Khử từ nhiệt là chế độ hư hỏng nam châm phổ biến nhất mà không ai có kế hoạch thực hiện
Hầu hết các phân tích nhiệt động cơ đều tập trung vào cuộn dây. Tổn thất đồng được tính toán, mạng điện trở nhiệt được xây dựng và thiết kế được công bố là an toàn nếu nhiệt độ cuộn dây duy trì dưới giới hạn cấp cách điện. Nhiệt độ nam châm được ghi nhận là đầu ra thứ cấp của cùng một model - thường thấp hơn cuộn dây 10–20 độ - và được kiểm tra theo nhiệt độ hoạt động tối đa trên biểu dữ liệu. Nếu nó ở dưới giới hạn của biểu dữ liệu thì quá trình phân tích sẽ dừng lại.
Cách tiếp cận này bỏ lỡ hai điều. Đầu tiên, nhiệt độ hoạt động tối đa của nam châm trên biểu dữ liệu không phải là giới hạn an toàn khử từ - đó là nhiệt độ vượt quá mức mà các đặc tính của nam châm bị suy giảm vĩnh viễn ngay cả khi không có từ trường bên ngoài. Thứ hai, ngay cả dưới nhiệt độ đó, sự kết hợp giữa nhiệt độ tăng cao và trường phản ứng phần ứng trong các sự kiện mô-men xoắn cực đại sẽ tạo ra rủi ro khử từ không thể đánh giá được chỉ từ nhiệt độ ở trạng thái ổn định. Bài viết này đề cập đến phương pháp tính toán thực tế.
1. Tại sao nam châm động cơ chạy nóng hơn hầu hết các nhà thiết kế mong đợi
Trong động cơ PM gắn trên bề mặt, các nam châm được liên kết với rôto và tách khỏi cuộn dây bằng khe hở không khí, lớp lót khe, bàn ủi răng và vỏ. Thoạt nhìn, chúng có vẻ cách ly tốt với nguồn nhiệt chính. Trong thực tế, rôto nóng lên từ hai nguồn: tổn thất dòng điện xoáy trong chính nam châm (đáng kể ở các nam châm phân đoạn có sóng hài khe cao) và dẫn nhiệt từ stato thông qua bức xạ và đối lưu qua khe hở không khí.
Tổn hao dòng điện xoáy trong nam châm NdFeB rắn có thang đo bằng bình phương của biên độ điều hòa mật độ từ thông và bình phương tần số. Trong động cơ 6 cực chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút với cuộn dây tập trung (hàm lượng sóng hài cao), tổn thất dòng điện xoáy trong nam châm có thể lên tới 15–30% tổng tổn thất rôto. Đây không phải là một sự điều chỉnh nhỏ. Trong động cơ 500W, tổn thất dòng điện xoáy nam châm 10W với điện trở nhiệt 3 độ/W giữa nam châm và môi trường xung quanh tạo ra nhiệt độ nam châm tăng thêm 30 độ so với sắt rôto. Kết hợp với nhiệt dẫn từ stato, nhiệt độ nam châm trong động cơ cuộn dây tập trung tải liên tục thường xuyên vượt quá nhiệt độ cuộn dây từ 5–15 độ thay vì thấp hơn chúng.
Con đường nhiệt quan trọng. Trong động cơ từ thông hướng trục có cấu hình rôto kép, nam châm nằm trên bề mặt bên ngoài của đĩa rôto - chúng có khả năng làm mát đối lưu tuyệt vời ở hầu hết các dạng hình học và chạy mát hơn stato. Trong động cơ từ thông hướng tâm có rãnh sâu có ngăn xếp dài và hạn chế làm mát ở đầu cuối, gradient nhiệt độ nam châm dọc theo chiều dài trục có thể đạt tới 20 độ từ đầu đến giữa. Điểm nóng nhất trong nam châm không thể nhìn thấy được đối với các cảm biến nhiệt gắn trong stato và đó là điểm nóng nhất quyết định biên độ khử từ.
