Mật độ thông lượng khe hở nam châm NdFeB: Mục tiêu thiết kế, lựa chọn cấp độ và đo lường
Giới thiệu
Bảng dữ liệu cấp báo cáo lượng dư (Br) trong điều kiện mạch kín, không khe hở. Con số thực sự điều khiển mô-men xoắn, EMF ngược và thiết kế cuộn dây là mật độ từ thông khe hở không khí - mật độ từ thông mà nam châm mang lại khi có khe hở không khí thực, sắt stato và đường dẫn rò rỉ trong mạch. Khoảng cách giữa biểu dữ liệu Br và mật độ từ thông khe hở không khí đang hoạt động được điều chỉnh bởi hệ số thấm (Pc) của mạch từ và đó là nơi mà hầu hết kích thước động cơ sơ bộ đều sai. Hướng dẫn này trình bày cách chuyển mục tiêu mật độ thông lượng khe hở không khí thành quyết định cấp độ, nhiệt độ thay đổi mục tiêu đó như thế nào và cách xác minh kết quả trong sản xuất.
1. Mật độ thông lượng khe hở không khí thực sự kiểm soát điều gì trong thiết kế động cơ
Mật độ từ thông khe hở không khí - từ trường trong khe hở vật lý giữa nam châm rôto và sắt stato - là con số chịu tải lớn nhất trong động cơ nam châm vĩnh cửu. Nó xác định hằng số mô-men xoắn, EMF ngược, tổn thất lõi và lượng dòng điện đồng bạn cần để đạt được mục tiêu mô-men xoắn nhất định. Nếu sai 15% thì thiết kế cuộn dây của bạn sẽ bị hỏng, mô hình nhiệt của bạn bị hỏng và bản đồ hiệu suất của bạn trông không giống nguyên mẫu.
Br (phần dư) từ bảng dữ liệu nam châm không giống với mật độ từ thông khe hở không khí. Br là đặc tính vật liệu được đo trong điều kiện mạch kín, không khe hở. Thời điểm bạn mở một khe hở không khí vật lý, mật độ từ thông giảm xuống - và mức độ giảm xuống tùy thuộc vào hình dạng nam châm, chiều dài khe hở không khí, đường rò và trạng thái bão hòa của sắt stato. Coi Br là đại diện cho mật độ từ thông khe hở không khí là sai lầm phổ biến nhất trong việc định cỡ động cơ sơ bộ và nó luôn tạo ra các ước tính mô-men xoắn lạc quan.
2. Hệ số thấm và lý do nó thúc đẩy việc lựa chọn cấp độ
Điểm hoạt động của nam châm trong mạch được xác định bởi hệ số thấm Pc - tỷ lệ giữa chiều dài nam châm với khe hở hiệu dụng mà nó truyền từ thông qua. Đối với hầu hết các rôto BLDC hướng tâm có cuộn dây tập trung, Pc nằm trong khoảng từ 3 đến 8 trong điều kiện không tải. Khi có tải, trường stato khử từ nam châm, đẩy điểm vận hành xuống thấp hơn. Giao điểm của đường tải với đường cong BH cho biết mật độ từ thông thực tế mà nam châm mang lại.
Ở Pc=5 không có rò rỉ, nam châm loại N45 (Br ≈ 1,33 T) cung cấp khoảng 1,1–1,15 T trong chính nam châm. Sau khi tính đến tổn thất do biên và rò rỉ điển hình ở các stato nhiều lớp thực tế, mật độ từ thông khe hở không khí rơi vào khoảng 0,85–0,95 T. Đối với một động cơ BLDC nhỏ nhắm mục tiêu 0,9 T trong khe hở, N45 là mức phù hợp. Nâng cấp lên N52 (Br ≈ 1,45 T) giúp bạn tăng khoảng 0,06–0,08 T - thực tế nhưng khiêm tốn. Trong một động cơ nhỏ gọn có thể tích nam châm đã bị hạn chế, sự khác biệt đó rất quan trọng.
3. Xếp điểm phù hợp với mục tiêu khoảng cách: Bảng quyết định thực tế
Bảng bên dưới thể hiện các mục tiêu thiết kế chung theo cấp độ NdFeB, giả sử Pc ≈ 4–6 và một stato nhiều lớp điển hình. Đây là những điểm khởi đầu, không thay thế cho FEA.
Nếu mục tiêu mật độ thông lượng khe hở không khí của bạn là 0,70–0,80 T: N35 hoặc N38 sẽ bao phủ nó. Phạm vi này phổ biến ở quạt, máy bơm và động cơ thiết bị nhỏ nhạy cảm với chi phí, trong đó chi phí nam châm là một hạn chế lớn. Sử dụng N45 ở đây sẽ lãng phí tiền bạc và tạo ra nguy cơ từ hóa quá mức khiến sắt stato của bạn trở nên bão hòa.
