ทิศทางการสะกดจิตในแม่เหล็กของมอเตอร์: อาร์เรย์เรเดียล ขนาน และฮัลบาค

ทิศทางการสะกดจิตที่ไม่มีใครอธิบายได้

เมื่อวิศวกรมอเตอร์ระบุแม่เหล็กส่วนโค้ง NdFeB โดยทั่วไปลำดับจะรวมถึงเกรด รูปทรง การเคลือบ และพิกัดความเผื่อ ทิศทางการสะกดจิตจะแสดงเป็นคำเดียว - "รัศมี" - หรือละเว้นทั้งหมดโดยสันนิษฐานว่าซัพพลายเออร์รู้ว่าต้องทำอะไร

สมมติฐานนั้นถูกต้องสำหรับมอเตอร์ธรรมดา สำหรับแอปพลิเคชันเซอร์โว ข้อต่อหุ่นยนต์ และ UAV ที่มีประสิทธิภาพสูง เป็นสมมติฐานประเภทหนึ่งที่คุณจะต้องเสียค่าใช้จ่ายในการวินิจฉัยซ้ำต้นแบบสามครั้ง ทิศทางการดึงดูดจะกำหนดรูปร่างของรูปคลื่นความหนาแน่นของฟลักซ์โดยตรงในช่องว่างอากาศ แรงบิดกระเพื่อม ปริมาณฮาร์โมนิก back-EMF และข้อแลกเปลี่ยนในทางปฏิบัติระหว่างแรงบิดสูงสุดและแรงบิดฟันเฟือง การเลือกอันที่ไม่ถูกต้องหลังจากล็อครูปทรงของโรเตอร์แล้วไม่ใช่วิธีแก้ไขอย่างรวดเร็ว

คู่มือนี้ครอบคลุมถึงวิธีการสร้างสนามแม่เหล็กสามวิธีที่ใช้ในมอเตอร์แม่เหล็กถาวรสมัยใหม่ ได้แก่ แนวรัศมี ขนาน (บางครั้งเรียกว่า "เบรดโลฟ") และอาร์เรย์ Halbach และเมื่อแต่ละวิธีถูกและไม่ใช่ตัวเลือกที่ถูกต้อง

1. การดึงดูดด้วยรัศมี: ค่าเริ่มต้นที่ใช้งานได้จนกว่าจะไม่ทำงาน

การทำให้เป็นสนามแม่เหล็กในแนวรัศมีหมายถึงสนามแม่เหล็กภายในส่วนโค้งชี้ไปในแนวรัศมี - ออกจากศูนย์กลางโรเตอร์ ในกรณีของแม่เหล็กที่ติดตั้งบนพื้นผิวบนโรเตอร์ด้านใน เป็นมาตรฐานด้วยเหตุผลที่ดี: สามารถผลิตร่วมกับอุปกรณ์ชาร์จแบบมาตรฐาน ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือบนรูปทรงโค้งที่หลากหลาย และสร้างรูปคลื่นความหนาแน่นฟลักซ์ของช่องว่างอากาศทรงสี่เหลี่ยมคางหมูซึ่งเหมาะอย่างยิ่งกับมอเตอร์ EMF ด้านหลังทรงสี่เหลี่ยมคางหมู

รูปคลื่นสี่เหลี่ยมคางหมูมีบริเวณด้านบนแบนซึ่งมีความหนาแน่นของฟลักซ์คงที่โดยประมาณ และเปลี่ยนผ่านอย่างรวดเร็วที่ขอบแม่เหล็ก สำหรับมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) ที่ขับเคลื่อนด้วยการสับเปลี่ยนหกขั้นตอน นี่คือรูปร่างของรูปคลื่นที่คุณต้องการ โดยสอดคล้องกับการสลับสับเปลี่ยนและสร้างแรงบิดที่ค่อนข้างราบรื่นที่ความเร็วการทำงานที่ต้องการ

