SmCo vs NdFeB variklių programose: kai jungiklis yra pagrįstas
Trumpa versija: NdFeB yra tinkamas pasirinkimas daugeliui variklių, o SmCo yra tinkamas pasirinkimas tam tikram programų pogrupiui, kai dėl temperatūros ar aplinkos NdFeB nepraktiškas. Problema ta, kad daugumoje inžinerinių pokalbių riba tarp šių dviejų kategorijų yra neryški. Inžinieriai kartais nurodo SmCo dėl šiluminių priežasčių, kai N45EH būtų veikęs, o kartais nurodo N45EH, kai darbo sąlygos aiškiai reikalauja SmCo. Nė viena klaida nėra nemokama.
Šiame straipsnyje pateikiami konkretūs perjungimo kriterijai – ne bendros gairės, o konkretūs skaičiai – dažniausiai naudojamiems variklių panaudojimo scenarijams, kai atsiranda perėjimas nuo NdFeB į SmCo.
1. Pagrindinis našumo kompromisas
„NdFeB“ ir „SmCo“ sukuria didelės energijos nuolatinius magnetinius laukus, tačiau jų medžiagų savybės skiriasi esant aukštai temperatūrai, o tai turi įtakos variklio konstrukcijai.
NdFeB (sukepintas, N klasės): Br kambario temperatūroje svyruoja nuo 1,08 T (N35) iki 1,46 T (N52). Br temperatūros koeficientas yra maždaug nuo –0,11 iki –0,13 %/laipsnis – taigi N45 magnetas 150 laipsnių temperatūroje turi Br apytiksliai 1,25 T, o ne kambario temperatūra 1,34 T, o tai sumažina 7 %. Hcj temperatūros koeficientas yra nuo –0,55 iki –0,60 %/laipsnis , o tai yra kritinis skaičius: N45, kurio Hcj=1380 kA/m esant 20 laipsnių, Hcj ≈ 620 kA/m esant 150 laipsnių . Kelias nukrenta iki maždaug 310 kA/m išmagnetinimo lauko – tai reiškia, kad magnetą gana lengva išmagnetinti esant aukštesnei temperatūrai, vykstant armatūros reakcijai.
SmCo 26 laipsnis (Sm₂Co₇₇): Br maždaug 1,02–1,05 T kambario temperatūroje. Br temperatūros koeficientas –0,030–0,035%/laipsniui – maždaug 3 kartus geresnis nei NdFeB. 200 laipsnių temperatūroje Br yra maždaug 0,99 T, beveik nepasikeitęs. Hcj temperatūros koeficientas –0,20 iki –0,25%/laipsnis . SmCo Grade 26 su Hcj=1500 kA/m esant 20 laipsnių temperatūrai išlaiko maždaug 1000 kA/m esant 200 laipsnių. Kelias esant 200 laipsnių kampui yra apie 500 kA/m – vis dar užtikrina didelį atsparumą išmagnetinimui vykstant armatūros reakcijai.
Kompromisas aiškus: kambario temperatūroje N45 apytiksliai 30 % lenkia SmCo Gr26 Br. 150 laipsnių kampu tarpas susiaurėja iki 15%. Virš 200 laipsnių SmCo taip pat yra stipresnis Br magnetas. Priemoka už SmCo yra 4–6× už kilogramą lygiaverčio tūrio.
2. Temperatūra pagrįsti perjungimo kriterijai
Perjungimo sprendimas priklauso tam tikram didžiausios magneto temperatūros ir didžiausio išmagnetinimo lauko deriniui, o ne savavališkai temperatūros slenksčiui. Tačiau praktiškiems pirmojo praėjimo sprendimams šie kriterijai apima daugumą variklių:
Žemesnė nei 120 laipsnių didžiausia magneto temperatūra:NdFeB H arba SH klasė beveik visada yra teisingas pasirinkimas. SmCo neturi našumo pranašumo esant tokioms temperatūroms, o tai pateisina išlaidas. Vienintelė išimtis yra korozinė aplinka (laivų varikliai, cheminių procesų pavaros), kur NdFeB dangos pažeidžiamumas yra svarbesnis nei šiluminės savybės.
120–150 laipsnių didžiausia magneto temperatūra:Tai yra ginčytina zona. Paskirstytos apvijos varikliams, kurių didžiausio ir nuolatinio sukimo momento santykis yra mažesnis nei 3 ×, tinka N45SH arba N42SH ir kainuoja 60–70 % mažiau nei SmCo. Koncentruotų apvijų varikliams, kurių didžiausias sukimo momento santykis yra didesnis nei 4 ×, arba varikliams, kurių kompiuteris yra mažesnis nei 4 (ploni magnetai dideliuose oro tarpuose), SmCo tampa inžinieriniu požiūriu prasmingas, nes NdFeB Hcj maržos skaičiavimas pradeda nepavykti, net ir esant SH klasėms.