Đối với 0,80–0,90 T: N42 hoặc N45 là lựa chọn tiêu chuẩn. Hầu hết các động cơ BLDC và PMSM công nghiệp tầm trung đều có mặt ở đây. N42H bổ sung khoảng không nhiệt lên 120 độ mà không làm thay đổi đáng kể thông lượng nhiệt độ phòng.
Đối với 0,90–1,00 T: N48 hoặc N50. Bạn đang ở trong lãnh thổ servo hiệu suất cao. Độ dày nam châm thường tăng để duy trì điểm hoạt động cao hơn. Ở mức này, dung sai lắp ráp trên khe hở không khí trở nên quan trọng - sự thay đổi 0,05 mm về chiều dài khe hở tạo ra sự thay đổi mật độ từ thông khoảng 1,5–2%.
Trên 1,00 T: N52 chỉ trong các ứng dụng nhỏ, lành tính về nhiệt. N52 là ranh giới cho hầu hết mục đích sử dụng công nghiệp - Hcj của nó thấp hơn N45H, do đó khả năng chống khử từ dưới dòng điện quá mức hoặc nhiệt độ tăng cao sẽ kém hơn. Sử dụng N52 trong động cơ có cuộn dây 80 độ và hoạt động làm suy yếu trường là một lỗi trường đang chờ xảy ra. HIMAGNET thường xuyên khuyên khách hàng giảm kích thước từ N52 xuống N48H hoặc N45SH trong các ứng dụng có nhiệt độ đỉnh và dòng điện đỉnh trùng nhau.
4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mật độ thông lượng khe hở không khí
Lượng dư NdFeB giảm theo nhiệt độ ở khoảng −0,11 đến −0,12%/độ đối với các loại tiêu chuẩn. Trong phạm vi hoạt động 100 độ - ví dụ: khởi động nguội 20 độ đến nhiệt độ nam châm rôto ở trạng thái ổn định 120 độ - Br giảm khoảng 11–12%. Điều đó có nghĩa là một động cơ được thiết kế cho công suất 0,90 T ở 20 độ sẽ tạo ra gần 0,79–0,80 T ở nhiệt độ vận hành. Nếu tính toán hằng số mô-men xoắn của bạn dựa trên giá trị nguội, động cơ của bạn sẽ thiếu mô-men xoắn ~ 11% ở trạng thái ổn định.
Cách tiếp cận đúng là xác định mật độ từ thông khe hở không khí ở nhiệt độ nam châm dự kiến tối đa, sau đó tính toán lại cấp nhiệt độ phòng cần thiết. Đối với mục tiêu 0,88 T ở nhiệt độ nam châm 100 độ, bạn cần cấp độ cung cấp khoảng 0,98–1,00 T ở 20 độ trong cùng một điểm vận hành - chỉ tới N48 hoặc N50, không phải N45. Đây là lỗi hệ thống trong nhiều bảng dữ liệu động cơ chỉ định "N45" mà không xác định nhiệt độ đo.
Việc chuyển sang loại hậu tố H hoặc SH không làm tăng dòng nhiệt độ phòng - nó làm tăng độ cưỡng bức (Hcj) để chống lại quá trình khử từ ở nhiệt độ cao. Nếu nhiệt độ hoạt động của bạn dưới 100 độ và bạn không bị suy yếu từ trường thì Hcj của N45 tiêu chuẩn là đủ và không có lý do từ tính nào để trả phí bảo hiểm cho N45H.
5. Đo mật độ thông lượng khe hở không khí trong sản xuất
Mật độ từ thông trong khe hở không khí có thể được đo trực tiếp bằng đầu dò Hall trên rôto đã lắp ráp hoặc được suy ra từ phép đo từ thông trên từng nam châm cộng với mô hình mạch. Cả hai cách tiếp cận đều có sự đánh đổi.
Phép đo đầu dò Hall trực tiếp trong khe hở là chính xác đối với cụm cụ thể được đo nhưng yêu cầu động cơ phải được lắp ráp ít nhất một phần. Nó phát hiện các biến thể của cụm lắp ráp - độ dày nam châm không chính xác, độ lệch của rôto, biến thể của đường keo - mà phép đo cấp bộ phận bị bỏ sót. Đối với sản xuất số lượng lớn, việc đo khoảng cách 100% là không thực tế; kiểm tra dựa trên mẫu với kiểm soát nam châm Br chặt chẽ là phương pháp tiêu chuẩn.
