauko iki kelio esant darbo temperatūrai). Abu turi būti paskaičiuoti.
Pradėkite nuo apkrovos linijos analizės iš magnetinės grandinės geometrijos (aprašyta ankstesniame šios serijos straipsnyje). Tai suteikia veikimo tašką (Bop, Hop), jei nėra armatūros reakcijos. Gerai suprojektuotam radialinio srauto varikliui su PC=6 Hop yra maždaug −Br/PC ≈ −0,22 T / μ₀ ≈ −175 kA/m. Tai yra aplinkos temperatūros, be apkrovos veikimo taškas.
Pridėkite armatūros reakcijos lauką. Esant didžiausiai srovei (paprastai 3 × nenutrūkstama servo pavaroje), išmagnetinimo laukas prie magneto paviršiaus yra Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm), kur Id yra d ašies srovės komponentas, o Ld yra d ašies induktyvumas. Tipiškam servo varikliui su 10A didžiausia ir Ld=2mH, armatūros reakcijos laukas magneto paviršiuje gali siekti 200–400 kA/m, priklausomai nuo variklio geometrijos. Bendras išmagnetinimo laukas yra suma: −175 + (−300)=−475 kA/m šiame pavyzdyje.
Dabar patikrinkite kelio padėtį magneto darbinėje temperatūroje. N45 (Hcj=1380 kA/m esant 20 laipsnių temperatūrai, temperatūros koeficientas –0,55 %/laipsnis), esant 120 laipsnių Hcj sumažėja iki maždaug 1380 × (1–0,55 % × 100)=621 kA/m. N45 išmagnetinimo kreivės kelias 120 laipsnių kampu yra maždaug 0,5 × Hcj=310 kA/m išmagnetinimo kryptimi. Bendras laukas –475 kA/m viršija kelio lauką –310 kA/m. Ši konstrukcija patirs dalinį negrįžtamą išmagnetinimą didžiausio sukimo momento įvykių metu esant darbinei temperatūrai. Skaičiavimas rodo gedimo režimą prieš jam pasirodant bandyme.
Pataisymas ne visada yra klasės atnaujinimas. Šiame pavyzdyje parinktys yra šios: (1) naujovinimas į N45H (Hcj ≈ 2000 kA/m esant 20 laipsnių kampui, keliuose esant 120 laipsnių ≈ 650 kA/m – saugus); (2) padidinti PC sumažinant oro tarpą, kuris priartina Hop prie 0 ir sumažina jautrumą armatūros reakcijai; (3) sumažinti didžiausią srovę ribojant srovę pavaroje; arba (4) priimti darbo profilį ir naudoti žemesnės kokybės magnetą su geresniu grįžtamuoju temperatūros koeficientu. 2–4 parinktims nereikia brangesnių magnetų. 1 variantas yra lengviausias, bet ne visada pigiausias.
3. Magneto temperatūros įvertinimas be FEA
Ankstyvosiose projektavimo stadijose visa šiluminė FEA ne visada pasiekiama. Supaprastintas vienkartinių parametrų šiluminis tinklas užtikrina pakankamą pradinių sprendimų tikslumą.
Radialinio srauto variklio šiluminės varžos kelią nuo magneto iki aplinkos modeliuokite kaip tris serijos elementus: magneto ir rotoriaus ir geležies šiluminė varža (R1=Lm / (km × Am), paprastai 0,3–0,8 laipsnio /W, atsižvelgiant į klijų sluoksnio storį ir laidumą); rotorius nuo geležies iki veleno (R2, priklauso nuo rotoriaus geometrijos, paprastai 0,5–2 laipsniai /W kieto plieno rotoriui); ir nuo veleno iki aplinkos per guolį ir korpuso kelią (R3, paprastai 1–5 laipsniai /W, priklausomai nuo aušinimo metodo). Norėdami padidinti statoriaus šilumos laidumą, pridėkite oro tarpo šiluminę varžą (R_tarpas ≈ Lg / (k_air × Ag) + konvekcijos korekcija, paprastai 0,1–0,5 laipsnio /W, kai tarpas yra 0,5 mm).
Naudojant supaprastintą tinklą, magneto temperatūros kilimas virš aplinkos yra maždaug:
ΔT_magnetas=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_stator × (R_tarpas + R2 + R3) / (R_stator_viso)
1 kW bešepetiniam servovarikliui su: P_eddy=5W, R1=0.5 laipsnis /W, R2=1 laipsnis /W, R3=3 laipsnis /W; P_statorius=80W, R_stator_to_ambient=0.8 laipsnis /W, R_tarpas=0.3 laipsnis /W. Magneto temperatūros kilimas virš aplinkos temperatūros yra maždaug 5 × 4.5 + 80 × 4,3/0,8 ≈ 22.5 + 430=neteisingas – P_statoriaus terminas taip neveikia, nes statoriaus šiluma daugiausia teka per korpusą, o ne per tarpą į magnetą.
Pataisytas supaprastintas metodas: magneto temperatūros kilimas dėl statoriaus šilumos yra maždaug P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap, apribotas esant statoriaus apvijos temperatūrai, atėmus fiksuotą tarpo šiluminį kritimą. Daugumos priverstinio aušinimo variklių konstrukcijų magneto temperatūra yra statoriaus temperatūra minus 10–25 laipsniai dėl oro tarpo izoliacijos. Pasyviai aušinamiems projektams tarpo izoliacija yra mažiau efektyvi, o skirtumas sumažėja iki 5–10 laipsnių. Jei statoriaus apvija yra 155 laipsnių kampu (F klasės riba), magnetas yra 130–145 laipsnių kampu, todėl N45 patenka į aukščiau paskaičiuotą pavojingą zoną. Štai kodėl F klasės izoliuoti varikliai su N45 magnetais yra patikimumo problema, kuri laukia didelės didžiausios srovės.