150–200 laipsnių didžiausia magneto temperatūra:SmCo yra tinkamas medžiagos pasirinkimas daugeliui programų. NdFeB EH klasės (Hcj > 3000 kA/m 20 laipsnių kampu) kartais gali būti ištemptos į šį diapazoną, kai naudojamos mažos armatūros reakcijos konstrukcijos, bet jūs mokate EH kainas (maždaug 2 × H klasė) už magnetą, kuris vis dar veikia netoli savo ribų. SmCo Gr26 esant 200 laipsnių temperatūrai išlaiko 95% kambario temperatūros Br, o Hcj yra tris kartus didesnis nei N45EH esant tokiai pačiai temperatūrai. Kainų skirtumas esant 150–200 laipsnių yra daug mažiau lemiamas nei atrodo kambario temperatūroje, nes NdFeB parinktis reikalauja brangiausių EH markių.
Virš 200 laipsnių:Tik SmCo. NdFeB maksimali nuolatinė darbo temperatūra yra 200 laipsnių EH klasėms, ir tai yra su minimalia armatūros reakcija. Turbinų pagalbiniams varikliams, gręžinių gręžimo varikliams ir aukštos temperatūros pramoninėms pavaroms, kurios veikia 200–250 laipsnių kampu, SmCo Gr28–30 yra vienintelė praktiška galimybė iš sukepintųjų retųjų žemių kategorijos.
3. Taikomi perjungimo taškai
Temperatūra yra pagrindinis veiksnys, bet ne vienintelis. Šios konkrečios programos reikalauja papildomo dėmesio:
Orlaivių ir erdvės variklių pavaros (pavaros, kuro siurbliai, ECS ventiliatoriai):Pagrindinis veiksnys dažnai yra ne temperatūra, o radiacijos kietumas ir dujų išmetimo reikalavimai. NdFeB dangos (Ni-Cu-Ni, epoksidinė derva) gali išsiskirti vakuume ir turi ribotą atsparumą spinduliuotei. SmCo neturi organinių komponentų ir daug mažesnio išmetamųjų dujų – išmatuotas TML (bendras masės nuostolis) vakuuminio SmCo yra mažesnis nei 0,1 %, palyginti su 0,3–0,8 % epoksidine danga padengto NdFeB. NASA ar ESA kvalifikacijai SmCo yra standartinis ne dėl temperatūros, o dėl suderinamumo su kosmoso aplinka.
Didelio greičio varikliai (daugiau nei 50 000 aps./min.):Esant labai dideliam greičiui, išcentrinis įtempis rotoriaus magneto struktūroje tampa ribojančiu veiksniu. SmCo gniuždymo stipris yra šiek tiek didesnis nei NdFeB (maždaug 1100 MPa, palyginti su 900 MPa), tačiau svarbesnis veiksnys yra tai, kad didelės spartos varikliuose su paviršiuje montuojamais magnetais paprastai naudojama anglies pluošto arba Inconel laikanti įvorė, kuri mato išcentrinę apkrovą. Esant 100 000 aps./min. su 10 mm spindulio rotoriumi, magneto paviršiaus greitis yra 100 m/s, o rankovės įtempis yra projektinis apribojimas – magnetinės medžiagos savybės yra antrinės. SmCo pranašumas yra atsparumas korozijai aukšto dažnio sūkurinės srovės aplinkoje, o ne mechaninis stiprumas.
Pramoninių procesų varikliai korozinėje aplinkoje:NdFeB greitai korozuoja aplinkoje, kurioje drėgmė viršija 85 % santykinio drėgnumo, kartu su jonine tarša (druskos purškimu, chloru, rūgšties rūku). Ni-Cu-Ni danga užtikrina tinkamą apsaugą standartinėje pramoninėje aplinkoje (IP54–IP65), tačiau sugenda jūrinėje ar cheminėje aplinkoje per 2–5 metus. SmCo yra iš esmės atsparus korozijai – jūriniams IP67 varikliams dangos nereikia. Jei variklis yra užsandarintas epoksidine danga arba rotorius yra sandariai uždarytas atskirai, NdFeB gali veikti tokiose aplinkose su tinkama kapsuliacija, tačiau SmCo pašalina projekto riziką.
