การออกแบบแม่เหล็กมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน: เรขาคณิตของเซกเตอร์ ทิศทางการดึงดูด และการเลือกเกรด

เหตุใด Axial Flux Motor จึงต้องใช้แม่เหล็กที่แตกต่างกัน

มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน - เรียกอีกอย่างว่ามอเตอร์แพนเค้กหรือมอเตอร์แบบดิสก์ - ปรับทิศทางฟลักซ์แม่เหล็กให้ขนานกับแกนการหมุนแทนที่จะหมุนออกไปในแนวรัศมี ช่องว่างอากาศจะเป็นจานแบนแทนที่จะเป็นวงแหวนทรงกระบอก รูปทรงเรขาคณิตนี้สร้างความหนาแน่นของแรงบิดต่อหน่วยปริมาตรที่สูงกว่าการออกแบบฟลักซ์แนวรัศมี ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนจึงปรากฏในไดรฟ์ฉุด EV เครื่องกำเนิดลม เครื่องซักผ้าแบบขับเคลื่อนโดยตรง และเพิ่มมากขึ้นในวิทยาการหุ่นยนต์ที่มอเตอร์แบนสั้นพอดีได้ดีกว่ามอเตอร์ทรงกระบอกยาว

ความแตกต่างทางเรขาคณิตของวงจรแม่เหล็กไม่ได้เป็นเพียงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนรูปทรงของแม่เหล็กที่ต้องการ วิธีระบุทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็ก และโหมดความล้มเหลวที่แม่เหล็กสัมผัสอยู่ วิศวกรที่ระบุแม่เหล็กจากประสบการณ์มอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมี และใช้ตรรกะเดียวกันกับการออกแบบฟลักซ์ตามแนวแกน มักจะประสบปัญหาในต้นแบบแรก: แม่เหล็กที่ถูกต้องทางเรขาคณิตแต่ถูกดึงดูดไปในทิศทางที่ไม่ถูกต้อง หรือการออกแบบที่ไม่คำนึงถึงปัจจัยความเข้มข้นของฟลักซ์ และแม่เหล็กทำให้เหล็กสเตเตอร์อิ่มตัวที่ภาระบางส่วน

Sector-shaped NdFeB magnets laid out on an axial flux motor rotor disc

1. ปัญหาเรขาคณิตของเซกเตอร์แม่เหล็ก

ในมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมี แม่เหล็กเป็นส่วนโค้ง - กระเบื้องโค้งที่พันรอบพื้นผิวโรเตอร์ทรงกระบอก ความกว้างของแม่เหล็ก มุมส่วนโค้ง และความหนาของแนวรัศมีเป็นขนาดที่สำคัญ และปรับขนาดได้อย่างตรงไปตรงมาด้วยจำนวนขั้วและเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์

ในมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน แม่เหล็กจะมีรูปทรงเซกเตอร์ - กระเบื้องชิ้นพายซึ่งครอบคลุมส่วนหนึ่งของพื้นผิวจานโรเตอร์แบบแบน มุมเซกเตอร์เท่ากับ 360 องศาหารด้วยจำนวนเสา (สำหรับการออกแบบที่ครอบคลุมทั้งหมด) มอเตอร์ 16 ขั้วใช้แม่เหล็ก 16 ส่วน ซึ่งแต่ละส่วนครอบคลุม 22.5 องศา ภาวะแทรกซ้อนทางเรขาคณิตที่สำคัญคือความกว้างของแม่เหล็กแตกต่างกันไปจากรัศมีภายในไปยังรัศมีด้านนอก: ขอบด้านในของแต่ละเซกเตอร์จะแคบกว่าขอบด้านนอก นี่เป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับหน้าตัดคงที่ และทำให้เกิดปัญหา 2 ประการ

