Termisk avmagnetisering er den vanligste magnetfeilmodusen ingen planlegger for
De fleste termiske motoranalyser fokuserer på viklingen. Kobbertapet beregnes, et termisk motstandsnettverk bygges, og designet er erklært trygt dersom viklingstemperaturen holder seg under isolasjonsklassens grense. Magnettemperaturen blir notert som en sekundær utgang av samme modell - typisk 10–20 grader under viklingen - og sjekket mot den maksimale driftstemperaturen på dataarket. Hvis det er under dataarkgrensen, stopper analysen.
Denne tilnærmingen går glipp av to ting. For det første er magnetens maksimale driftstemperatur på dataarket ikke en sikkerhetsgrense for avmagnetisering - det er temperaturen som magnetens egenskaper forringes permanent selv uten et eksternt felt. For det andre, selv under den temperaturen, skaper kombinasjonen av forhøyet temperatur og ankerreaksjonsfelt under toppmomenthendelser demagnetiseringsrisiko som ikke kan evalueres fra en steady-state temperatur alene. Denne artikkelen dekker selve beregningsmetoden.
1. Hvorfor motormagneter går varmere enn de fleste designere forventer
I en overflatemontert PM-motor er magnetene festet til rotoren og separert fra viklingskobberet av luftgapet, sporforingen, tannjernet og huset. Ved første øyekast ser de godt isolert ut fra den primære varmekilden. I praksis varmer rotoren fra to kilder: virvelstrømstap i selve magnetene (betydelig i segmenterte magneter med høye sporharmoniske) og ledet varme fra statoren gjennom stråling og konveksjon over luftgapet.
Virvelstrømstap i solide NdFeB-magneter skala med kvadratet av flukstetthetens harmoniske amplitude og med kvadratet av frekvens. I en 6-polet motor som går med 3000 RPM med en konsentrert vikling (høyt harmonisk innhold), kan virvelstrømstap i magnetene nå 15–30 % av totalt rotortap. Dette er ikke en mindre korreksjon. I en 500W motor gir 10W magnetvirvelstrømtap med en termisk motstand på 3 grader /W mellom magneten og omgivelsene 30 graders ekstra magnettemperaturstigning over rotorjernet. Kombinert med ledet varme fra statoren, overskrider magnettemperaturer i kontinuerlig belastede konsentrerte viklingsmotorer regelmessig viklingstemperaturene med 5–15 grader i stedet for å være under dem.
Den termiske banen er viktig. I en aksial fluksmotor med dobbelrotorkonfigurasjon er magnetene på de ytre overflatene av rotorskivene - de har utmerket konvektiv kjøling i de fleste geometrier og kjører kjøligere enn statoren. I en radiell fluksmotor med dype spor med en lang stabel og begrenset kjøling ved endesving, kan magnettemperaturgradienten langs den aksiale lengden nå 20 grader fra ende til senter. Det varmeste stedet i magneten er ikke synlig for de termiske sensorene som er innebygd i statoren, og det er det varmeste stedet som bestemmer avmagnetiseringsmarginen.
2. Den korrekte avmagnetiseringssikkerhetsberegningen
Sikkerhetsmarginen for avmagnetisering har to komponenter: den termiske marginen (avstanden fra driftstemperaturen til temperaturen der kneet krysser operasjonsfeltet) og feltmarginen (avstanden fra ankerreaksjonens avmagnetiseringsfelt til kneet ved driftstemperaturen). Begge må beregnes.
Start med lastlinjeanalysen fra den magnetiske kretsgeometrien (dekket i forrige artikkel i denne serien). Dette gir driftspunktet (Bop, Hop) i fravær av ankerreaksjon. For en godt utformet radiell fluksmotor med PC=6 er Hop omtrent −Br/PC ≈ −0,22 T / μ₀ ≈ −175 kA/m. Dette er omgivelsestemperatur, ubelastet driftspunkt.
Legg til ankerreaksjonsfeltet. Ved toppstrøm (typisk 3× kontinuerlig i en servodrift), er avmagnetiseringsfeltet ved magnetoverflaten Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm), der Id er d-aksens strømkomponent og Ld er d-aksens induktans. For en typisk servomotor med 10A topp og Ld=2mH, kan ankerreaksjonsfeltet ved magnetoverflaten nå 200–400 kA/m avhengig av motorgeometri. Det totale avmagnetiseringsfeltet er summen: −175 + (-300)=−475 kA/m i dette eksemplet.
