Tại sao động cơ thông lượng hướng trục cần các nam châm khác nhau
Động cơ từ thông hướng trục - còn được gọi là động cơ bánh kếp hoặc động cơ đĩa - định hướng từ thông của chúng song song với trục quay thay vì hướng ra ngoài từ nó. Khe hở không khí là một đĩa phẳng chứ không phải hình trụ. Hình dạng này tạo ra mật độ mô-men xoắn trên một đơn vị thể tích cao hơn so với thiết kế từ thông hướng tâm, đó là lý do tại sao động cơ từ thông hướng trục xuất hiện trong bộ truyền động kéo EV, máy phát điện gió, máy giặt dẫn động trực tiếp và ngày càng có nhiều trong robot nơi động cơ phẳng, ngắn phù hợp hơn động cơ hình trụ dài.
Sự khác biệt về hình dạng của mạch từ không chỉ là sự thay đổi về hình dạng - nó còn thay đổi hình dạng nam châm cần thiết, cách xác định hướng từ hóa và các chế độ hư hỏng mà nam châm gặp phải. Các kỹ sư xác định nam châm từ kinh nghiệm của động cơ từ thông hướng tâm và áp dụng logic tương tự cho các thiết kế từ thông dọc trục thường gặp phải vấn đề trong nguyên mẫu đầu tiên: nam châm đúng về mặt hình học nhưng bị từ hóa sai hướng hoặc các thiết kế trong đó hệ số tập trung từ thông không được tính đến và nam châm bão hòa sắt stato ở mức tải một phần.
1. Bài toán hình học nam châm ngành
Trong động cơ từ thông hướng tâm, nam châm là các đoạn cung - các khối cong quấn quanh bề mặt rôto hình trụ. Chiều rộng nam châm, góc hồ quang và độ dày hướng tâm là các kích thước quan trọng và chúng tỷ lệ thuận với số cực và đường kính rôto.
Trong động cơ từ thông hướng trục, các nam châm có dạng hình cung - các lát bánh bao phủ một phần bề mặt đĩa rôto phẳng. Góc khu vực bằng 360 độ chia cho số cực (đối với thiết kế phủ sóng toàn bộ). Một động cơ 16 cực sử dụng 16 nam châm cung, mỗi nam châm bao phủ 22,5 độ. Sự phức tạp hình học quan trọng là chiều rộng của nam châm thay đổi từ bán kính bên trong đến bán kính bên ngoài: cạnh trong của mỗi khu vực hẹp hơn cạnh ngoài. Điều này trái ngược với mặt cắt ngang không đổi và nó tạo ra hai vấn đề.
Đầu tiên, mật độ từ thông trong khe hở không khí không đồng đều trên bán kính nam châm. Phần bên ngoài của nam châm tạo ra nhiều từ thông trên một đơn vị diện tích hơn phần bên trong ở cùng mức từ hóa, vì hồ quang bên ngoài dài hơn và chiếm diện tích lớn hơn. Trong động cơ từ thông hướng trục được thiết kế tốt, sự không đồng đều này được quản lý thông qua bước và hình dạng rãnh của cuộn dây stato - nhưng nhà cung cấp nam châm cần biết tỷ lệ bán kính từ trong ra ngoài và tỷ lệ cung cực để đưa ra hình dạng chính xác.
Thứ hai, việc cắt hình cung từ khối NdFeB thiêu kết tạo ra sự lãng phí vật liệu đáng kể so với các đoạn hồ quang. Một khối NdFeB tạo ra 12 đoạn cung 30 độ cho động cơ hướng tâm sẽ tạo ra ít khu vực có thể sử dụng hơn cho động cơ hướng trục có cùng đường kính rôto, bởi vì các góc khu vực và sự thay đổi về chiều rộng làm giảm năng suất. Dự kiến chi phí vật liệu trên mỗi động cơ đối với nam châm cung từ thông hướng trục cao hơn 20–35% so với nam châm hồ quang từ thông hướng tâm tương đương ở cùng loại và lớp phủ.