4. Klasės pasirinkimo logika, pagrįsta maksimalia magneto temperatūra
Įvertinus didžiausią magneto temperatūrą, klasės pasirinkimas tampa tiesioginiu inžineriniu sprendimu, o ne lentelės paieška.
Žemesnė nei 80 laipsnių didžiausia magneto temperatūra: tinka standartinės klasės (N35–N52). Hcj marža iki kelio 80 laipsnių kampu yra pakankama daugeliui variklių, kai didžiausios srovės yra mažesnės nei 3 × nepertraukiamos.
80–120 laipsnių didžiausia magneto temperatūra: H klasės (N35H–N52H) yra bazinė linija bet kam, kurio didžiausia srovė viršija 2 kartus nuolatinę, arba koncentruotos apvijos (didelis harmonikų kiekis). Paskirstytoms apvijoms, kurių didžiausia srovė yra mažesnė nei 2 × nuolatinė, priimtinos standartinės klasės su patikrintomis apkrovos linijos ribomis.
120–150 laipsnių didžiausia magneto temperatūra: SH klasės (N35SH–N48SH) reikalingos didelės didžiausios srovės naudojimui. N42SH Hcj yra apytiksliai 2400 kA/m esant 20 laipsnių kampui, o kelių padėtis 150 laipsnių kampu yra maždaug 550 kA/m – dvigubai daugiau nei N42 standartinė klasė esant tokiai pačiai temperatūrai. Paskirstytoms apvijoms su konservatyviomis didžiausios srovės ribomis H klasės vis tiek gali pakakti apatinėje šio diapazono dalyje.
Didesnė nei 150 laipsnių didžiausia magneto temperatūra: EH arba AH klasės (N35EH–N38EH), skirtos NdFeB, arba perėjimas prie 26–28 klasės SmCo. NdFeB EH klasės suteikia Hcj virš 3000 kA/m esant 20 laipsnių temperatūrai, tačiau Br ribojamas iki 1,08–1,18 T diapazone. Tais atvejais, kai sukimo momento tankis yra svarbesnis nei šiluminė varža (didelio greičio kompresorių pavaros, aviacijos ir erdvėlaivių variklių pavaros), SmCo, esant 150–200 laipsnių didžiausiai temperatūrai, paprastai yra tinkamas medžiagos pasirinkimas, nepaisant 4–6 kartų didesnės kainos.
Viena dažna klaida: EH klasės nurodymas variklio konstrukcijai, kuriam reikia tik H, nes kažkas iš komandos buvo „saugus“. EH klasės kainuoja maždaug 25–35 % daugiau nei H klasės lygiaverčio Br, o jų Br yra mažesnė už tą patį klasės numerį. Jei didžiausios magneto temperatūros skaičiavimas rodo 130 laipsnių, N45H yra teisinga specifikacija, o ne N40EH.
5. Šiluminės maržos patikrinimas po gamybos
Skaičiavimas suteikia projektavimo tikslą. Patvirtinimui reikalingi bandymo duomenys.
Standartinis išmagnetinimo ribos tikrinimo testas yra trumpojo jungimo srovės bandymas aukštesnėje temperatūroje. Variklis pašildomas iki tikslinės darbinės temperatūros, tada valdomas trumpasis jungimas sukuria didžiausią armatūros reakcijos išmagnetinimo lauką. Atgal-EMF matuojamas prieš ir po. Jei atgalinis EMF po bandymo neviršija 1% prieš bandymą buvusios vertės, magnetai išgyveno be negrįžtamo išmagnetinimo. Didesnis nei 2% kritimas rodo, kad įvyko dalinis išmagnetinimas.
Gamybos priėmimui šis bandymas yra brangus kiekvienam varikliui. Vietoj to, tiekėjai paprastai tikrina partijos lygio magnetines savybes: Br vienodumas ±1,5 % partijoje (ne nuo partijos iki partijos – partijos vienodumas yra svarbus išmagnetinimo ribos nuoseklumui), Hcj viršija specifikacijos minimumą (paprastai 10 % viršija minimalią, reikalingą paraštei) ir įmagnetinimo vienodumą per Hall skenavimą. Tai patvirtina, kad gamybai pristatyti magnetai turi tas savybes, kurios buvo numatytos projektuojant.
HIMAGNET pateikia visas išmagnetinimo kreives esant taikymo temperatūrai ir gali susieti jūsų krovinio linijos analizę su konkrečios partijos išmatuotomis Hcj vertėmis prieš išsiunčiant. Varikliuose su siauromis šiluminėmis ribomis – F klasės izoliacija, didžiausio ir nepertraukiamo sukimo momento santykis didesnis nei 3× arba eksploatavimo aplinka, aukštesnė nei 60 laipsnių aplinkos – pateikdami užsakymą paprašykite aukštos temperatūros partijos sertifikato (Hcj esant 100 laipsnių ir 120 laipsnių išmatuotoms vertėms, ne vardinės).