2. Tính toán an toàn khử từ đúng
Giới hạn an toàn khử từ có hai thành phần: giới hạn nhiệt (khoảng cách từ nhiệt độ vận hành đến nhiệt độ mà đầu gối đi qua trường vận hành) và giới hạn trường (khoảng cách từ trường khử từ phản ứng phần ứng đến đầu gối ở nhiệt độ vận hành). Cả hai đều phải được tính toán.
Bắt đầu với việc phân tích đường tải từ hình dạng mạch từ (được đề cập trong bài viết trước của loạt bài này). Điều này mang lại điểm vận hành (Bop, Hop) khi không có phản ứng phần ứng. Đối với động cơ từ thông hướng tâm được thiết kế tốt có PC=6, Hop xấp xỉ −Br/PC ≈ −0,22 T / μ₀ ≈ −175 kA/m. Đây là điểm vận hành không tải ở nhiệt độ môi trường.
Thêm trường phản ứng phần ứng. Ở dòng điện cực đại (thường là 3× liên tục trong bộ điều khiển servo), trường khử từ ở bề mặt nam châm là Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm), trong đó Id là thành phần dòng điện trục d và Ld là độ tự cảm trục d. Đối với động cơ servo thông thường có đỉnh 10A và Ld=2mH, trường phản ứng phần ứng ở bề mặt nam châm có thể đạt tới 200–400 kA/m tùy thuộc vào hình dạng của động cơ. Tổng trường khử từ là tổng: −175 + (−300)=−475 kA/m trong ví dụ này.
Bây giờ hãy kiểm tra vị trí đầu gối ở nhiệt độ hoạt động của nam châm. Đối với N45 (Hcj=1380 kA/m ở 20 độ , hệ số nhiệt độ −0,55%/ độ ), ở 120 độ Hcj giảm xuống khoảng 1380 × (1 − 0,55% × 100)=621 kA/m. Điểm uốn của đường cong khử từ đối với N45 ở góc 120 độ xảy ra ở khoảng 0,5 × Hcj=310 kA/m theo hướng khử từ. Tổng trường −475 kA/m vượt quá trường đầu gối −310 kA/m. Thiết kế này sẽ trải qua quá trình khử từ không thể đảo ngược một phần trong các sự kiện mô-men xoắn cực đại ở nhiệt độ vận hành. Tính toán hiển thị chế độ lỗi trước khi nó xuất hiện trong thử nghiệm.
Việc sửa chữa không phải lúc nào cũng là nâng cấp lớp. Trong ví dụ này, các tùy chọn là: (1) nâng cấp lên N45H (Hcj ≈ 2000 kA/m ở 20 độ, đầu gối ở 120 độ ≈ 650 kA/m - an toàn); (2) tăng PC bằng cách giảm khe hở không khí, giúp đưa Hop đến gần 0 hơn và giảm độ nhạy đối với phản ứng phần ứng; (3) giảm dòng điện cực đại thông qua giới hạn dòng điện trong biến tần; hoặc (4) chấp nhận cấu hình vận hành và sử dụng nam châm cấp thấp hơn với hệ số nhiệt độ thuận nghịch tốt hơn. Tùy chọn 2–4 không yêu cầu nam châm đắt tiền hơn. Tùy chọn 1 là dễ xác định nhất nhưng không phải lúc nào cũng rẻ nhất.
3. Ước tính nhiệt độ nam châm không cần FEA
Trong giai đoạn thiết kế ban đầu, FEA nhiệt đầy đủ không phải lúc nào cũng có sẵn. Mạng nhiệt tham số gộp được đơn giản hóa mang lại độ chính xác phù hợp cho các quyết định ban đầu.
