NdFeB magnetna gustina protoka zračnog raspora: projektni ciljevi, odabir stepena i mjerenje

Uvod

Podaci o stepenu pokazuju remanenciju (Br) u uslovima zatvorenog kola, nulte praznine. Broj koji zapravo pokreće obrtni moment, povratni EMF i dizajn namotaja je gustina fluksa zračnog raspora - gustina fluksa koju magnet isporučuje kada se pravi zračni raspor, gvožđe statora i putevi curenja nalaze u krugu. Razmak između tablice podataka Br i gustine protoka zračnog raspora u pogonu je reguliran koeficijentom permeance (Pc) magnetnog kola, i to je mjesto gdje većina preliminarnih dimenzioniranja motora pogreši. Ovaj vodič utvrđuje kako prevesti ciljnu gustinu protoka zračnog jaza u odluku o nagibu, kako temperatura pomjera taj cilj i kako provjeriti rezultat u proizvodnji.

1. Šta zapravo kontroliše gustina protoka vazdušnog raspora u dizajnu motora

Gustina fluksa zračnog raspora - magnetsko polje u fizičkom razmaku između magneta rotora i gvožđa statora - jedini je broj koji nosi najviše opterećenja u motoru s permanentnim magnetom. Određuje konstantu obrtnog momenta, povratni EMF, gubitak jezgre i količinu bakrene struje koja vam je potrebna da postignete zadani cilj zakretnog momenta. Pogrešite za 15% i vaš dizajn namotaja je isključen, vaš termalni model je isključen, a vaša mapa efikasnosti ne izgleda nimalo kao prototip.

Br (remanencija) iz tablice podataka magneta nije ista stvar kao gustina protoka vazdušnog raspora. Br je svojstvo materijala mjereno u uslovima zatvorenog kruga, nulte praznine. U trenutku kada otvorite fizički zračni raspor, gustina fluksa opada - a koliko će opasti ovisi o geometriji magneta, dužini zračnog raspora, putevima curenja i ponašanju zasićenja gvožđa statora. Tretiranje Br kao zamjene za gustinu protoka zračnog raspora je najčešća greška u preliminarnom dimenzioniranju motora, i dosljedno daje optimistične procjene momenta.

2. Koeficijent propusnosti i zašto utiče na odabir stepena

Radna tačka magneta u kolu je definisana koeficijentom permeance Pc - omjerom dužine magneta i efektivnog razmaka preko kojeg pokreće fluks. Za većinu BLDC rotora radijalnog fluksa sa koncentrisanim namotajima, Pc pada između 3 i 8 u uslovima praznog hoda. Pod opterećenjem, polje statora demagnetizira magnet, gurajući radnu tačku niže. Presjek linije opterećenja sa BH krivom daje stvarnu gustinu fluksa koju magnet daje.

Na Pc=5 bez curenja, magnet N45 (Br ≈ 1,33 T) daje otprilike 1,1–1,15 T u samom magnetu. Nakon uzimanja u obzir gubitaka ivica i curenja tipičnih za prave laminirane statore, gustina protoka vazdušnog raspora iznosi oko 0,85–0,95 T. Za mali BLDC motor koji cilja 0,9 T u zazoru, N45 je razumno podudaranje. Nadogradnjom na N52 (Br ≈ 1,45 T) dobijate oko 0,06–0,08 T u jazu - stvarno, ali skromno. U kompaktnom motoru gdje je volumen magneta već ograničen, ta razlika je bitna.

3. Usklađivanje ocjene s ciljem jaza: tabela praktične odluke

Tabela ispod mapira uobičajene ciljeve dizajna na NdFeB razrede, uz pretpostavku da je Pc ≈ 4–6 i tipičan laminirani stator. Ovo su polazišta, a ne zamjene za FEA.

