การลดอำนาจแม่เหล็กด้วยความร้อนของแม่เหล็กมอเตอร์: ขีดจำกัดอุณหภูมิ การคำนวณระยะขอบด้านความปลอดภัย และการเลือกเกรด

การล้างอำนาจแม่เหล็กด้วยความร้อนเป็นโหมดความล้มเหลวของแม่เหล็กที่พบบ่อยที่สุดที่ไม่มีใครวางแผนไว้

การวิเคราะห์ความร้อนของมอเตอร์ส่วนใหญ่จะเน้นที่การพันขดลวด คำนวณการสูญเสียทองแดง สร้างเครือข่ายความต้านทานความร้อน และการออกแบบได้รับการประกาศว่าปลอดภัยหากอุณหภูมิของขดลวดอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดระดับฉนวน อุณหภูมิแม่เหล็กจะถูกบันทึกเป็นเอาต์พุตรองของรุ่นเดียวกัน ซึ่งโดยทั่วไปจะต่ำกว่าขดลวด 10-20 องศา และตรวจสอบกับอุณหภูมิการทำงานสูงสุดบนแผ่นข้อมูล ถ้าอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดแผ่นข้อมูล การวิเคราะห์จะหยุดลง

แนวทางนี้พลาดสองสิ่ง ประการแรก อุณหภูมิการทำงานสูงสุดของแม่เหล็กบนแผ่นข้อมูลไม่ใช่ขีดจำกัดความปลอดภัยในการล้างอำนาจแม่เหล็ก แต่เป็นอุณหภูมิที่เกินกว่าที่คุณสมบัติของแม่เหล็กจะลดลงอย่างถาวรแม้ว่าจะไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกก็ตาม ประการที่สอง แม้ว่าอุณหภูมิจะต่ำกว่านั้นก็ตาม การรวมกันของอุณหภูมิที่สูงขึ้นและสนามปฏิกิริยากระดองระหว่างเหตุการณ์แรงบิดสูงสุดจะทำให้เกิดความเสี่ยงในการล้างอำนาจแม่เหล็กซึ่งไม่สามารถประเมินได้จากอุณหภูมิในสภาวะคงที่เพียงอย่างเดียว บทความนี้ครอบคลุมวิธีการคำนวณจริง

1. เหตุใดมอเตอร์แม่เหล็กจึงร้อนกว่าที่นักออกแบบส่วนใหญ่คาดไว้

ในมอเตอร์ PM ที่ติดตั้งบนพื้นผิว แม่เหล็กจะยึดติดกับโรเตอร์และแยกออกจากทองแดงที่พันด้วยช่องว่างอากาศ แผ่นซับช่อง เหล็กฟัน และตัวเครื่อง เมื่อมองแวบแรก พวกมันดูแยกตัวจากแหล่งความร้อนหลักได้ดี ในทางปฏิบัติ โรเตอร์ได้รับความร้อนจากสองแหล่ง: การสูญเสียกระแสเอ็ดดี้ในตัวแม่เหล็ก (สำคัญในแม่เหล็กแบบแบ่งส่วนที่มีฮาร์โมนิกช่องสูง) และนำความร้อนจากสเตเตอร์ผ่านการแผ่รังสีและการพาความร้อนผ่านช่องว่างอากาศ

การสูญเสียกระแสเอ็ดดี้ในแม่เหล็ก NdFeB ที่เป็นของแข็งจะปรับขนาดด้วยกำลังสองของแอมพลิจูดฮาร์มอนิกความหนาแน่นฟลักซ์และกำลังสองของความถี่ ในมอเตอร์ 6 ขั้วที่ทำงานที่ 3000 RPM โดยมีขดลวดเข้มข้น (มีฮาร์มอนิกสูง) การสูญเสียกระแสไหลวนในแม่เหล็กอาจสูงถึง 15–30% ของการสูญเสียโรเตอร์ทั้งหมด นี่ไม่ใช่การแก้ไขเล็กน้อย ในมอเตอร์ขนาด 500W การสูญเสียกระแสไหลวนของแม่เหล็ก 10W โดยมีความต้านทานความร้อน 3 องศา /W ระหว่างแม่เหล็กกับสภาพแวดล้อมจะสร้างอุณหภูมิแม่เหล็กเพิ่มเติม 30 องศาเหนือเหล็กโรเตอร์ เมื่อรวมกับความร้อนที่นำไฟฟ้าจากสเตเตอร์ อุณหภูมิของแม่เหล็กในมอเตอร์ขดลวดเข้มข้นที่โหลดอย่างต่อเนื่องจะสูงกว่าอุณหภูมิของขดลวดประมาณ 5–15 องศา แทนที่จะอยู่ต่ำกว่าอุณหภูมิเหล่านั้น