ประการแรก ความหนาแน่นของฟลักซ์ในช่องว่างอากาศไม่เท่ากันตลอดรัศมีแม่เหล็ก ส่วนด้านนอกของแม่เหล็กสร้างฟลักซ์ต่อหน่วยพื้นที่มากกว่าส่วนด้านในที่ระดับการทำให้เป็นแม่เหล็กเท่ากัน เนื่องจากส่วนโค้งด้านนอกยาวกว่าและรองรับพื้นที่ขนาดใหญ่กว่า ในมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี ความไม่สม่ำเสมอนี้ได้รับการจัดการผ่านระยะพิทช์ของขดลวดสเตเตอร์และรูปทรงของสล็อต แต่ซัพพลายเออร์แม่เหล็กจำเป็นต้องทราบอัตราส่วนรัศมีด้านในถึงด้านนอกและเศษส่วนส่วนโค้งของขั้วเพื่อเสนอราคารูปทรงที่ถูกต้อง

ประการที่สอง รูปร่างเซกเตอร์การตัดจากบล็อก NdFeB เผาผนึกทำให้เกิดการสูญเสียวัสดุอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับส่วนโค้ง บล็อกของ NdFeB ที่ให้ผลส่วนโค้ง 30 องศา 12 ส่วนสำหรับมอเตอร์แบบเรเดียลจะให้ผลส่วนที่ใช้งานได้น้อยลงสำหรับมอเตอร์ในแนวแกนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางโรเตอร์เท่ากัน เนื่องจากมุมของเซกเตอร์และการแปรผันของความกว้างจะช่วยลดผลผลิต คาดว่าต้นทุนวัสดุต่อมอเตอร์จะสูงขึ้น 20–35% สำหรับแม่เหล็กเซกเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน เมื่อเปรียบเทียบกับแม่เหล็กอาร์กฟลักซ์เรเดียลที่เทียบเท่าในเกรดและการเคลือบเดียวกัน

2. ทิศทางการสะกดจิต: ตามแนวแกนไม่ใช่แนวรัศมี

นี่เป็นข้อผิดพลาดด้านข้อมูลจำเพาะที่พบบ่อยที่สุดสำหรับวิศวกรที่เปลี่ยนจากการออกแบบฟลักซ์แนวรัศมีไปเป็นแนวแกน ในมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมี แม่เหล็กจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในแนวรัศมี - ขั้วเหนือและขั้วใต้อยู่ที่ใบหน้าโค้งด้านในและด้านนอก ในมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน แม่เหล็กจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในแนวแกน โดยขั้วเหนือและขั้วใต้จะอยู่ที่ด้านบนและด้านล่างแบน โดยวางขนานกับเพลามอเตอร์

การระบุสนามแม่เหล็กในแนวรัศมีบนแม่เหล็กเซกเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนจะสร้างแม่เหล็กที่มีความถูกต้องทางเรขาคณิตแต่ไม่มีประโยชน์ทางแม่เหล็กในการใช้งาน - ฟลักซ์จะออกจากขอบโค้ง แทนที่จะผ่านพื้นผิวเรียบที่มีช่องว่างอากาศ ข้อผิดพลาดนี้ไม่ได้ตรวจพบเสมอไปในการตรวจสอบที่เข้ามาเนื่องจากขนาดแม่เหล็กถูกต้อง มันจะแสดงเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับใกล้ศูนย์เมื่อมอเตอร์ทำงานครั้งแรก

สำหรับมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนที่มีการกำหนดค่าโรเตอร์แบบ Halbach ซึ่งพบเห็นได้ทั่วไปมากขึ้นในการออกแบบที่มีประสิทธิภาพสูง ทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กจะหมุนรอบจานโรเตอร์โดยเพิ่มขึ้นทีละ 45 องศาหรือ 90 องศา ข้อกำหนดจะต้องมีมุมการทำให้เป็นแม่เหล็กของตำแหน่งแม่เหล็กแต่ละตำแหน่งอย่างชัดเจน และแบบประกอบจะต้องทำเครื่องหมายการวางแนวของแต่ละชิ้น ไม่มีการจดชวเลขมาตรฐานสำหรับสิ่งนี้ จำเป็นต้องมีแผนที่แม่เหล็กแบบตำแหน่งต่อตำแหน่งในข้อกำหนดการซื้อ

3. การกำหนดค่าสเตเตอร์โรเตอร์เดี่ยวและสเตเตอร์คู่

มอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนมีโครงสร้างทางกลหลักสามรูปแบบ ได้แก่ โรเตอร์เดี่ยวพร้อมสเตเตอร์เดี่ยว (SRSF) โรเตอร์คู่พร้อมสเตเตอร์เดี่ยว (ชนิด TORUS หรือ YASA) และโรเตอร์เดี่ยวพร้อมสเตเตอร์คู่ ข้อมูลจำเพาะของแม่เหล็กแตกต่างกันระหว่างการกำหนดค่าเหล่านี้

