Hướng từ hóa trong nam châm động cơ: Mảng xuyên tâm, song song và Halbach

Hướng từ hóa Không ai giải thích được

Khi một kỹ sư động cơ chỉ định nam châm hồ quang NdFeB, thứ tự thường bao gồm cấp độ, hình học, lớp phủ và dung sai. Hướng từ hóa hiển thị dưới dạng ghi chú một từ - "xuyên tâm" - hoặc bị bỏ qua hoàn toàn với giả định rằng nhà cung cấp biết phải làm gì.

Giả định đó đúng đối với động cơ đơn giản. Đối với các ứng dụng servo, robot và UAV hiệu suất cao, đó là loại giả định khiến bạn phải mất ba lần lặp lại nguyên mẫu để chẩn đoán. Hướng từ hóa xác định trực tiếp hình dạng dạng sóng mật độ từ thông trong khe hở không khí, gợn sóng mô-men xoắn, hàm lượng sóng hài EMF ngược và sự cân bằng thực tế giữa mô-men xoắn cực đại và mô-men xoắn bánh răng. Chọn sai sau khi hình học rôto bị khóa không phải là cách khắc phục nhanh chóng.

Hướng dẫn này đề cập đến ba phương pháp từ hóa được sử dụng trong động cơ nam châm vĩnh cửu hiện đại - hướng tâm, song song (đôi khi được gọi là "bánh mì") và mảng Halbach - và khi nào mỗi phương pháp đều phù hợp và không phải là lựa chọn phù hợp.

1. Từ hóa xuyên tâm: Mặc định hoạt động cho đến khi không hoạt động

Từ hóa xuyên tâm có nghĩa là từ trường bên trong đoạn hồ quang hướng ra ngoài từ tâm rôto trong trường hợp nam châm gắn trên bề mặt trên rôto bên trong. Đó là tiêu chuẩn vì lý do chính đáng: nó có thể được sản xuất với các thiết bị sạc tiêu chuẩn, nó hoạt động đáng tin cậy trên nhiều dạng hình cung khác nhau và nó tạo ra dạng sóng mật độ thông lượng khe hở không khí hình thang rất phù hợp với động cơ EMF ngược hình thang.

Dạng sóng hình thang có vùng đỉnh phẳng trong đó mật độ từ thông gần như không đổi, chuyển đổi nhanh chóng ở các cạnh nam châm. Đối với động cơ DC không chổi than (BLDC) được dẫn động bằng chuyển mạch sáu bước, đây chính xác là hình dạng dạng sóng mà bạn mong muốn - nó phù hợp với chuyển mạch chuyển mạch và tạo ra mô-men xoắn tương đối êm ái ở tốc độ vận hành dự định.

Sự cố xuất hiện ở động cơ PMSM được điều khiển bằng hình sin trong đó thuật toán điều khiển giả định EMF ngược hình sin. Các đoạn hồ quang được từ hóa hướng tâm tạo ra EMF ngược với hàm lượng hài bậc 5 và 7 đáng kể - thường là 3–7% sóng cơ bản trong các rôto được thiết kế tốt, có khả năng cao hơn ở các rôto có ít cực hoặc chiều dài hồ quang ngắn. Những sóng hài đó xuất hiện dưới dạng gợn sóng mô-men xoắn ở tần số điện gấp 6 lần. Ở tốc độ 3.000 vòng/phút trong động cơ 8 cực (điện 200 Hz), đó là gợn sóng mô-men xoắn 1.200 Hz. Trong máy công cụ chính xác hoặc khớp robot có băng thông cơ học cao, nó có thể nghe được và đo được trong phổ lỗi vị trí.

Từ hóa xuyên tâm là lựa chọn phù hợp cho: Động cơ BLDC có chuyển mạch sáu bước, động cơ có chi phí và khả năng sản xuất vượt trội so với gợn sóng mô-men xoắn và các ứng dụng trong đó tần số điện đủ thấp để sóng hài 6× giảm xuống dưới mức cộng hưởng cơ học của tải.

2. Từ hóa song song: Gần với hình sin hơn mà không phức tạp

Từ hóa song song - còn được gọi là từ hóa "bánh mỳ" vì cách các đường sức từ bên trong nam châm - căn chỉnh hướng từ hóa song song với một trục cố định thay vì hướng tâm từ tâm rôto. Kết quả là sự phân bố mật độ từ thông trong khe hở không khí gần với hình sin hơn so với trường hợp xuyên tâm.

Sự cải thiện về số lượng còn khiêm tốn nhưng có thể đo lường được. Trong một rôto gắn trên bề mặt 8 cực điển hình có các đoạn cung 150 độ, việc chuyển từ từ hóa hướng tâm sang từ hóa song song làm giảm thành phần EMF ngược hài bậc 5 từ khoảng 5% xuống còn 2–3% so với cơ bản. Hài bậc 7 giảm từ khoảng 3% xuống 1–1,5%. Tổng độ méo sóng hài ở dạng sóng EMF phía sau giảm từ 6–8% xuống 3–4%.

Đối với động cơ PMSM được điều khiển hình sin trong trục CNC, khớp robot cộng tác và bộ truyền động servo có thông số gợn sóng mô-men xoắn dưới 2% mô-men xoắn định mức, từ hóa song song có giá trị bù đắp chi phí nhỏ - thường là 8–15% so với bán kính đối với các đoạn cung tùy chỉnh ở khối lượng sản xuất.