ปัญหาปรากฏขึ้นในมอเตอร์ PMSM ที่ขับเคลื่อนด้วยไซนูซอยด์ โดยที่อัลกอริธึมการควบคุมจะถือว่า EMF ด้านหลังแบบไซน์ เซ็กเมนต์ส่วนโค้งที่มีสนามแม่เหล็กเป็นรัศมีจะสร้าง EMF ด้านหลังที่มีปริมาณฮาร์มอนิกลำดับที่ 5 และ 7 ที่สำคัญ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่ 3–7% ของค่าพื้นฐานในโรเตอร์ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี ซึ่งอาจสูงกว่าในโรเตอร์ที่มีขั้วน้อยหรือมีความยาวส่วนโค้งสั้น ฮาร์โมนิคเหล่านั้นปรากฏเป็นแรงบิดกระเพื่อมที่ 6 เท่าของความถี่ไฟฟ้า ที่ 3,000 RPM ในมอเตอร์ 8 ขั้ว (ไฟฟ้า 200 Hz) นั่นคือแรงบิดกระเพื่อม 1,200 Hz ในเครื่องมือกลที่มีความเที่ยงตรงสูงหรือข้อต่อหุ่นยนต์ที่มีแบนด์วิธทางกลสูง จะได้ยินเสียงและวัดได้ในสเปกตรัมข้อผิดพลาดของตำแหน่ง

แม่เหล็กเรเดียลเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับ: มอเตอร์ BLDC ที่มีการสับเปลี่ยนหกขั้นตอน มอเตอร์ที่ต้นทุนและความสามารถในการผลิตมีอิทธิพลเหนือแรงบิดกระเพื่อม และการใช้งานที่ความถี่ไฟฟ้าต่ำพอที่จะทำให้ฮาร์มอนิก 6× ต่ำกว่าการสั่นพ้องทางกลของโหลด

2. การสะกดจิตแบบขนาน: ใกล้กับไซนูซอยด์มากขึ้นโดยไม่มีความซับซ้อน

การทำให้เป็นแม่เหล็กแบบขนาน - หรือที่เรียกว่าการทำให้เป็นแม่เหล็กแบบ " breadloaf " เนื่องจากลักษณะที่เส้นสนามมองภายในแม่เหล็ก - จะจัดทิศทางของการทำให้เป็นแม่เหล็กให้ขนานกับแกนคงที่ แทนที่จะเป็นแนวรัศมีจากศูนย์กลางโรเตอร์ ผลที่ได้คือการกระจายความหนาแน่นของฟลักซ์ในช่องว่างอากาศที่อยู่ใกล้กับไซน์ซอยด์มากกว่าตัวเรือนแนวรัศมี

การปรับปรุงเชิงปริมาณนั้นเจียมเนื้อเจียมตัวแต่สามารถวัดผลได้ ในโรเตอร์แบบติดตั้งบนพื้นผิว 8 ขั้วทั่วไปที่มีส่วนโค้ง 150 องศา การเปลี่ยนจากสนามแม่เหล็กแนวรัศมีเป็นแบบขนานจะช่วยลดส่วนประกอบ EMF ฮาร์มอนิกด้านหลังลำดับที่ 5 จากประมาณ 5% เป็น 2–3% ของปัจจัยพื้นฐาน ฮาร์มอนิกที่ 7 จะลดลงจากประมาณ 3% เป็น 1–1.5% ความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวมในรูปคลื่น back-EMF ลดลงจาก 6–8% เป็น 3–4%

สำหรับมอเตอร์ PMSM ที่ควบคุมด้วยไซนูซอยด์ในแกน CNC ข้อต่อหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน และเซอร์โวไดรฟ์ที่ข้อกำหนดแรงบิดกระเพื่อมต่ำกว่า 2% ของแรงบิดพิกัด การทำแม่เหล็กแบบขนานนั้นคุ้มค่ากับต้นทุนระดับพรีเมียมเล็กน้อย - โดยทั่วไปแล้ว 8–15% ของรัศมีสำหรับส่วนโค้งแบบกำหนดเองที่ปริมาณการผลิต