Đối với động cơ từ thông hướng tâm, hãy mô hình hóa đường điện trở nhiệt từ nam châm đến môi trường xung quanh thành ba phần tử nối tiếp: điện trở nhiệt từ nam châm đến rôto-sắt (R1=Lm / (km × Am), thường là 0,3–0,8 độ /W tùy thuộc vào độ dày và độ dẫn điện của lớp dính); rôto-sắt-trục (R2, phụ thuộc vào hình dạng rôto, thường là 0,5–2 độ /W đối với rôto thép đặc); và từ trục đến môi trường thông qua đường dẫn ổ trục và vỏ (R3, thường là 1–5 độ /W tùy thuộc vào phương pháp làm mát). Đối với phần dẫn nhiệt của stato, hãy thêm điện trở nhiệt khe hở không khí (R_gap ≈ Lg / (k_air × Ag) + hiệu chỉnh đối lưu, thường là 0,1–0,5 độ /W cho khe hở 0,5 mm).
Với mạng đơn giản hóa, độ tăng nhiệt độ của nam châm so với môi trường xung quanh xấp xỉ:
ΔT_magnet=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_stator × (R_gap + R2 + R3) / (R_stator_total)
Đối với động cơ servo không chổi than 1kW có: P_eddy=5W, R1=0.5 độ /W, R2=1 độ /W, R3=3 độ /W; P_stator=80W, R_stator_to_ambient=0.8 độ /W, R_gap=0.3 độ /W. Độ tăng nhiệt độ của nam châm so với môi trường xung quanh là xấp xỉ 5 × 4.5 + 80 × 4,3/0,8 ≈ 22.5 + 430=- thuật ngữ P_stator không hoạt động theo cách này vì nhiệt của stato chủ yếu chảy ra ngoài qua vỏ chứ không phải qua khe hở với nam châm.
Phương pháp đơn giản hóa đã hiệu chỉnh: độ tăng nhiệt độ của nam châm do nhiệt stato xấp xỉ P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap, được giới hạn ở nhiệt độ cuộn dây stato trừ đi độ sụt nhiệt khe hở cố định. Đối với hầu hết các thiết kế động cơ làm mát cưỡng bức, nhiệt độ nam châm là nhiệt độ stato âm 10–25 độ do sự cách ly khe hở không khí. Đối với các thiết kế được làm mát thụ động, việc cách ly khe hở kém hiệu quả hơn và chênh lệch giảm xuống còn 5–10 độ. Nếu cuộn dây stato ở 155 độ (giới hạn Loại F) thì nam châm ở 130–145 độ - đưa N45 vào vùng nguy hiểm được tính toán ở trên. Đây là lý do tại sao động cơ cách điện Loại F với nam châm N45 là vấn đề về độ tin cậy đang chờ xảy ra trong các ứng dụng có dòng điện đỉnh cao.
4. Logic lựa chọn lớp dựa trên nhiệt độ nam châm cực đại
Với nhiệt độ nam châm cực đại được ước tính, việc lựa chọn cấp độ trở thành quyết định kỹ thuật trực tiếp thay vì tra cứu bảng.
Nhiệt độ nam châm cực đại dưới 80 độ: cấp tiêu chuẩn (N35–N52) là phù hợp. Biên độ Hcj tới đầu gối ở 80 độ là đủ cho hầu hết các ứng dụng động cơ có dòng điện cực đại dưới 3× liên tục.
Nhiệt độ nam châm cực đại 80–120 độ: Cấp H (N35H–N52H) là mức cơ bản cho mọi thứ có dòng điện cực đại trên 2× liên tục hoặc cuộn dây tập trung (hàm lượng sóng hài cao). Đối với cuộn dây phân tán có dòng điện cực đại dưới 2× liên tục, có thể chấp nhận các cấp tiêu chuẩn có biên độ đường tải được xác minh.
