Nam châm NdFeB trong Động cơ điện: Hướng dẫn lựa chọn và thiết kế

Giới thiệu

Động cơ điện chiếm ứng dụng lớn nhất củanam châm NdFeBtrên toàn thế giới. Từ động cơ DC không chổi than trong thiết bị điện tử tiêu dùng đến động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong xe điện, thiết kế mạch từ quyết định trực tiếp hiệu suất động cơ, mật độ mô-men xoắn và độ ổn định nhiệt. Hướng dẫn này đề cập đến cách sử dụng nam châm neodymium trong động cơ điện, cách chọn loại phù hợp cho loại động cơ của bạn và những điều kỹ sư cần chỉ định khi tìm nguồn cung ứng nam châm cho các ứng dụng động cơ.

Tại sao NdFeB thống trị các ứng dụng động cơ

1. Trường hợp động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu thay thế rôto nam châm điện của động cơ cảm ứng thông thường bằng rôto mang nam châm vĩnh cửu năng lượng cao. Điều này giúp loại bỏ tổn thất đồng rôto và giảm dòng điện từ hóa rút ra từ bộ biến tần, mang lại hiệu suất tăng đáng kể - đặc biệt ở chế độ tải một phần, nơi động cơ cảm ứng kém hiệu quả nhất.

Những ưu điểm chính khiến NdFeB trở thành vật liệu được lựa chọn:

• Sản phẩm năng lượng cao nhất: 33–52 MGOe, cho phép thể tích rôto nhỏ nhất cho yêu cầu từ thông nhất định
• Mức độ lưu lại cao: 1,17–1,47 T, tạo ra dòng khe hở không khí mạnh mà không có tiết diện nam châm lớn
• Hình học nam châm mỏng: độ kháng từ cao cho phép tạo ra nam châm hoặc hồ quang mỏng, giảm quán tính của rôto
• Không có sức mạnh kích thích: không giống như rôto trường vết thương, nam châm NdFeB không yêu cầu đầu vào điện liên tục

Các loại động cơ và cấu hình nam châm

2. Động cơ nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt (SPM)

Trong động cơ SPM, nam châm phân đoạn hồ quang hoặc khối được liên kết hoặc buộc vào bề mặt bên ngoài của rôto. Đây là cấu hình đơn giản nhất và cho phép sử dụng nam châm hồ quang tiêu chuẩn mà không cần gia công phức tạp.

• Hình dạng nam châm: các đoạn cung (gạch cong), thường được thiêu kết bằng NdFeB
• Hướng từ hóa: hướng kính (hướng vào hoặc ra xa trục trục)
• Khe hở không khí: lớn hơn động cơ IPM - bản thân nam châm chiếm một phần khe hở không khí từ tính
• Lớp điển hình: N42H đến N45SH - sản phẩm năng lượng vừa phải với mức nhiệt độ H hoặc SH
• Ứng dụng: động cơ servo, động cơ trục chính, động cơ BLDC nhỏ, thiết bị truyền động công nghiệp

Xem xét thiết kế: nam châm hồ quang trong rôto SPM chịu tác dụng của lực ly tâm ở tốc độ cao. Đối với các rôto có tốc độ trên 3.000 vòng/phút, thường cần có dải giữ (sợi carbon hoặc thép không gỉ). Điều này làm giảm khe hở không khí từ hiệu quả và phải được tính đến khi tính toán từ thông.

3. Động cơ nam châm vĩnh cửu (IPM) bên trong

Động cơ IPM nhúng nam châm hình chữ nhật hoặc thanh bên trong các lớp rôto. Điều này bảo vệ nam châm khỏi lực ly tâm và cho phép rôto khai thác mômen từ trở bên cạnh mômen nam châm, tăng khả năng mô men xoắn cực đại.

• Hình dạng nam châm: thanh hoặc khối hình chữ nhật, đôi khi có hình thang
• Hướng từ hóa: thường song song (theo chiều ngắn của thanh)
• Khe hở không khí: nhỏ hơn SPM - chỉ có cầu cán tách nam châm khỏi khe hở không khí
• Lớp điển hình: N38SH đến N45UH - định mức nhiệt độ cao hơn tới hạn do dòng điện xoáy làm nóng rôto
• Ứng dụng: Động cơ kéo EV, máy nén HVAC, bộ truyền động servo công nghiệp, máy phát điện tua bin gió

Xem xét thiết kế: Rôto IPM chịu tổn thất dòng điện xoáy đáng kể trong nam châm ở tần số chuyển mạch cao. Nam châm được phân đoạn (nhiều mảnh nhỏ hơn liên kết với nhau) làm giảm đường đi của dòng điện xoáy và giảm nhiệt độ hoạt động của nam châm. Chỉ định các yêu cầu phân đoạn trong bản vẽ của bạn nếu hoạt động ở tần số chuyển đổi biến tần trên 5 kHz.

4. Động cơ thông lượng hướng trục

Động cơ từ thông hướng trục (còn gọi là động cơ bánh kếp) định hướng đường từ thông dọc theo trục trục động cơ chứ không phải hướng tâm. Nam châm hình đĩa được gắn trên một hoặc cả hai mặt rôto, cách nhau bởi một khe hở không khí với cuộn dây stato phẳng.