2. Hướng từ hóa: Hướng trục, không hướng tâm
Đây là lỗi đặc điểm kỹ thuật phổ biến nhất đối với các kỹ sư chuyển từ thiết kế hướng tâm sang hướng trục. Trong động cơ từ thông hướng tâm, nam châm được từ hóa hướng tâm - cực bắc và cực nam nằm ở mặt cong bên trong và bên ngoài. Trong động cơ từ thông hướng trục, các nam châm được từ hóa theo hướng trục - các cực bắc và nam nằm ở mặt trên và mặt dưới phẳng, định hướng song song với trục động cơ.
Việc chỉ định từ hóa xuyên tâm trên nam châm cung từ thông dọc trục tạo ra một nam châm chính xác về mặt hình học nhưng vô dụng về mặt từ tính trong ứng dụng - từ thông thoát ra qua các cạnh cong thay vì qua các mặt phẳng nơi có khe hở không khí. Lỗi này không phải lúc nào cũng được phát hiện khi kiểm tra lần đầu vì kích thước nam châm là chính xác; nó hiển thị dưới dạng EMF ngược gần như bằng 0 khi động cơ chạy lần đầu tiên.
Đối với động cơ từ thông hướng trục có cấu hình rôto mảng Halbach - ngày càng phổ biến trong các thiết kế hiệu suất cao - hướng từ hóa quay quanh đĩa rôto theo gia số 45 độ hoặc 90 độ. Thông số kỹ thuật phải bao gồm rõ ràng góc từ hóa của từng vị trí nam châm và bản vẽ lắp ráp phải đánh dấu hướng của từng bộ phận. Không có tốc ký tiêu chuẩn cho việc này; nó yêu cầu bản đồ từ hóa theo từng vị trí trong thông số kỹ thuật mua hàng.
3. Cấu hình Stator rôto đơn và Stator rôto kép
Động cơ từ thông hướng trục có ba cấu hình cơ học chính: rôto đơn với stato đơn (SRSF), rôto kép với stato đơn (loại TORUS hoặc YASA) và rôto đơn với stato kép. Thông số kỹ thuật nam châm khác nhau giữa các cấu hình này.
Trong cấu hình TORUS/YASA - trong đó hai đĩa rôto đặt cạnh một stato không lõi trung tâm - mỗi đĩa rôto mang nam châm và hai đĩa được lắp ráp với cực tính đối nhau nên đường từ thông đi qua cuộn dây stato mà không có lõi thép. Điều này có nghĩa là các nam châm trên mỗi đĩa rôto phải hút về phía đĩa đối diện qua khe hở stato và trình tự lắp ráp phải duy trì lực hút này trong quá trình lắp đặt (lực giữa hai đĩa rôto đối diện xuyên qua khe hở không khí 10mm trong động cơ TORUS đường kính 200mm điển hình là 500–1500N - đủ để khiến một tay bị thương nặng nếu bộ cố định lắp ráp bị hỏng).
Đối với động cơ TORUS không lõi, nam châm phải được chỉ định với dung sai từ dư chặt chẽ hơn (±2% so với tiêu chuẩn ±5%) vì không có sắt để bão hòa và tính trung bình độ không đồng nhất từ thông nhỏ. Dạng sóng EMF ngược tỷ lệ thuận với phân bố mật độ từ thông cục bộ, do đó sự biến thiên giữa nam châm và nam châm chuyển trực tiếp thành gợn sóng mô-men xoắn. Yêu cầu về dung sai chặt chẽ hơn này thường làm tăng thêm 15–25% chi phí nam châm.
4. Lựa chọn cấp độ cho các ứng dụng thông lượng dọc trục
Môi trường nhiệt trong động cơ từ thông hướng trục khác với từ thông hướng tâm. Hình dạng đĩa phẳng có tỷ lệ bề mặt trên thể tích tốt hơn và trong hầu hết các thiết kế, nam châm ở gần chu vi bên ngoài hơn, nơi làm mát đối lưu hoặc dẫn điện hiệu quả hơn. Nhiệt độ nam châm vận hành cho động cơ từ thông hướng trục trong các ứng dụng máy phát điện và lực kéo truyền động trực tiếp thường là 60–100 độ - thấp hơn mức 100–150 độ được thấy trong các động cơ servo từ thông hướng tâm tốc độ cao.