Để kiểm tra nam châm đi vào, phép đo từ thông trên thiết bị cố định đã hiệu chuẩn (đo tổng từ thông hoặc trường bề mặt cực đại) có thể lặp lại nhiều hơn so với phép đo từ đầu dò Hall vì nó lấy trung bình trên mặt nam châm. Thiết bị cố định phải được hiệu chỉnh dựa vào nam châm có Br đã biết và mối tương quan với mật độ từ thông khe hở không khí trong động cơ phải được thiết lập theo kinh nghiệm cho từng hình dạng động cơ. Hệ số tương quan 0,75–0,85 giữa trường bề mặt vật cố định và mật độ khe hở không khí trong động cơ là điển hình cho nam châm hồ quang phân đoạn trong rôto BLDC.
6. Danh sách kiểm tra lựa chọn lớp trước khi bạn chỉ định
Trước khi khóa điểm trên bản vẽ, hãy xác minh năm điểm sau. Mỗi cái đều gây ra vấn đề sản xuất khi bị bỏ qua.
Đầu tiên: nhiệt độ bề mặt nam châm tối đa trong trường hợp xấu nhất là bao nhiêu, không chỉ ở môi trường xung quanh? Sử dụng mô phỏng hoặc đo nhiệt - không phải ước tính chỉ dựa trên nhiệt độ cuộn dây, vì khoảng cách giữa nhiệt độ cuộn dây và nam châm tùy thuộc vào thiết kế động cơ cụ thể và có thể là 20–40 độ trong các thiết kế lấp đầy khe cao.
Thứ hai: Pc tối thiểu trong mạch dưới dòng khử từ tối đa là bao nhiêu? Đây là điểm giao nhau của đường tải quyết định nam châm hoạt động ở trên hay dưới đầu gối của nó. Nếu điểm vận hành trong điều kiện suy yếu từ trường giảm xuống dưới đầu gối đối với cấp độ bạn đã chọn, quá trình khử từ không thể đảo ngược sẽ xảy ra và các đặc tính của động cơ sẽ thay đổi vĩnh viễn.
Thứ ba: chiều dài khe hở không khí có được kiểm soát đủ chặt chẽ để Cpk hợp lý về dung sai khe hở không tạo ra sự thay đổi lớn hơn ±3% về mật độ từ thông không? Nếu không, hãy thắt chặt dung sai trước khi nâng cấp cấp nam châm.
Thứ tư: sắt stator có đủ biên độ Bsat ở mật độ từ thông khe hở không khí mục tiêu không? Tăng từ 0,85 T lên 0,95 T trong khe hở có thể làm bão hòa một chiếc răng được thiết kế kém, loại bỏ phần lớn mức tăng mô-men xoắn và tăng thêm tổn thất sắt.
Thứ năm: chi phí cao hơn của N48 hoặc N50 có được điều chỉnh bằng mức tăng mật độ mô-men xoắn hay có thể đạt được mô-men xoắn tương tự với N45 và nam châm lớn hơn một chút? Với số lượng sản xuất trên 10.000 chiếc, chênh lệch chi phí cấp độ thường vượt quá chi phí chế tạo của một túi rôto lớn hơn một chút. Nhóm kỹ thuật của HIMAGNET có thể tiến hành so sánh về hình dạng của bạn - hãy liên hệ với chúng tôi về đường kính ngoài động cơ, chiều dài ống xếp và mục tiêu mô-men xoắn của bạn.
HIMAGNET hỗ trợ thông số kỹ thuật về mật độ thông lượng khe hở không khí như thế nào
HIMAGNET cung cấp dữ liệu hiệu suất nam châm, bao gồm các đường cong khử từ đầy đủ ở nhiều nhiệt độ (20 độ, 60 độ, 100 độ, 120 độ, 150 độ tùy theo cấp), do đó khách hàng có thể chạy phân tích đường tải và điểm vận hành mà không cần bắt đầu từ một biểu dữ liệu trống. Đối với các chương trình động cơ tùy chỉnh, nhóm kỹ thuật của chúng tôi xem xét hình dạng mạch - chiều dài nam châm, khe hở không khí và cấu hình stato - để xác nhận việc lựa chọn cấp độ đáp ứng mật độ từ thông khe hở không khí mục tiêu ở nhiệt độ vận hành được chỉ định trước khi khóa thiết kế.
Nếu bạn có mật độ thông lượng khe hở không khí mục tiêu, nhiệt độ vận hành và hình dạng động cơ, hãy liên hệ với HIMAGNET cùng với thông số kỹ thuật của bạn để xem xét lựa chọn cấp độ.
