Kodėl BH kreivė svarbiau nei pažymių duomenų lapas
Dauguma variklių dizainerių pasirenka magneto klasę iš duomenų lapo, patikrina, ar Br ir Hcj atitinka taikymo reikalavimus, ir sustoja. Tai tinka paprastiems darbams ir jau paruoštiems varikliams, kai kas nors kitas jau atliko magnetinės grandinės analizę. Tai tampa problema, kai magneto geometrija, oro tarpas arba darbinė temperatūra skiriasi nuo etaloninės konstrukcijos, o tai beveik visada būna kuriant individualų variklį.
Įvertinimų duomenų lape pateikiamos būdingos magneto savybės – ką jis gali padaryti atskirai. Magnetinės grandinės analizė parodo, ką ji iš tikrųjų daro jūsų konkrečiame dizaine. Šie du skaičiai gali iš esmės skirtis, o tarpas tarp jų lemia, ar jūsų variklis pasiekia savo sukimo momento tikslą, ar nepasiekia 15 % darbinėje temperatūroje. Šiame straipsnyje aptariamos pagrindinės analizės priemonės: apkrovos linija, veikimo taškas ir praktinės reikšmės projektavimo sprendimams.
1. BH kreivė ir ką ji jums iš tikrųjų sako
Sukepinto NdFeB magneto išmagnetinimo kreivė (antrasis BH kreivės kvadrantas) turi dvi pagrindines koordinates. Remanencija Br yra srauto tankis, kai netaikomas joks išorinis laukas (H=0). Koercityvumas Hcb yra atvirkštinis lauko stiprumas, reikalingas, kad B būtų nulis. Tarp šių dviejų taškų kreivė yra beveik tiesinė šiuolaikinėms NdFeB klasėms – nuolydis yra magneto pralaidumas, maždaug μ₀ × μᵣ, kur μᵣ ≈ 1,05 sukepinto NdFeB.
Duomenų lape tiesiogiai neparodoma, kur magnetas iš tikrųjų veiks uždaroje magnetinėje grandinėje. Bet kuriuo realiu pritaikymu magnetas yra grandinės, apimančios oro tarpą, plieninius komponentus ir geometriją, dalis. Veikimo taškas – tikroji (B, H) koordinatė išmagnetinimo kreivėje – priklauso nuo grandinės geometrijos, o ne tik nuo magneto medžiagos. Dviejų konstrukcijų, naudojančių tą pačią klasę skirtingose oro tarpo konfigūracijose, veikimo taškai, srauto tankis tarpelyje ir skirtingos išmagnetinimo saugos ribos.
Kritinė riba yra išmagnetinimo kreivės kelias. Jei laipsnio nėra H arba SH priesagos (standartinis NdFeB), kelias atsiranda maždaug H=nuo –700 iki –800 kA/m, priklausomai nuo laipsnio ir temperatūros. Jei veikimo taškas nukrenta žemiau kelio – tai reiškia, kad išorinis demagnetizuojantis laukas nukreipia magnetą į šią netiesinę sritį – pašalinus lauką magnetas iš dalies išmagnetinamas negrįžtamai. Naudojant H klasės magnetus, keliai stumiami iki –1100 kA/m arba žemiau, todėl jie skirti naudoti su dideliais armatūros reakcijos laukais arba aukšta darbo temperatūra.
2. Apkrovos linija: Magneto savybių prijungimas prie grandinės geometrijos
Apkrovos linija yra grandinės apribojimas magneto veikimo taške. Tai tiesi linija, nubrėžta BH plokštumoje, prasidedanti nuo pradžios ir kertanti išmagnetinimo kreivę faktiniame veikimo taške. Apkrovos linijos nuolydis vadinamas pralaidumo koeficientu (PC), ir jį visiškai lemia geometrija:
PC=(Ag × Lm) / (Am × Lg)
kur Ag yra oro tarpo skerspjūvio plotas, Am yra magneto poliaus paviršiaus plotas, Lm yra magneto ilgis įmagnetinimo kryptimi, o Lg yra oro tarpo ilgis. Tai supaprastinta versija, kurioje daroma prielaida, kad magnetinis plienas yra tobulas (nėra srauto nuotėkio, nėra plieno pasipriešinimo) – visa versija prideda nuotėkio pralaidumo terminus, tačiau šis apytikslis skaičiavimas yra tinkamas pirminiams projektiniams sprendimams.