Hạn chế là về mặt hình học: từ hóa song song hoạt động tốt nhất khi đoạn hồ quang có một góc tương đối nhỏ. Đối với động cơ có số cực cao trong đó các đoạn cung riêng lẻ bao phủ 30–45 độ chu vi rôto thì sự cải thiện so với hướng kính là đáng kể. Đối với động cơ có số cực thấp trong đó các phân đoạn bao phủ 60 độ trở lên, mật độ từ thông ở các cạnh nam châm sẽ khác biệt đáng kể so với dạng hình sin dự định và lợi ích sẽ giảm đi.

3. Mảng Halbach: Hiệu suất cao với chi phí kỹ thuật thực tế

Một dãy Halbach sắp xếp các nam châm sao cho các đoạn liền kề có các hướng từ hóa quay dần dần - hướng tâm ra ngoài, sau đó tiếp tuyến, rồi hướng tâm vào trong, rồi tiếp tuyến theo hướng ngược lại - tạo ra dạng sóng có hình sin mạnh ở một phía của mảng và gần như bằng 0 ở phía bên kia. Trong rôto động cơ, điều này có nghĩa là gần như toàn bộ từ thông tập trung ở khe hở không khí và rất ít rò rỉ qua bàn ủi phía sau.

Những lợi ích về hiệu suất là có thật và đáng kể. So với rôto từ hóa hướng tâm thông thường, mảng Halbach tạo ra:

• Mật độ từ thông khe hở không khí cơ bản cao hơn 15–25% cho cùng một thể tích nam châm
• Back-EMF THD dưới 1% ở cấu hình được thiết kế tốt
• Mô-men xoắn gần hình sin với độ gợn mô-men xoắn dưới 0,5% mô-men xoắn định mức
• Giảm độ dày của sắt phía sau rôto, giúp rôto nhẹ hơn

Đây là lý do mảng Halbach xuất hiện trong các động cơ dẫn động trực tiếp hiệu suất cao dành cho rô-bốt hợp tác, bộ truyền động bàn chụp ảnh y tế, xử lý chất bán dẫn chính xác và một số ứng dụng UAV.

Chi phí kỹ thuật là thực tế như nhau. Mảng Halbach yêu cầu tối thiểu bốn đoạn nam châm trên mỗi cực - và trong thực tế là sáu hoặc tám đoạn để có độ trung thực hình sin tốt - so với một đoạn trên mỗi cực đối với hướng tâm hoặc song song. Mỗi phân khúc có hướng từ hóa khác nhau, có nghĩa là các thiết bị sạc khác nhau, chi phí từng bộ phận cao hơn và lắp ráp phức tạp hơn. Yêu cầu về dung sai vị trí chặt chẽ hơn: vị trí góc của từng đoạn phải được giữ trong phạm vi ±0,5 độ để tránh làm suy giảm dạng sóng từ thông. Việc lắp ráp yêu cầu các đồ gá và đồ gá chính xác không thể thay thế cho nhau giữa các kích cỡ động cơ.

Với khối lượng sản xuất nhỏ - dưới 500 rôto mỗi tháng - chi phí lắp ráp và dụng cụ cho mảng Halbach thường bằng 3–5× chi phí nam châm của rôto thông thường. Ở khối lượng lớn, phí bảo hiểm giảm xuống còn 1,5–2×. Quyết định đúng đắn phụ thuộc vào việc liệu việc cải thiện hiệu suất có phù hợp với chi phí đó ở quy mô sản xuất và mục tiêu hiệu suất của bạn hay không.

4. Ma trận lựa chọn

5. Những điều cần xác nhận với nhà cung cấp nam châm của bạn

• ☐ Chỉ định hướng từ hóa một cách rõ ràng trên bản vẽ - "bán kính", "song song" hoặc "Halbach với cấu hình phân đoạn N trên mỗi cực"
• ☐ Đối với từ hóa song song: hãy xác nhận rằng nhà cung cấp có bộ sạc phù hợp với hình dạng hồ quang của bạn; một vật cố định được thiết kế cho một góc cung khác sẽ tạo ra một vật lai không hướng tâm cũng như không song song đúng cách
• ☐ Đối với mảng Halbach: yêu cầu vectơ hướng từ hóa cho từng vị trí đoạn trong tổ hợp; xác minh mô phỏng động cơ của bạn trước khi cam kết sử dụng công cụ
• ☐ Yêu cầu dữ liệu ánh xạ mật độ từ thông trên rôto mẫu: nhà cung cấp đo từ thông tại các vị trí xác định xung quanh chu vi rôto; điều này xác nhận rằng đã đạt được từ hóa dự định và cung cấp dữ liệu cơ bản cho quá trình kiểm tra sắp tới
• ☐ Xác nhận khoảng thời gian hiệu chuẩn thiết bị sạc; Sự xuống cấp của thiết bị cố định là nguồn biến đổi từ hóa phổ biến nhất trong quá trình sản xuất

HIMAGNET sản xuất nam châm phân đoạn hồ quang mảng Halbach, từ hóa hướng tâm, từ hóa song song cho các ứng dụng động cơ từ các mẫu kỹ thuật cho đến sản xuất. Để được hỗ trợ đặc điểm kỹ thuật từ hóa trên thiết kế động cơ của bạn,liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôivới số cực, hình học đoạn cung và mục tiêu gợn sóng mô-men xoắn.