ในการกำหนดค่า TORUS/YASA โดยที่แผ่นโรเตอร์สองแผ่นขนาบข้างสเตเตอร์ไร้แกนตรงกลางแผ่นเดียว แผ่นโรเตอร์แต่ละแผ่นจะมีแม่เหล็ก และแผ่นทั้งสองประกอบเข้าด้วยกันโดยมีขั้วตรงข้ามกัน ดังนั้นเส้นทางฟลักซ์จะปิดผ่านขดลวดสเตเตอร์โดยไม่มีแกนเหล็ก ซึ่งหมายความว่าแม่เหล็กบนจานโรเตอร์แต่ละจานจะต้องดึงดูดไปยังจานตรงข้ามตรงข้ามช่องว่างสเตเตอร์ และลำดับการประกอบจะต้องคงแรงดึงดูดนี้ไว้ระหว่างการติดตั้ง (แรงระหว่างจานโรเตอร์สองจานที่อยู่ตรงข้ามกันผ่านช่องว่างอากาศ 10 มม. ในมอเตอร์ TORUS เส้นผ่านศูนย์กลาง 200 มม. ทั่วไปคือ 500–1500N - มากพอที่จะทำให้มือได้รับบาดเจ็บสาหัสได้หากอุปกรณ์ประกอบล้มเหลว)

สำหรับมอเตอร์ TORUS แบบไม่มีแกน จะต้องระบุแม่เหล็กด้วยความทนทานต่อการนำกลับมาใช้ใหม่ที่เข้มงวดมากขึ้น (±2% เทียบกับมาตรฐาน ±5%) เนื่องจากไม่มีเหล็กที่จะทำให้อิ่มตัว และหาค่าเฉลี่ยของฟลักซ์ที่ไม่สม่ำเสมอเล็กน้อย รูปคลื่น back-EMF เป็นสัดส่วนโดยตรงกับการกระจายความหนาแน่นฟลักซ์เฉพาะจุด ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงระหว่างแม่เหล็กกับแม่เหล็กจึงแปลเป็นระลอกแรงบิดโดยตรง โดยทั่วไปข้อกำหนดความทนทานที่เข้มงวดกว่านี้จะเพิ่มต้นทุนแม่เหล็กประมาณ 15–25%

4. การเลือกเกรดสำหรับการใช้งานฟลักซ์ตามแนวแกน

สภาพแวดล้อมทางความร้อนในมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนแตกต่างจากฟลักซ์แนวรัศมี รูปทรงของจานแบนมีอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่ดีกว่า และในการออกแบบส่วนใหญ่ แม่เหล็กจะอยู่ใกล้กับเส้นรอบวงด้านนอกมากขึ้น ซึ่งการระบายความร้อนแบบพาความร้อนหรือแบบนำไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมากกว่า อุณหภูมิแม่เหล็กที่ใช้งานสำหรับมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนในการฉุดลากแบบขับเคลื่อนโดยตรงและการใช้งานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 60–100 องศา - ต่ำกว่า 100–150 องศาที่เห็นในเซอร์โวมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมีความเร็วสูง

ซึ่งหมายความว่าข้อกำหนดในการบังคับขู่เข็ญมักจะรุนแรงน้อยกว่าที่คาดไว้ สำหรับการใช้งานมอเตอร์ล้อ EV และกังหันลมส่วนใหญ่ N42H (พิกัด 120 องศา) ถือเป็นเกรดที่ถูกต้อง แทบไม่จำเป็นต้องใช้ N42SH (150 องศา ) เว้นแต่ว่ามอเตอร์จะอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิแวดล้อมสูงที่มีการระบายความร้อนที่จำกัด การระบุ N42SH หรือสูงกว่าสำหรับมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนที่ระบายความร้อนอย่างดีจะเพิ่มต้นทุนแม่เหล็ก 8–12% โดยไม่เกิดประโยชน์ด้านประสิทธิภาพที่อุณหภูมิการทำงาน