เส้นทางระบายความร้อนมีความสำคัญ ในมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนที่มีโครงสร้างโรเตอร์คู่ แม่เหล็กจะอยู่ที่พื้นผิวด้านนอกของจานโรเตอร์ - แม่เหล็กเหล่านี้มีการระบายความร้อนแบบพาความร้อนที่ดีเยี่ยมในรูปทรงส่วนใหญ่ และทำงานเย็นกว่าสเตเตอร์ ในมอเตอร์ฟลักซ์รัศมีร่องลึกที่มีสแต็คยาวและการระบายความร้อนที่ปลายเลี้ยวที่จำกัด การไล่ระดับอุณหภูมิของแม่เหล็กตามความยาวแกนสามารถเข้าถึง 20 องศาจากปลายถึงกึ่งกลาง จุดที่ร้อนที่สุดในแม่เหล็กไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยเซ็นเซอร์ความร้อนที่ฝังอยู่ในสเตเตอร์ และเป็นจุดที่ร้อนที่สุดที่กำหนดระยะล้างอำนาจแม่เหล็ก

2. การคำนวณความปลอดภัยในการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ถูกต้อง

ขอบความปลอดภัยในการล้างอำนาจแม่เหล็กมีสององค์ประกอบ: ขอบความร้อน (ระยะห่างจากอุณหภูมิในการทำงานถึงอุณหภูมิที่หัวเข่าข้ามสนามปฏิบัติการ) และขอบสนาม (ระยะห่างจากสนามล้างอำนาจแม่เหล็กของปฏิกิริยากระดองถึงเข่าที่อุณหภูมิทำงาน) ต้องคำนวณทั้งสองอย่าง

เริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์เส้นโหลดจากเรขาคณิตของวงจรแม่เหล็ก (ครอบคลุมในบทความก่อนหน้าในชุดนี้) สิ่งนี้ทำให้มีจุดปฏิบัติการ (Bop, Hop) ในกรณีที่ไม่มีปฏิกิริยากระดอง สำหรับมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมีที่ออกแบบอย่างดีซึ่งมี PC=6 นั้น Hop จะอยู่ที่ประมาณ −Br/PC µ −0.22 T / μ₀ หยาบคาย −175 kA/m นี่คือจุดการทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อมและไม่มีโหลด

เพิ่มสนามปฏิกิริยากระดอง ที่กระแสสูงสุด (โดยทั่วไปคือ 3× ต่อเนื่องในเซอร์โวไดรฟ์) สนามล้างอำนาจแม่เหล็กที่พื้นผิวแม่เหล็กคือ Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm) โดยที่ Id คือส่วนประกอบกระแสในแกน d และ Ld คือความเหนี่ยวนำของแกน d สำหรับเซอร์โวมอเตอร์ทั่วไปที่มีจุดสูงสุด 10A และ Ld=2mH สนามปฏิกิริยาของกระดองที่พื้นผิวแม่เหล็กสามารถเข้าถึง 200–400 kA/m ขึ้นอยู่กับรูปทรงของมอเตอร์ สนามล้างอำนาจแม่เหล็กทั้งหมดคือผลรวม: −175 + (−300)=−475 kA/m ในตัวอย่างนี้

ตอนนี้ให้ตรวจสอบตำแหน่งเข่าที่อุณหภูมิการทำงานของแม่เหล็ก สำหรับ N45 (Hcj=1380 kA/m ที่ 20 องศา สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ −0.55%/ องศา ) ที่ 120 องศา Hcj จะลดลงเหลือประมาณ 1380 × (1 − 0.55% × 100)=621 kA/m เส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กสำหรับ N45 ที่ 120 องศาเกิดขึ้นที่ประมาณ 0.5 × Hcj=310 kA/m ในทิศทางการล้างอำนาจแม่เหล็ก สนามรวม −475 kA/m เกินสนามเข่า −310 kA/m การออกแบบนี้จะได้รับการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ไม่สามารถย้อนกลับได้บางส่วนในระหว่างเหตุการณ์แรงบิดสูงสุดที่อุณหภูมิการทำงาน การคำนวณจะแสดงโหมดความล้มเหลวก่อนที่จะปรากฏในการทดสอบ

การแก้ไขไม่ใช่การอัปเกรดเกรดเสมอไป ในตัวอย่างนี้ ตัวเลือกคือ: (1) อัพเกรดเป็น N45H (Hcj พรีเมี่ยม 2000 kA/m ที่ 20 องศา เข่าที่ 120 องศา พรีเมี่ยม 650 kA/m ปลอดภัย) (2) เพิ่ม PC โดยการลดช่องว่างอากาศ ซึ่งจะย้าย Hop เข้าใกล้ 0 มากขึ้น และลดความไวต่อปฏิกิริยาของกระดอง (3) ลดกระแสสูงสุดผ่านการจำกัดกระแสในไดรฟ์ หรือ (4) ยอมรับโปรไฟล์การทำงานและใช้แม่เหล็กเกรดต่ำกว่าที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิแบบพลิกกลับได้ดีกว่า ตัวเลือก 2–4 ไม่ต้องการแม่เหล็กที่มีราคาแพงกว่า ตัวเลือกที่ 1 เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการระบุ แต่ก็ไม่ได้ถูกที่สุดเสมอไป