ข้อจำกัดอยู่ที่รูปทรงเรขาคณิต: การทำแม่เหล็กแบบขนานจะทำงานได้ดีที่สุดเมื่อส่วนโค้งรองรับมุมที่ค่อนข้างเล็ก สำหรับมอเตอร์จำนวนขั้วสูงที่ส่วนโค้งแต่ละส่วนครอบคลุมเส้นรอบวงโรเตอร์ 30–45 องศา การปรับปรุงในแนวรัศมีนั้นสำคัญมาก สำหรับมอเตอร์จำนวนขั้วต่ำที่เซกเมนต์ครอบคลุม 60 องศาขึ้นไป ความหนาแน่นของฟลักซ์ที่ขอบแม่เหล็กจะแตกต่างจากรูปร่างไซน์ซอยด์ที่ต้องการอย่างมาก และคุณประโยชน์จะลดลง

3. Halbach Arrays: ประสิทธิภาพสูงด้วยต้นทุนทางวิศวกรรมที่แท้จริง

อาร์เรย์ Halbach จัดเรียงแม่เหล็กเพื่อให้ส่วนที่อยู่ติดกันมีการหมุนทิศทางแม่เหล็กอย่างต่อเนื่อง - รัศมีออกไปด้านนอก จากนั้นในวงสัมผัส จากนั้นรัศมีเข้าด้านใน จากนั้นวงสัมผัสในทิศทางตรงกันข้าม - ทำให้เกิดรูปคลื่นที่เป็นไซนัสอยด์อย่างแรงที่ด้านหนึ่งของอาร์เรย์และเกือบเป็นศูนย์ที่อีกด้านหนึ่ง ในโรเตอร์ของมอเตอร์ หมายความว่าฟลักซ์เกือบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในช่องว่างอากาศ และมีการรั่วไหลผ่านเหล็กด้านหลังน้อยมาก

ผลประโยชน์ด้านประสิทธิภาพเป็นจริงและสำคัญ เมื่อเปรียบเทียบกับโรเตอร์ที่มีแม่เหล็กตามแนวรัศมีทั่วไป อาร์เรย์ Halbach จะสร้าง:

• ความหนาแน่นฟลักซ์ของช่องว่างอากาศพื้นฐานสูงขึ้น 15–25% สำหรับปริมาตรแม่เหล็กเดียวกัน
• Back-EMF THD ต่ำกว่า 1% ในการกำหนดค่าที่ออกแบบมาอย่างดี
• แรงบิดใกล้ไซนูซอยด์ที่มีแรงบิดกระเพื่อมต่ำกว่า 0.5% ของแรงบิดพิกัด
• ลดความหนาของเหล็กหลังโรเตอร์ ทำให้โรเตอร์มีน้ำหนักเบาขึ้น

นี่คือเหตุผลที่อาร์เรย์ Halbach ปรากฏในมอเตอร์ขับเคลื่อนโดยตรงประสิทธิภาพสูงสำหรับหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน ไดรฟ์ตารางการถ่ายภาพทางการแพทย์ การจัดการเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความแม่นยำ และการใช้งาน UAV บางอย่าง

ต้นทุนทางวิศวกรรมก็เป็นจริงไม่แพ้กัน อาร์เรย์ Halbach ต้องการส่วนแม่เหล็กอย่างน้อยสี่ส่วนต่อขั้ว - และในทางปฏิบัติหกหรือแปดส่วนเพื่อความเที่ยงตรงแบบไซน์ซอยด์ - เปรียบเทียบกับหนึ่งส่วนต่อขั้วสำหรับแนวรัศมีหรือแบบขนาน แต่ละส่วนมีทิศทางแม่เหล็กที่แตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ชาร์จที่แตกต่างกัน ต้นทุนชิ้นส่วนที่สูงขึ้น และการประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้น ข้อกำหนดความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งมีความเข้มงวดมากขึ้น: ตำแหน่งเชิงมุมของแต่ละส่วนจะต้องอยู่ภายใน ±0.5 องศา เพื่อหลีกเลี่ยงการลดประสิทธิภาพของรูปคลื่นฟลักซ์ การประกอบต้องใช้จิ๊กและฟิกซ์เจอร์ที่มีความแม่นยำ ซึ่งไม่สามารถใช้แทนกันได้กับขนาดมอเตอร์

