Zašto su motori sa aksijalnim protokom potrebni različiti magneti
Motori sa aksijalnim fluksom - koji se nazivaju i palačinki motori ili disk motori - orijentiraju svoj magnetni tok paralelno s osom rotacije, a ne radijalno van nje. Zračni raspor je ravan disk nego cilindrični prsten. Ova geometrija proizvodi veću gustinu obrtnog momenta po jedinici zapremine od dizajna radijalnog fluksa, zbog čega se motori sa aksijalnim fluksom pojavljuju u EV pogonima za vuču, vetrogeneratorima, mašinama za pranje veša sa direktnim pogonom, i sve više u robotici gde kratak, ravan motor pristaje bolje od dugog cilindričnog.
Razlika u geometriji magnetnog kruga nije samo promjena oblika - ona mijenja koja je geometrija magneta potrebna, kako je smjer magnetizacije specificiran i kojim načinima kvara su magneti izloženi. Inženjeri koji specificiraju magnete iz motora radijalnog fluksa i primjenjuju istu logiku na dizajn aksijalnog fluksa obično se susreću s problemima u prvom prototipu: magneti koji su geometrijski ispravni, ali magnetizirani u pogrešnom smjeru, ili dizajni gdje faktor koncentracije fluksa nije uzet u obzir i magneti zasićuju željezo statora pri djelomičnom opterećenju.
1. Problem geometrije magnetnog sektora
U motoru sa radijalnim fluksom, magneti su segmenti luka - zakrivljene pločice koje se omotavaju oko cilindrične površine rotora. Širina magneta, ugao luka i radijalna debljina su ključne dimenzije, i one se direktno skaliraju sa brojem polova i prečnikom rotora.
U aksijalnom fluks motoru, magneti su u obliku sektora - pločice u obliku torta koje pokrivaju dio površine ravnog diska rotora. Sektorski ugao je jednak 360 stepeni podeljen sa brojem polova (za dizajn sa punom pokrivenošću). 16-polni motor koristi 16 sektorskih magneta, od kojih svaki pokriva 22,5 stepeni. Kritična geometrijska komplikacija je da širina magneta varira od unutrašnjeg do vanjskog radijusa: unutrašnja ivica svakog sektora je uža od vanjske ivice. Ovo je suprotno od konstantnog poprečnog presjeka i stvara dva problema.
Prvo, gustina fluksa u vazdušnom rasporu nije ujednačena po radijusu magneta. Vanjski dio magneta proizvodi više fluksa po jedinici površine od unutrašnjeg dijela na istom nivou magnetizacije, jer je vanjski luk duži i pokriva veću površinu. U dobro dizajniranom motoru aksijalnog toka, ova neujednačenost se upravlja putem koraka namotaja statora i geometrije proreza - ali dobavljač magneta mora znati omjer unutrašnjeg i vanjskog radijusa i udio polarnog luka da bi naveo ispravnu geometriju.
Drugo, sektori rezanja od sinterovanog NdFeB bloka proizvode značajan otpad materijala u poređenju sa segmentima luka. Blok NdFeB koji daje dvanaest segmenata luka od 30 stepeni za radijalni motor će dati manje upotrebljivih sektora za aksijalni motor istog prečnika rotora, jer uglovi sektora i varijacije u širini smanjuju prinos. Očekujte 20–35% veći trošak materijala po motoru za magnete sektora aksijalnog fluksa u poređenju sa ekvivalentnim magnetima radijalnog fluksa sa istim stepenom i premazom.
2. Smjer magnetizacije: aksijalni, ne radijalni
Ovo je jedina najčešća greška u specifikaciji za inženjere koji prelaze sa radijalnog na aksijalni dizajn toka. Kod motora radijalnog fluksa, magneti su magnetizirani radijalno - sjeverni i južni pol su na unutrašnjoj i vanjskoj zakrivljenoj strani. Kod motora sa aksijalnim fluksom magneti se magnetiziraju aksijalno - sjeverni i južni pol su na ravnoj gornjoj i donjoj strani, orijentirani paralelno s osovinom motora.
Određivanje radijalne magnetizacije na magnetu sektora aksijalnog toka proizvodi magnet koji je geometrijski ispravan, ali magnetski beskoristan u primjeni - fluks izlazi kroz zakrivljene rubove, a ne kroz ravne površine gdje je zračni jaz. Ova greška se ne otkrije uvijek pri ulaznoj inspekciji jer su dimenzije magneta tačne; prikazuje se kao povratni EMF blizu nule kada se motor prvi put pokrene.
Za motore sa aksijalnim fluksom sa konfiguracijom rotora Halbach niza - sve češće u visokoefikasnim dizajnima - smjer magnetizacije rotira oko diska rotora u koracima od 45 stupnjeva ili 90 stupnjeva. Specifikacija mora eksplicitno uključiti ugao magnetizacije svakog položaja magneta, a montažni crtež mora označiti orijentaciju svakog dijela. Ne postoji standardna skraćenica za ovo; to zahtijeva mapu magnetizacije pozicije po poziciju u specifikaciji kupovine.