Didelis PC (status apkrovos linijos nuolydis) reiškia, kad magnetas veikia arčiau Br – išnaudojama daugiau magneto srauto. Mažas PC (negilus nuolydis) reiškia, kad magnetas veikia toliau nuo Br, tiekdamas mažesnį srauto tankį į tarpą, tačiau turi didesnį atsparumą išmagnetinimui iš išorinių laukų. Tipiškas asmeninio kompiuterio naudingumo diapazonas varikliams yra 4–12. Žemiau nei 3, jūs neefektyviai naudojate magnetą. Virš 15 magnetą naudojate efektyviai, tačiau geometrija dažnai yra nepraktiška (labai stori magnetai, palyginti su tarpu).
Radialinio srauto varikliui su Lm=5mm, Am=Ag (be pakraščių) ir Lg=1mm, PC=5. Jei laipsnis yra N45 su Br=1.34 T, veikimo srauto tankis tarpelyje yra apytiksliai Br × PC/(PC+1) Tai yra T2.1 ×=1.34 skaičius. eina į jėgos arba sukimo momento skaičiavimą, o ne į duomenų lapą Br. Skirtumas yra 16 % – tai nėra nereikšmingas, kai variklio konstrukcija yra labai didelė.
3. Temperatūros poveikis veikimo taškui
Tiek Br, tiek Hcj mažėja didėjant temperatūrai. Standartinio N45 NdFeB temperatūros koeficientai yra maždaug –0,11 %/laipsniui Br ir –0,55 %/laipsniui Hcj. Esant šalia apvijos esančio magneto temperatūrai 120 laipsnių (50 laipsnių virš kambario temperatūros atskaitos), Br sumažėja iki 1,34 × (1–0,0011 × 50)=1.27 T, o Hcj nukrenta nuo maždaug 1150 kA/m iki maždaug 1150 × (1–0,005) 5 × {1}5
Veikimo taškas taip pat keičiasi priklausomai nuo temperatūros. Tiek išmagnetinimo kreivės koordinatės, tiek apkrovos linija susikerta. Daugumos variklių geometrijų, kurių PC yra 4–8 diapazone, darbinis srauto tankis krinta maždaug proporcingai Br – taigi 5 % Br kritimas esant temperatūrai sumažina sukimo momentą maždaug 5 %. Tai yra standartinis variklio terminio sumažinimo skaičiavimas.
Pavojingesnis poveikis yra kelio taško poslinkis. 120 laipsnių kampu N45 magneto Hcj yra maždaug 833 kA/m. Išmagnetinimo kreivės kelias (standartinės klasės) dabar yra maždaug H=–500 kA/m, o ne –750 kA/m kambario temperatūroje. Jei variklio armatūros reakcijos laukas esant didžiausiai srovei sukuria –450 kA/m išmagnetinimo lauką prie magneto paviršiaus, konstrukcija turi nulinę išmagnetinimo ribą darbinėje temperatūroje. Štai kodėl varikliams, turintiems aukštą didžiausio ir nepertraukiamo sukimo momento santykį (servo pavaros, veikiančios iki 3 × arba 5 × nepertraukiamo sukimo momento pereinamojo laikotarpio metu), reikia H klasės magnetų – ne dėl šiek tiek geresnio Br, bet dėl daug geresnės kelių padėties esant temperatūrai.
4. Praktiniai projektavimo sprendimai, gauti iš darbo taškų analizės
Trys projektavimo sprendimai tiesiogiai išplaukia iš darbo taškų analizės, o visi trys yra padaryti neteisingai su tam tikru reguliarumu individualių variklių projektuose.
Pirma: magneto ilgio optimizavimas. Tam tikram kompiuteriui padidinus Lm, darbo taško srauto tankis padidėja monotoniškai, bet tik iki taško. Virš PC ≈ 10–12, tarpo srauto tankio padidėjimas vienam magneto ilgio padidėjimo vienetui tampa mažas (mažėja B × H produkto kreivės grąža). Daugumos variklių geometrijos optimalus Lm yra ilgis, pasiekiantis PC=6–8, subalansuotas su magneto medžiagos kaina ir svoriu.