ในปริมาณการผลิตน้อย - ต่ำกว่า 500 โรเตอร์ต่อเดือน - ค่าเครื่องมือและการประกอบระดับพรีเมียมสำหรับอาเรย์ Halbach โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 3–5 เท่าของต้นทุนแม่เหล็กของโรเตอร์ทั่วไป ในปริมาณมาก พรีเมี่ยมจะลดลงเหลือ 1.5–2× การตัดสินใจที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับว่าการปรับปรุงประสิทธิภาพนั้นเหมาะสมกับต้นทุนตามขนาดการผลิตและเป้าหมายประสิทธิภาพของคุณหรือไม่

4. เมทริกซ์การเลือก

5. สิ่งที่ต้องยืนยันกับซัพพลายเออร์แม่เหล็กของคุณ

• ☐ ระบุทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กอย่างชัดเจนบนภาพวาด - "รัศมี" "ขนาน" หรือ "Halbach ด้วยการกำหนดค่า N-segment ต่อขั้ว"
• ☐ สำหรับการสร้างสนามแม่เหล็กแบบขนาน: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าซัพพลายเออร์มีอุปกรณ์ชาร์จที่ถูกต้องสำหรับรูปทรงส่วนโค้งของคุณ ฟิกซ์เจอร์ที่ออกแบบมาสำหรับมุมโค้งที่แตกต่างกันจะทำให้เกิดไฮบริดที่ไม่เป็นแนวรัศมีหรือขนานกันอย่างเหมาะสม
• ☐ สำหรับอาร์เรย์ Halbach: ขอเวกเตอร์ทิศทางแม่เหล็กสำหรับตำแหน่งแต่ละส่วนในชุดประกอบ ตรวจสอบกับการจำลองมอเตอร์ของคุณก่อนเริ่มใช้เครื่องมือ
• ☐ ขอข้อมูลการทำแผนที่ความหนาแน่นของฟลักซ์บนโรเตอร์ตัวอย่าง: ซัพพลายเออร์จะตรวจวัดฟลักซ์แม่เหล็กที่ตำแหน่งที่กำหนดรอบๆ เส้นรอบวงของโรเตอร์ สิ่งนี้จะตรวจสอบว่าบรรลุผลแม่เหล็กตามที่ตั้งใจไว้ และให้ข้อมูลพื้นฐานสำหรับการตรวจสอบที่เข้ามา
• ☐ ยืนยันช่วงเวลาการสอบเทียบอุปกรณ์ชาร์จ การเสื่อมสภาพของฟิกซ์เจอร์เป็นสาเหตุของความแปรผันของสนามแม่เหล็กที่พบบ่อยที่สุดในการดำเนินการผลิต

HIMAGNET ผลิตแม่เหล็กแนวรัศมี แม่เหล็กคู่ขนาน และแม่เหล็กส่วนโค้งอาเรย์ Halbach สำหรับการใช้งานมอเตอร์ตั้งแต่ตัวอย่างทางวิศวกรรมจนถึงการผลิต สำหรับการสนับสนุนข้อกำหนดด้านแม่เหล็กในการออกแบบมอเตอร์ของคุณติดต่อทีมวิศวกรของเราด้วยจำนวนขั้ว รูปทรงส่วนโค้ง และเป้าหมายการกระเพื่อมของแรงบิด