Ilgaamžiai varikliai su temperatūros ciklu:Pakartotinis terminis ciklas nuo šalto paleidimo iki darbinės temperatūros sukuria skirtingą šiluminį plėtimąsi tarp magneto ir klijų. NdFeB šiluminio plėtimosi koeficientas yra maždaug 5–8 × 10⁻⁶/laipsnis (priklausomai nuo įmagnetinimo krypties). SmCo yra maždaug 10–12 × 10⁻⁶/laipsnis – iš tikrųjų didesnis nei NdFeB. Tai reiškia, kad SmCo savaime nėra geresnis šiluminiam ciklui; Abiem atvejais klijų pasirinkimas ir magneto geometrija dominuoja nuovargio trukme.
4. Ko nepataiso SmCo
SmCo kartais nurodomas kaip problemų, kurių jis neišsprendžia, sprendimas:
Sūkurinės srovės nuostoliai:SmCo elektrinė varža (apie 0,8–1,0 μΩ·m) panaši į NdFeB (apie 1,4–1,6 μΩ·m). SmCo nėra žymiai geresnis mažinant sūkurinių srovių nuostolius aukšto dažnio lauko aplinkoje. Magneto segmentavimas (pjovimas ašine arba apskritimo kryptimi) yra tinkamas sprendimas abiem medžiagoms.
Sukimo momentas:Sukimo momentą lemia magneto poliaus forma, plyšio geometrija ir jų sąveika – ne magneto medžiaga. SmCo nesumažina sukimo momento, palyginti su tos pačios geometrijos NdFeB. Magneto pasvirimas, plyšio iškrypimas arba dalinės lizdo apvijos yra tinkami įrankiai.
Sąnaudų mažinimas, kai jau reikalingas EH: When the operating conditions require NdFeB EH grade, some engineers switch to SmCo expecting a lower cost. In volume (>500 vienetų), NdFeB EH paprastai yra 30–50 % pigesnis nei SmCo Gr26 lygiavertis energijos produktas. SmCo prasminga viršyti temperatūros slenkstį dėl inžinerinių priežasčių – ne kaip sąnaudų mažinimo strategija, kai EH klasės jau atitinka SmCo kainą.
5. Praktinis variklio projektavimo perėjimo protokolas
Kai variklio konstrukcija vertinama pagal SmCo ir NdFeB, sprendimo seka turėtų būti tokia:
1 veiksmas: apskaičiuokite didžiausią magneto temperatūrą, kaip aprašyta ankstesniame straipsnyje (sujungdami statoriaus šilumos laidumą ir magneto savaiminį įkaitimą). Jei žemiau 120 laipsnių su SH laipsnio marža, sustabdykite – NdFeB SH yra atsakymas.
2 veiksmas: jei 120–180 laipsnių, apskaičiuokite N45SH ir N42EH išmagnetinimo saugos ribą. Jei abu užtikrina pakankamą ribą (kombinuotas šiluminis + armatūros reakcijos laukas žemiau kelio 20% ar daugiau), N45SH yra atsakymas.
3 veiksmas: jei reikalinga EH klasė, bet didžiausia temperatūra yra žemesnė nei 160 laipsnių, gaukite dabartinę konkrečios geometrijos N40EH ir SmCo Gr26 kainodarą. Šiame temperatūros diapazone sąnaudų skirtumas dažnai yra 15–25%, o NdFeB naudai standartinių dydžių. Virš 160 laipsnių pateikite užklausą dėl SmCo Gr26 kainodaros – sąnaudų perėjimo taškas nuosekliai juda SmCo kryptimi kylant temperatūrai.
4 veiksmas: Neatsižvelgiant į temperatūrą, nurodykite SmCo, jei taikymas yra pritaikytas kosminiam vakuumui, ilgalaikis panardinimas į jūrą be visiškos epoksidinės kapsulės arba nuolatinis veikimas aukštesnėje nei 200 laipsnių temperatūroje.
HIMAGNET tiekia ir NdFeB (standartinės iki EH klasės), ir SmCo (Gr18–G32) ir gali pateikti našumo duomenis esant taikymo temperatūrai, kad būtų galima tiesiogiai palyginti apkrovos linijos skaičiavimus. Jei jūsų variklio konstrukcija yra 130–160 laipsnių didžiausios magneto temperatūros diapazone ir nesate tikri, kuri medžiaga yra pagrįsta, atsiųskite mums veikimo profilį ir mes pateiksime skaičiavimą, o ne rekomendaciją pagal kainą.