ข้อยกเว้นคือมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนความเร็วสูง - สปินเดิลไดรฟ์ โรเตอร์เก็บพลังงานมู่เล่ - โดยที่ความเค้นจากแรงเหวี่ยงบนจานแม่เหล็กเป็นข้อจำกัดในการออกแบบที่โดดเด่น ที่ 10,000+ RPM ความเค้นในแนวรัศมีของแม่เหล็กส่วนรัศมีภายนอกสามารถเข้าใกล้ขีดจำกัดความต้านทานแรงดึงของ NdFeB เผาผนึก (ประมาณ 80 MPa) การใช้งานเหล่านี้จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ความเค้นองค์ประกอบจำกัดของจานโรเตอร์ และในบางกรณีจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนรูปทรงของแม่เหล็ก (เพิ่มการลบมุมรัศมีภายในเพื่อลดความเข้มข้นของความเค้น) หรือเปลี่ยนไปใช้ NdFeB หรือ SmCo ที่ถูกพันธะซึ่งมีคุณสมบัติแรงดึงที่ดีกว่าโดยมีต้นทุน BHmax ต่ำกว่า

5. รายการตรวจสอบการจัดซื้อสำหรับแม่เหล็กภาคฟลักซ์ตามแนวแกน

ข้อมูลจำเพาะการซื้อแม่เหล็กฟลักซ์รัศมีมาตรฐานจำเป็นต้องมีการเพิ่มเติมต่อไปนี้สำหรับแม่เหล็กเซกเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน:

รูปทรง: ระบุรัศมีภายใน (Ri) รัศมีภายนอก (Ro) มุมเซกเตอร์ ( องศา ) และความหนาของหน้าเรียบ รวมอัตราส่วน Ri/Ro ไว้อย่างชัดเจน - จะกำหนดการคำนวณผลผลิตและความสม่ำเสมอในการกระจายฟลักซ์

ทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็ก: ระบุแกน (ความหนาทะลุ) สำหรับการออกแบบมาตรฐาน สำหรับโรเตอร์แบบอาเรย์ Halbach ให้จัดทำภาพวาดแผนที่การทำให้เป็นแม่เหล็กแบบตำแหน่งต่อตำแหน่ง

ความทนทานต่อการคงสภาพ: มาตรฐาน ±5% เป็นที่ยอมรับสำหรับการออกแบบสเตเตอร์แกนเหล็ก ระบุ ±2% สำหรับการกำหนดค่า TORUS/YASA แบบไร้คอร์

การเคลือบผิว: Ni-Cu-Ni มาตรฐานเหมาะสำหรับการใช้งานฟลักซ์ตามแนวแกนส่วนใหญ่ สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อน (ลมชายฝั่ง ทะเล) หรือการใช้งานที่มีความชื้นสูง ให้ระบุการเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าหรืออีพ็อกซี่ แทบไม่จำเป็นต้องใช้เสื้อคลุมสีทอง ยกเว้นว่ามอเตอร์อยู่ในสภาพแวดล้อมทางการแพทย์หรือเซมิคอนดักเตอร์

เครื่องหมายประกอบ: ขอให้ทำเครื่องหมายแต่ละหน้าแม่เหล็กด้วยทิศทางแม่เหล็ก (N หรือ S) บนหน้าเรียบ เรขาคณิตของเซกเตอร์ไม่ได้ปรับทิศทางในตัวเอง - แม่เหล็กที่ไม่มีเครื่องหมายในชุดประกอบแบบหลายขั้วมีความเสี่ยงต่อข้อผิดพลาดในการประกอบอย่างมีนัยสำคัญ

HIMAGNET ผลิตแม่เหล็กแบบเซกเตอร์สำหรับมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนในเกรดตั้งแต่ N35 ถึง N52 พร้อมด้วยสนามแม่เหล็กตามแนวแกนและแบบ Halbach-array รุ่นไร้แกนที่มีความทนทานต่ำ และการทำเครื่องหมายการประกอบ ติดต่อทีมวิศวกรของเราเพื่อแจ้ง Ri, Ro, จำนวนขั้ว และอุณหภูมิในการทำงานเพื่อขอคำแนะนำรูปทรงและเกรด