• Hình dạng nam châm: đĩa hình khu vực/chiếc bánh hoặc hình thang
• Hướng từ hóa: trục (song song với trục)
• Lớp điển hình: N42H đến N48H - sản phẩm năng lượng cao dành cho hình học đĩa compact
• Ứng dụng: Động cơ EV trong bánh xe, máy phát điện truyền động trực tiếp, khớp robot, hình ảnh y tế

Lựa chọn cấp độ và nhiệt độ cho động cơ

5. Nhiệt độ hoạt động là biến quan trọng

Nam châm động cơ tiếp xúc với nhiệt từ cả tổn hao cuộn dây stato (dẫn qua khe hở không khí) và tổn thất dòng điện xoáy của chính chúng. Nhiệt độ nam châm rôto trong động cơ có tải thường cao hơn môi trường xung quanh từ 20–60 độ - thường đạt tới 100–150 độ trong các ứng dụng lực kéo EV.

Việc chỉ định sai hậu tố nhiệt độ sẽ dẫn đến hiện tượng khử từ một phần không thể đảo ngược khi có tải, không thể phục hồi được nếu không tái từ hóa cụm rôto.

6. Biên độ khử từ

Nam châm động cơ phải duy trì đủbiên độ khử từ- khoảng cách giữa điểm làm việc của nam châm và điểm khử từ không thuận nghịch của nó trên đường cong BH. Đối với các ứng dụng động cơ, mức chênh lệch tối thiểu 10–15% là thông lệ kỹ thuật tiêu chuẩn.

Sự kiện khử từ trong trường hợp xấu nhất xảy ra trong tình trạng sự cố: dòng điện ngắn mạch tạo ra một trường đối lập mạnh đẩy điểm vận hành xuống đường cong BH. Nếu điểm này đi qua đầu gối (đặc biệt ở nhiệt độ cao nơi đầu gối dâng lên), nam châm sẽ không phục hồi về điểm vận hành ban đầu khi hết lỗi.

Cấp độ kháng từ cao hơn (hậu tố H, SH, UH) di chuyển đầu gối xuống sâu hơn trên đường cong BH, mang lại khả năng chống khử từ lớn hơn - với chi phí BHmax thấp hơn một chút so với cùng cấp số không có hậu tố.

Danh sách kiểm tra mua sắm cho nam châm động cơ

7. Những gì kỹ sư ô tô cần chỉ định

• Lớp có hậu tố nhiệt độ: không bao giờ chỉ định loại không có hậu tố cho các ứng dụng động cơ. Hậu tố H tối thiểu cho hầu hết các động cơ công nghiệp; SH hoặc UH cho xe điện và các ứng dụng chu kỳ cao.
• Hình học và dung sai của nam châm: nam châm hồ quang yêu cầu bán kính trong (Ri), bán kính ngoài (Ro), góc cung và chiều dài trục. Chỉ định dung sai độ dày xuyên tâm (± 0,05 mm mặt đất) và dung sai góc cung (± 0,1 độ). Đối với nam châm thanh IPM, chỉ định cả ba kích thước với dung sai.
• Hướng và mô hình từ hóa: mảng hướng tâm, song song hoặc Halbach. Từ hóa đa cực trên vòng là một bước sản xuất riêng biệt với quá trình thiêu kết - hãy xác nhận năng lực của nhà cung cấp của bạn.
• Phân đoạn nam châm: nếu vận hành trên tần số chuyển đổi biến tần trên 5 kHz hoặc trên 10.000 vòng/phút, hãy chỉ định số đoạn chu vi và trục trên mỗi cực để hạn chế tổn thất dòng điện xoáy.
• Lớp phủ: nam châm động cơ trong vỏ kín thường sử dụng lớp mạ niken Ni-Cu-Ni. Đối với động cơ làm mát bằng dầu (làm mát phun dầu trực tiếp), chỉ định lớp phủ epoxy hoặc Ni + epoxy hai lớp để kháng hóa chất.
• Dữ liệu đường cong BH ở nhiệt độ vận hành: yêu cầu các giá trị Br và Hcj đo được ở nhiệt độ vận hành rôto tối đa của bạn, không chỉ ở 20 độ. Xác minh vị trí điểm đầu gối ở nhiệt độ tối đa.
• PPAP hoặc kiểm tra bài viết đầu tiên: đối với ô tô hoặc các ứng dụng động cơ quan trọng về an toàn, yêu cầu kiểm tra sản phẩm đầu tiên (FAI) với báo cáo chiều đầy đủ và chứng nhận đặc tính từ tính cho mỗi lô sản xuất.

HIMAGNET hỗ trợ các ứng dụng động cơ như thế nào

HIMAGNETcung cấp các đoạn hồ quang NdFeB thiêu kết, nam châm dạng thanh và nam châm dạng đĩa cho các ứng dụng động cơ ở mọi cấp độ và phạm vi nhiệt độ. Chúng tôi hỗ trợ hình học nam châm hồ quang từ kích thước danh mục tiêu chuẩn đến thông số kỹ thuật góc Ri/Ro/hồ quang tùy chỉnh, với dung sai nối đất đến ±0,05 mm.

Đối với các chương trình phát triển động cơ, chúng tôi cung cấp dữ liệu đường cong BH ở nhiều nhiệt độ, hỗ trợ phân tích khử từ và đề xuất phân đoạn dựa trên cấu hình tốc độ và tần số biến tần của bạn.

Chia sẻ loại động cơ, hình dạng rôto, nhiệt độ vận hành tối đa và khối lượng hàng năm của bạn - chúng tôi sẽ đề xuất loại động cơ phù hợp và cung cấp báo giá kỹ thuật trong vòng một ngày làm việc.