Sjekk nå kneposisjonen ved magnetens driftstemperatur. For N45 (Hcj=1380 kA/m ved 20 grader, temperaturkoeffisient −0,55 %/grad ), ved 120 grader faller Hcj til omtrent 1380 × (1 − 0,55 % × 100)=621 kA/m. Kneet til avmagnetiseringskurven for N45 ved 120 grader oppstår ved omtrent 0,5 × Hcj=310 kA/m i avmagnetiseringsretningen. Totalfeltet −475 kA/m overstiger knefeltet −310 kA/m. Denne designen vil oppleve delvis irreversibel demagnetisering under toppmomenthendelser ved driftstemperatur. Beregningen viser feilmodus før den vises i test.
Løsningen er ikke alltid en karakteroppgradering. I dette eksemplet er alternativene: (1) oppgradere til N45H (Hcj ≈ 2000 kA/m ved 20 grader, kne ved 120 grader ≈ 650 kA/m - trygt); (2) øke PC ved å redusere luftgapet, som flytter Hop nærmere 0 og reduserer følsomheten for ankerreaksjon; (3) reduser toppstrøm via strømbegrensning i frekvensomformeren; eller (4) godta driftsprofilen og bruke en magnet av lavere kvalitet med bedre reversibel temperaturkoeffisient. Alternativ 2–4 krever ikke dyrere magneter. Alternativ 1 er det enkleste å spesifisere, men ikke alltid det billigste.
3. Anslå magnettemperatur uten FEA
I tidlige designstadier er full termisk FEA ikke alltid tilgjengelig. Et forenklet termisk nettverk med klumpede parametere gir tilstrekkelig nøyaktighet for innledende beslutninger.
For en radiell fluksmotor, modeller den termiske motstandsbanen fra magnet til omgivelsestemperatur som tre serieelementer: magnet-til-rotor-jern termisk motstand (R1=Lm / (km × Am), typisk 0,3–0,8 grader /W avhengig av limlagtykkelse og ledningsevne); rotor-jern-til-aksel (R2, avhenger av rotorgeometri, typisk 0,5–2 grader /W for en solid stålrotor); og aksel-til-omgivelsesbane via lager og husbane (R3, typisk 1–5 grader /W avhengig av kjølemetode). For statorens varmeledningsbidrag legger du til luftgapets termiske motstand (R_gap ≈ Lg / (k_air × Ag) + korreksjon for konveksjon, typisk 0,1–0,5 grader /W for et 0,5 mm gap).
Med et forenklet nettverk er magnettemperaturstigningen over omgivelsene omtrent:
ΔT_magnet=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_stator × (R_gap + R2 + R3) / (R_stator_total)
For en 1kW børsteløs servomotor med: P_eddy=5W, R1=0.5 grad /W, R2=1 grad /W, R3=3 grad /W; P_stator=80W, R_stator_to_ambient=0.8 grader /W, R_gap=0.3 grader /W. Magnettemperaturstigningen over omgivelsene er omtrent 5 × 4.5 + 80 × 4,3/0,8 ≈ 22.5 + 430=feil – P_stator-termen fungerer ikke på denne måten fordi statorvarmen stort sett strømmer ut gjennom huset, ikke gjennom gapet til magneten.
Den korrigerte forenklede tilnærmingen: magnettemperaturstigningen på grunn av statorvarmen er omtrent P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap, begrenset ved statorviklingstemperaturen minus et termisk fall med fast gap. For de fleste tvangskjølte motordesigner er magnettemperaturen statortemperaturen minus 10–25 grader på grunn av luftgapets isolasjon. For passivt avkjølte design er gap-isolasjonen mindre effektiv og forskjellen krymper til 5–10 grader. Hvis statorviklingen er på 155 grader (Klasse F-grense), er magneten på 130–145 grader - noe som setter N45 inn i faresonen beregnet ovenfor. Dette er grunnen til at klasse F-isolerte motorer med N45-magneter er et pålitelighetsproblem som venter på å skje i bruk med høy toppstrøm.