Ako je vaš cilj gustine protoka vazdušnog raspora 0,70–0,80 T: N35 ili N38 ga pokriva. Ovaj raspon je uobičajen kod ventilatora, pumpi i motora malih uređaja koji su osjetljivi na troškove gdje je cijena magneta dominantno ograničenje. Korištenje N45 ovdje troši novac i stvara rizik od pretjeranog magnetiziranja vašeg statorskog gvožđa do zasićenja.

Za 0,80–0,90 T: N42 ili N45 je standardni izbor. Većina industrijskih BLDC i PMSM motora srednjeg dometa slijeće ovdje. N42H dodaje termalni prostor na 120 stepeni bez značajnog mijenjanja fluksa sobne temperature.

Za 0,90–1,00 T: N48 ili N50. Ušli ste u teritoriju servo visokih performansi. Debljina magneta se obično povećava kako bi se održala viša radna tačka. Na ovom nivou, tolerancije montaže na vazdušnom rasporu postaju kritične - varijacija od 0,05 mm u dužini zazora proizvodi oko 1,5-2% varijacije u gustini fluksa.

Iznad 1,00 T: N52 samo u malim, termički benignim aplikacijama. N52 je granični za većinu industrijske upotrebe - njegov Hcj je niži od N45H, pa je otpornost na demagnetizaciju pod prekomjernom strujom ili povišenom temperaturom lošija. Korištenje N52 u motoru koji vidi namotaje od 80 stupnjeva i operaciju slabljenja polja je kvar na polju koji čeka da se dogodi. HIMAGNET redovno savjetuje kupce da smanje veličinu sa N52 na N48H ili N45SH u aplikacijama gdje se vršna temperatura i vršna struja preklapaju.

4. Temperaturni efekti na gustinu protoka vazdušnog jaza

Remanencija NdFeB opada sa temperaturom od približno -0,11 do -0,12%/stepen za standardne klase. Preko radnog opsega od 100 stepeni – recimo, 20 stepeni hladnog starta do 120 stepeni stabilne temperature magneta rotora – Br pada za otprilike 11–12%. To znači da motor dizajniran za 0,90 T na 20 stepeni proizvodi bliže 0,79–0,80 T na radnoj temperaturi. Ako je vaš proračun konstantne momenta zasnovan na vrijednosti hladnoće, vaš motor će raditi ~11% manje od momenta u stabilnom stanju.

Ispravan pristup je da se specificira gustina protoka zračnog raspora na maksimalnoj očekivanoj temperaturi magneta, a zatim ponovo izračunate potrebnu razinu sobne temperature. Za cilj od 0,88 T na temperaturi magneta od 100 stepeni, potreban vam je stepen koji isporučuje približno 0,98–1,00 T na 20 stepeni pod istom radnom tačkom – što ukazuje na N48 ili N50, a ne na N45. Ovo je sistematska greška u mnogim tehničkim listovima motora koji navode "N45" bez kvalificiranja mjerne temperature.

Prebacivanje na nivo sufiksa H ili SH ne povećava fluks na sobnoj temperaturi - povećava koercitivnost (Hcj) kako bi se oduprlo demagnetizaciji na povišenoj temperaturi. Ako je vaša radna temperatura ispod 100 stepeni i ne slabite na terenu, Hcj standardnog N45 je adekvatan i nema magnetskog razloga da plaćate premiju za N45H.

5. Mjerenje gustine protoka vazdušnog jaza u proizvodnji

Gustina fluksa u zračnom rasporu može se izmjeriti direktno pomoću Hallove sonde na sastavljenom rotoru ili se može zaključiti iz mjerenja fluksa na pojedinačnim magnetima plus model kola. Oba pristupa imaju kompromise.

Direktno mjerenje Holove sonde u razmaku je tačno za određeni sklop koji se mjeri, ali zahtijeva da motor bude barem djelimično sastavljen. Hvata varijacije montaže - pogrešnu debljinu magneta, iskošenje rotora, varijacije linije ljepila - koje mjerenje na nivou dijela promašuje. Za proizvodnju velikog obima, 100% mjerenje u razmaku je nepraktično; Inspekcija na bazi uzorka sa čvrstom kontrolom ulaznog magneta Br je standardni pristup.