Điều này có nghĩa là các yêu cầu về lực cưỡng chế thường ít nghiêm ngặt hơn dự kiến. Đối với hầu hết các ứng dụng động cơ bánh xe EV và máy phát điện gió, N42H (xếp hạng 120 độ) là loại chính xác. N42SH (150 độ) hiếm khi cần thiết trừ khi động cơ ở trong môi trường nhiệt độ môi trường cao với khả năng làm mát hạn chế. Việc chỉ định N42SH hoặc cao hơn cho động cơ từ thông hướng trục được làm mát tốt sẽ làm tăng thêm 8–12% chi phí nam châm mà không mang lại lợi ích về hiệu suất ở nhiệt độ vận hành.
Ngoại lệ là động cơ từ thông hướng trục tốc độ cao - bộ truyền động trục chính, rôto tích trữ năng lượng bánh đà - trong đó ứng suất ly tâm lên đĩa nam châm là hạn chế thiết kế chủ yếu. Ở tốc độ 10,000+ RPM, ứng suất hướng tâm trên nam châm có bán kính ngoài có thể đạt đến giới hạn độ bền kéo của NdFeB thiêu kết (khoảng 80 MPa). Các ứng dụng này yêu cầu phân tích ứng suất phần tử hữu hạn của đĩa rôto và trong một số trường hợp yêu cầu sửa đổi hình dạng nam châm (thêm các mặt vát bán kính bên trong để giảm nồng độ ứng suất) hoặc chuyển sang NdFeB hoặc SmCo liên kết có đặc tính kéo tốt hơn với chi phí BHmax thấp hơn.
5. Danh sách kiểm tra mua sắm nam châm ngành thông lượng hướng trục
Thông số kỹ thuật mua nam châm từ thông hướng tâm tiêu chuẩn cần có những bổ sung sau cho nam châm khu vực từ thông hướng trục:
Hình học: chỉ định bán kính trong (Ri), bán kính ngoài (Ro), góc cung ( độ ) và độ dày mặt phẳng. Bao gồm tỷ lệ Ri/Ro một cách rõ ràng - nó xác định tính toán hiệu suất và tính đồng nhất phân phối từ thông.
Hướng từ hóa: chỉ định hướng trục (độ dày xuyên suốt) cho các thiết kế tiêu chuẩn. Đối với rôto mảng Halbach, cung cấp bản vẽ sơ đồ từ hóa theo từng vị trí.
Dung sai dư: tiêu chuẩn ±5% là chấp nhận được đối với thiết kế stato lõi sắt. Chỉ định ±2% cho cấu hình TORUS/YASA không lõi.
Lớp phủ: Ni-Cu-Ni tiêu chuẩn phù hợp cho hầu hết các ứng dụng từ thông dọc trục. Đối với các môi trường ăn mòn (gió ven biển, biển) hoặc các ứng dụng có độ ẩm cao, hãy chỉ định lớp phủ ngoài bằng niken hoặc epoxy không điện phân. Áo khoác ngoài màu vàng hiếm khi cần thiết trừ khi động cơ ở trong môi trường y tế hoặc bán dẫn.
Đánh dấu lắp ráp: yêu cầu mỗi mặt nam châm được đánh dấu hướng từ hóa (N hoặc S) trên mặt phẳng. Hình dạng của khu vực này không tự định hướng - nam châm không được đánh dấu trong cụm nhiều cực là nguy cơ lỗi lắp ráp đáng kể.
HIMAGNET sản xuất nam châm khu vực cho động cơ từ thông hướng trục ở cấp độ từ N35 đến N52, với từ hóa hướng trục và mảng Halbach, các biến thể không lõi có dung sai chặt chẽ và đánh dấu lắp ráp. Hãy liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi về Ri, Ro, số cực và nhiệt độ vận hành của bạn để biết đề xuất về hình dạng và cấp độ.