4. Gradevalglogikk basert på toppmagnettemperatur
Med estimert toppmagnettemperatur, blir karaktervalget en direkte ingeniørbeslutning i stedet for et tabelloppslag.
Under 80 graders toppmagnettemperatur: standardkvaliteter (N35–N52) er passende. Hcj-margin til kneet ved 80 grader er tilstrekkelig for de fleste motorapplikasjoner med toppstrømmer under 3× kontinuerlig.
80–120 graders topp magnettemperatur: H-grader (N35H–N52H) er grunnlinjen for alt med toppstrøm over 2× kontinuerlig, eller konsentrerte viklinger (høyt harmonisk innhold). For distribuerte viklinger med toppstrøm under 2× kontinuerlig, er standardkvaliteter med verifiserte lastelinjemarginer akseptable.
120–150 graders toppmagnettemperatur: SH-kvaliteter (N35SH–N48SH) kreves for bruk med høy toppstrøm. Hcj for N42SH er ca. 2400 kA/m ved 20 grader, noe som gir kneposisjon ved 150 grader på ca. 550 kA/m - det dobbelte av N42 standardkvalitet ved samme temperatur. For distribuerte viklinger med konservative toppstrømgrenser kan H-kvaliteter fortsatt være tilstrekkelig i den nedre enden av dette området.
Over 150 grader topp magnettemperatur: EH- eller AH-grader (N35EH–N38EH) for NdFeB, eller overgang til SmCo Grade 26–28. NdFeB EH-kvaliteter gir Hcj over 3000 kA/m ved 20 grader, men Br er begrenset til 1,08–1,18 T-området. For applikasjoner der dreiemomenttetthet betyr mer enn termisk motstand (høyhastighets kompressordrifter, romfartsmotordrift), er SmCo ved 150–200 graders topptemperatur vanligvis det riktige materialvalget til tross for 4–6× kostnadspremie.
En vanlig feil: å spesifisere en EH-karakter for en motordesign som bare trenger H fordi noen i teamet "være trygge." EH-karakterer koster omtrent 25–35 % mer enn H-karakterer for tilsvarende Br, og deres Br er lavere for samme karaktertall. Hvis toppmagnettemperaturberegningen viser 130 grader, er N45H den riktige spesifikasjonen - ikke N40EH.
5. Verifisering av termisk margin etter produksjon
Beregningen gir en designhensikt. Verifisering krever testdata.
Standardtesten for verifisering av avmagnetiseringsmargin er kortslutningsstrømtesten ved forhøyet temperatur. Motoren varmes opp til måldriftstemperaturen, deretter påføres en kontrollert kortslutning for å produsere topp ankerreaksjonsdemagnetiseringsfelt. Back-EMF måles før og etter. Hvis tilbake-EMF etter test er innenfor 1 % av pre-testverdien, overlevde magnetene uten irreversibel avmagnetisering. Et fall på mer enn 2 % indikerer at delvis demagnetisering har skjedd.
For produksjonsgodkjenning er denne testen dyr å kjøre på hver motor. I stedet verifiserer leverandørene typisk magnetiske egenskaper på batchnivå: Br-uniformitet innenfor ±1,5 % innenfor en batch (ikke lot-to-lot – batch-ensartethet er viktig for konsistensen av demagnetiseringsmarginen), Hcj over spesifikasjonsminimum (vanligvis 10 % over minimumskravet for margin), og magnetiseringsuniformitet via Hall-skanning. Disse verifiserer at magnetene som leveres til produksjon har de egenskapene som er forutsatt i designkalkylen.
HIMAGNET gir fulle avmagnetiseringskurver ved brukstemperaturer og kan kryssreferanser din lastelinjeanalyse mot batchspesifikke målte Hcj-verdier før forsendelse. For motordesign med tette termiske marginer - Klasse F-isolasjon, topp-til-kontinuerlig dreiemomentforhold over 3×, eller driftsmiljøer over 60 graders omgivelsestemperatur - be om høytemperatur-batch-sertifikatet (Hcj ved 100 grader og 120 graders målte verdier, ikke nominelle) når du bestiller.