Nhiệt độ nam châm cực đại 120–150 độ: Cần có cấp SH (N35SH–N48SH) cho các ứng dụng có dòng điện đỉnh cao. Hcj đối với N42SH là khoảng 2400 kA/m ở 20 độ, tạo ra vị trí đầu gối ở góc 150 độ khoảng 550 kA/m - gấp đôi cấp tiêu chuẩn N42 ở cùng nhiệt độ. Đối với cuộn dây phân tán có giới hạn dòng điện đỉnh bảo toàn, cấp H vẫn có thể đủ ở mức dưới của dải này.
Nhiệt độ nam châm cao nhất trên 150 độ: Cấp EH hoặc AH (N35EH–N38EH) cho NdFeB hoặc chuyển sang cấp SmCo 26–28. Các cấp NdFeB EH cung cấp Hcj trên 3000 kA/m ở 20 độ nhưng Br bị giới hạn ở phạm vi 1,08–1,18 T. Đối với các ứng dụng mà mật độ mô-men xoắn quan trọng hơn khả năng chịu nhiệt (truyền động máy nén tốc độ cao, truyền động động cơ hàng không vũ trụ), SmCo ở nhiệt độ cao nhất 150–200 độ thường là lựa chọn vật liệu chính xác mặc dù chi phí cao hơn 4–6×.
Một lỗi phổ biến: chỉ định cấp EH cho thiết kế động cơ chỉ cần H vì ai đó trong nhóm "được an toàn". Các loại EH có giá cao hơn khoảng 25–35% so với các loại H đối với Br tương đương và Br của chúng thấp hơn đối với cùng một số loại. Nếu tính toán nhiệt độ nam châm cao nhất hiển thị 130 độ thì N45H là thông số kỹ thuật chính xác - không phải N40EH.
5. Xác minh biên nhiệt sau khi sản xuất
Việc tính toán đưa ra ý định thiết kế. Việc xác minh yêu cầu dữ liệu thử nghiệm.
Thử nghiệm tiêu chuẩn để xác minh biên độ khử từ là thử nghiệm dòng điện ngắn mạch ở nhiệt độ cao. Động cơ được làm nóng đến nhiệt độ vận hành mục tiêu, sau đó áp dụng đoản mạch có kiểm soát để tạo ra trường khử từ phản ứng phần ứng cực đại. Back-EMF được đo trước và sau. Nếu EMF ngược sau thử nghiệm nằm trong khoảng 1% giá trị trước thử nghiệm thì nam châm vẫn tồn tại mà không bị khử từ không thể đảo ngược. Mức giảm lớn hơn 2% cho thấy quá trình khử từ một phần đã xảy ra.
Để được chấp nhận sản xuất, thử nghiệm này rất tốn kém khi chạy trên mọi động cơ. Thay vào đó, các nhà cung cấp thường xác minh các đặc tính từ ở cấp độ lô: Độ đồng đều Br trong khoảng ±1,5% trong một lô (không phải theo từng lô - tính đồng nhất của lô quan trọng đối với tính nhất quán của biên độ khử từ), Hcj trên mức thông số kỹ thuật tối thiểu (thường là 10% trên mức tối thiểu cần thiết cho biên) và độ đồng đều từ hóa thông qua quét Hall. Những điều này xác minh rằng nam châm được đưa vào sản xuất có các đặc tính được giả định trong tính toán thiết kế.
HIMAGNET cung cấp đường cong khử từ đầy đủ ở nhiệt độ ứng dụng và có thể tham chiếu chéo phân tích dòng tải của bạn với các giá trị Hcj đo được theo từng lô cụ thể trước khi giao hàng. Đối với các thiết kế động cơ có giới hạn nhiệt chặt chẽ - Cách điện loại F, tỷ lệ mô-men xoắn từ đỉnh đến liên tục trên 3 × hoặc môi trường hoạt động trên 60 độ xung quanh - hãy yêu cầu chứng chỉ lô nhiệt độ cao (Hcj ở các giá trị đo được 100 độ và 120 độ, không phải danh nghĩa) khi đặt hàng.