Antra: klasės pasirinkimas ir geometrijos optimizavimas. Esant fiksuotam oro tarpui, aukštesnės klasės magnetas perkelia veikimo tašką į viršų B ašyje, bet nekeičia kompiuterio. Tarpo srauto tankio padidėjimas yra proporcingas Br padidėjimui – taigi, pakeitus nuo N42 (Br ≈ 1,30 T) į N48 (Br ≈ 1,38 T), gaunamas maždaug 6 % didesnis tarpo srautas, o tai reiškia, kad esant tokiam pat vario nuostoliui, sukimo momentas padidėja maždaug 6 %. Tai dažnai yra ekonomiškai naudingiau nei oro tarpo sumažinimas (tam reikia didesnių gamybos leistinų nuokrypių), bet mažiau ekonomiškas nei magneto geometrijos optimizavimas, kad būtų pasiektas tinkamas kompiuteris.
Trečia: polių skaičiaus ir magneto tūrio sąveika. Didesnio polių skaičiaus varikliai naudoja trumpesnį magneto lanko ilgį ir paprastai turi mažesnį magneto tūrį sukimo momento vienetui dėl trumpesnių srauto kelių. Kompiuteris, skirtas didelio polių skaičiaus konstrukcijoms, paprastai yra mažesnis, todėl norint išlaikyti tinkamą veikimo tašką ir išmagnetinimo ribą, reikia storesnių magnetų. Kai klientas vienu metu reikalauja „didelio polių skaičiaus, mažo oro tarpo ir minimalaus magneto tūrio“, veikimo taško analizė greitai parodo, kodėl bent vienas iš šių trijų turi duoti. Konkretus kompromisas priklauso nuo klasės, geometrijos ir temperatūros reikalavimų – nėra bendros taisyklės be skaičių.
5. Kada pakanka supaprastintos analizės, o kada – ne
Aukščiau pateiktas apkrovos linijos metodas apima tiesines išmagnetinimo kreives, nėra nuotėkio srauto ir begalinio pralaidumo plieną. Šios prielaidos yra pakankamai tikslios nustatant pradinį projektinį dydį, kai veikimo taškas yra gerokai aukščiau kelio (PC > 4 esant maksimaliai darbinei temperatūrai, su mažiausiai 200 kA/m riba iki kelio). Jie sugenda trijose situacijose.
Pirma, kai kompiuteris yra mažesnis nei 3. Žemos PC konstrukcijos (didelis tarpas, plonas magnetas) turi veikimo taškus apatinėje išmagnetinimo kreivės dalyje, kur netiesiškumas tampa reikšmingas. Norint gauti tikslias tarpo srauto tankio vertes, reikalinga baigtinių elementų analizė.
Antra, kai pakraščių srautas yra reikšmingas. Didelio polių skaičiaus varikliuose su siaurais magnetiniais lankais briaunos gali sudaryti 15–25 % viso srauto. Fringing sumažina efektyvų tarpo srauto tankį, palyginti su supaprastintu skaičiavimu. FEA tai tiksliai fiksuoja; analitinė formulė ne.
Trečia, kai svarbus plieno prisotinimas. Supaprastinta analizė daro prielaidą, kad plieno pralaidumas yra begalinis. Varikliuose su plonomis jungo sekcijomis arba dideliu srauto tankiu (daugiau nei 1,6 T jungoje) plieno prisotinimas padidina grandinės nenorą, todėl sumažėja tarpo srauto tankis ir iškreipiamas veikimo taškas. Dantų antgalio ir jungo prisotinimo efektai varikliuose be šepetėlių yra gerai dokumentuoti ir reikalauja, kad FEA būtų tinkamai valdomas.
HIMAGNET pateikia magneto veikimo duomenis, įskaitant visas išmagnetinimo kreives esant kelioms temperatūroms (20 laipsnių, 60 laipsnių, 100 laipsnių, 120 laipsnių, 150 laipsnių, priklausomai nuo laipsnio), o tai leidžia atlikti tikslią apkrovos linijos analizę be FEA atliekant daugumą pradinių projektavimo iteracijų. Prieš užbaigdami magneto specifikaciją, susisiekite su mūsų inžinierių komanda ir nurodykite savo grandinės geometriją, kad peržiūrėtumėte veikimo tašką.