3. Konfiguracije statora sa jednim rotorom u odnosu na dvostruki rotor
Motori sa aksijalnim protokom dolaze u tri glavne mehaničke konfiguracije: jedan rotor sa jednim statorom (SRSF), dvostruki rotor sa jednim statorom (TORUS ili YASA-tip) i jedan rotor sa dvostrukim statorom. Specifikacija magneta se razlikuje između ovih konfiguracija.
U TORUS/YASA konfiguracijama - gdje dva diska rotora okružuju jedan centralni stator bez jezgra - svaki disk rotora nosi magnete, a dva diska su sastavljena sa suprotnim polaritetom tako da se put fluksa zatvara kroz namotaj statora bez čeličnog jezgra. To znači da se magneti na svakom disku rotora moraju privući prema suprotnom disku preko otvora statora, a redoslijed montaže mora održavati ovu privlačnost tokom instalacije (sila između dva suprotna diska rotora preko zračnog razmaka od 10 mm u tipičnom TORUS motoru prečnika 200 mm je 500–1500 N - dovoljno da ozbiljno ozlijedi ruku ako sklop pokvari).
Za TORUS motore bez jezgra, magneti moraju biti specificirani sa strožom tolerancijom remanencije (±2% naspram standardnih ±5%) jer nema željeza za zasićenje i usredsređuje male neujednačenosti fluksa. Talasni oblik povratne EMF je direktno proporcionalan lokalnoj distribuciji gustine fluksa, tako da se varijacija magnet-magnet direktno prevodi u talasanje momenta. Ovaj zahtjev strože tolerancije obično dodaje 15-25% cijeni magneta.
4. Odabir razreda za primjene aksijalnog toka
Termičko okruženje u motorima sa aksijalnim fluksom razlikuje se od radijalnog fluksa. Geometrija ravnog diska ima bolji omjer površine i zapremine i u većini dizajna magneti su bliže vanjskom perimetru gdje je konvektivno ili konduktivno hlađenje efikasnije. Radne temperature magneta za motore sa aksijalnim fluksom u vučnim i generatorskim aplikacijama sa direktnim pogonom su obično 60–100 stepeni – niže od 100–150 stepeni koje se vide kod servo motora velike brzine radijalnog protoka.
To znači da su zahtjevi prisile često manje strogi od očekivanog. Za većinu primjena EV motora i vjetrogeneratora, N42H (na 120 stupnjeva) je ispravna ocjena. N42SH (150 stepeni) je rijetko potreban osim ako se motor ne nalazi u okruženju visoke temperature okoline sa ograničenim hlađenjem. Specificiranje N42SH ili više za dobro hlađeni aksijalni fluks motor dodaje 8-12% cijeni magneta bez prednosti u performansama na radnoj temperaturi.
Izuzetak su motori sa aksijalnim protokom velike brzine - pogoni vretena, rotori za skladištenje energije zamašnjaka - gdje je centrifugalni stres na magnetima diska dominantno ograničenje dizajna. Pri 10,000+ RPM, radijalni napon na magnetima sektora vanjskog radijusa može se približiti granici zatezne čvrstoće sinterovanog NdFeB (približno 80 MPa). Ove primjene zahtijevaju analizu naprezanja diska rotora pomoću konačnih elemenata, au nekim slučajevima zahtijevaju modifikacije geometrije magneta (dodavanje ivica unutrašnjeg radijusa radi smanjenja koncentracije naprezanja) ili prelazak na vezani NdFeB ili SmCo koji imaju bolja vlačna svojstva po cijenu nižeg BHmax.
5. Kontrolna lista nabavke za magnete za sektor aksijalnog toka
Standardne specifikacije za kupovinu magneta radijalnog toka zahtijevaju sljedeće dodatke za magnete sektora aksijalnog toka:
Geometrija: specificirajte unutrašnji radijus (Ri), spoljašnji radijus (Ro), sektorski ugao (stepen) i debljinu ravnog lica. Eksplicitno uključite Ri/Ro omjer - on određuje proračun prinosa i uniformnost raspodjele fluksa.
Smjer magnetizacije: odredite aksijalni (kroz debljinu) za standardne dizajne. Za rotore Halbach niza, obezbijedite crtež karte magnetizacije pozicije po položaj.
Tolerancija remanencije: standardno ±5% je prihvatljivo za konstrukcije statora sa gvozdenim jezgrom. Odredite ±2% za TORUS/YASA konfiguracije bez jezgre.
Premaz: standardni Ni-Cu-Ni prikladan je za većinu primjena aksijalnog fluksa. Za korozivna okruženja (obalni vjetar, more) ili primjene s visokom vlagom, specificirajte premaz od nikla ili epoksida bez elektronike. Zlatni kaput je rijetko potreban osim ako je motor u medicinskom ili poluvodičkom okruženju.
Označavanje sklopa: zatražite da se svako lice magneta označi smjerom magnetizacije (N ili S) na ravnoj površini. Geometrija sektora nije samoorijentisana - neoznačeni magneti u višepolnom sklopu predstavljaju značajan rizik od greške pri montaži.
HIMAGNET proizvodi sektorske magnete za motore sa aksijalnim fluksom u razredima od N35 do N52, sa aksijalnim i Halbach-magnetizacijom, varijantama bez jezgra s malom tolerancijom i oznakom sklopa. Kontaktirajte naš inženjerski tim s vašim Ri, Ro, brojem polova i radnom temperaturom za preporuku geometrije i nagiba.