Za inspekciju ulaznog magneta, mjerenje fluksa na kalibriranom uređaju (mjerenje ukupnog fluksa ili vršnog površinskog polja) je ponovljivije od očitavanja Holove sonde, jer ima prosjek na površini magneta. Učvršćenje mora biti kalibrirano prema magnetima sa poznatim Br, a korelacija sa gustinom fluksa u vazdušnom jazu u motoru mora se empirijski utvrditi za svaku geometriju motora. Korelacioni faktori od 0,75–0,85 između površinskog polja uređaja i gustine vazdušnog raspora u motoru su tipični za magnete sa segmentnim lukom u BLDC rotorima.

6. Kontrolna lista za odabir ocjena prije nego što navedete

Prije zaključavanja ocjene na crtežu, provjerite ovih pet bodova. Svaki je izazvao probleme u proizvodnji kada je preskočen.

Prvo: koja je maksimalna temperatura površine magneta u najgorem slučaju, a ne samo u ambijentu? Koristite termičku simulaciju ili mjerenje – ne procjenu zasnovanu samo na temperaturi namotaja, jer je jaz između temperature namotaja i magneta specifičan za dizajn motora i može biti 20–40 stepeni u dizajnu sa visokim prorezima.

Drugo: koliki je minimalni Pc u kolu pod maksimalnom strujom demagnetiziranja? Ovo je raskrsnica linije opterećenja koja određuje da li magnet radi iznad ili ispod koljena. Ako radna tačka ispod slabljenja polja padne ispod koljena za vaš odabrani nivo, dolazi do nepovratne demagnetizacije i karakteristike motora se trajno mijenjaju.

Treće: da li se dužina vazdušnog raspora kontroliše dovoljno čvrsto da razumna Cpk tolerancije zazora ne stvara više od ±3% varijacije u gustini fluksa? Ako nije, zategnite toleranciju prije nadogradnje klase magneta.

Četvrto: da li gvožđe statora ima adekvatnu Bsat marginu pri ciljanoj gustini protoka vazdušnog raspora? Prelazak sa 0,85 T na 0,95 T u razmaku može zasititi loše dizajnirani zub, eliminirajući veći dio povećanja momenta i dodajući gubitak željeza.

Peto: da li je premija troškova N48 ili N50 opravdana povećanjem gustine obrtnog momenta, ili se isti obrtni moment može postići sa N45 i malo većim magnetima? U proizvodnim količinama većim od 10.000 jedinica, razlika u cijeni često premašuje cijenu alata malo većeg džepa rotora. Inženjerski tim HIMAGNET-a može izvršiti poređenje vaše geometrije - kontaktirajte nas s OD motora, dužinom gomile i ciljnim momentom.

Kako HIMAGNET podržava specifikaciju gustine protoka vazdušnog raspora

HIMAGNET pruža podatke o performansama magneta, uključujući pune krive demagnetizacije na više temperatura (20 stepeni, 60 stepeni, 100 stepeni, 120 stepeni, 150 stepeni u zavisnosti od stepena), tako da kupci mogu da izvrše analizu linije opterećenja i radne tačke bez počinjanja od praznog lista sa podacima. Za prilagođene programe motora, naš inženjerski tim pregleda geometriju kola - dužinu magneta, zračni raspor i konfiguraciju statora - kako bi potvrdio da izbor razreda zadovoljava ciljnu gustinu protoka zračnog raspora na specificiranoj radnoj temperaturi prije nego što se dizajn zaključa.

Ako imate ciljanu gustinu protoka zračnog raspora, radnu temperaturu i geometriju motora, kontaktirajte HIMAGNET sa svojim specifikacijama za pregled odabira razreda.