3. การประมาณอุณหภูมิแม่เหล็กโดยไม่มี FEA

ในขั้นตอนการออกแบบช่วงแรก FEA แบบระบายความร้อนเต็มรูปแบบอาจไม่พร้อมใช้งานเสมอไป เครือข่ายระบายความร้อนแบบรวมพารามิเตอร์ที่เรียบง่ายให้ความแม่นยำเพียงพอสำหรับการตัดสินใจเบื้องต้น

สำหรับมอเตอร์ฟลักซ์แนวรัศมี ให้จำลองเส้นทางความต้านทานความร้อนจากแม่เหล็กสู่สิ่งแวดล้อมเป็นองค์ประกอบสามชุด: ความต้านทานความร้อนจากแม่เหล็กถึงโรเตอร์ (R1=Lm / (km × Am) โดยทั่วไป 0.3–0.8 องศา /W ขึ้นอยู่กับความหนาของชั้นกาวและค่าการนำไฟฟ้า); โรเตอร์จากเหล็กถึงเพลา (R2 ขึ้นอยู่กับรูปทรงของโรเตอร์ โดยทั่วไปแล้ว 0.5–2 องศา /วัตต์ สำหรับโรเตอร์ที่ทำจากเหล็กกล้าแข็ง) และเพลาถึงสภาพแวดล้อมผ่านเส้นทางแบริ่งและตัวเสื้อ (R3 โดยทั่วไปคือ 1–5 องศา /วัตต์ ขึ้นอยู่กับวิธีการทำความเย็น) สำหรับการนำความร้อนของสเตเตอร์ ให้เพิ่มความต้านทานความร้อนของช่องว่างอากาศ (R_gap µ Lg / (k_air × Ag) + การแก้ไขสำหรับการพาความร้อน โดยทั่วไปคือ 0.1–0.5 องศา /W สำหรับช่องว่าง 0.5 มม.)

ด้วยเครือข่ายแบบง่าย อุณหภูมิของแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นเหนือสภาพแวดล้อมจะอยู่ที่ประมาณ:

ΔT_magnet=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_stator × (R_gap + R2 + R3) / (R_stator_total)

สำหรับเซอร์โวมอเตอร์ไร้แปรงถ่านขนาด 1kW ที่มี: P_eddy=5W, R1=0.5 องศา /W, R2=1 องศา /W, R3=3 องศา /W; P_stator=80W, R_stator_to_ambient=0.8 องศา /W, R_gap=0.3 องศา /W อุณหภูมิของแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นเหนือสภาพแวดล้อมอยู่ที่ประมาณ 5 × 4.5 + 80 × 4.3/0.8 ความเข้มข้น 22.5 + 430=ไม่ถูกต้อง - คำว่า P_stator ไม่ทำงานในลักษณะนี้เนื่องจากความร้อนของสเตเตอร์ส่วนใหญ่จะไหลออกผ่านตัวเรือน ไม่ใช่ผ่านช่องว่างไปยังแม่เหล็ก

วิธีแก้ไขแบบง่าย: อุณหภูมิของแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากความร้อนของสเตเตอร์จะอยู่ที่ประมาณ P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap ซึ่งต่อยอดที่อุณหภูมิของขดลวดสเตเตอร์ลบด้วยการลดลงของความร้อนของช่องว่างคงที่ สำหรับการออกแบบมอเตอร์แบบบังคับระบายความร้อนส่วนใหญ่ อุณหภูมิแม่เหล็กคืออุณหภูมิสเตเตอร์ลบ 10–25 องศา เนื่องจากการแยกช่องว่างอากาศ สำหรับการออกแบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟ การแยกช่องว่างจะมีประสิทธิภาพน้อยลง และความแตกต่างจะลดลงเหลือ 5–10 องศา หากขดลวดสเตเตอร์อยู่ที่ 155 องศา (ขีดจำกัดคลาส F) แม่เหล็กจะอยู่ที่ 130–145 องศา ซึ่งทำให้ N45 อยู่ในเขตอันตรายที่คำนวณไว้ข้างต้น นี่คือสาเหตุที่มอเตอร์ฉนวนคลาส F ที่มีแม่เหล็ก N45 เป็นปัญหาด้านความน่าเชื่อถือที่รอจะเกิดขึ้นในการใช้งานที่มีกระแสไฟสูง

4. ตรรกะการเลือกเกรดตามอุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุด

เมื่อประมาณอุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุด การเลือกเกรดจะกลายเป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมโดยตรงมากกว่าการค้นหาตาราง

อุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุดต่ำกว่า 80 องศา: เกรดมาตรฐาน (N35–N52) มีความเหมาะสม ขอบ Hcj ถึงหัวเข่าที่ 80 องศา เพียงพอสำหรับการใช้งานมอเตอร์ส่วนใหญ่ที่มีกระแสสูงสุดต่ำกว่า 3 × ต่อเนื่อง

อุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุด 80–120 องศา: เกรด H (N35H–N52H) เป็นพื้นฐานสำหรับทุกสิ่งที่มีกระแสสูงสุดมากกว่า 2× ต่อเนื่องหรือมีขดลวดเข้มข้น (ปริมาณฮาร์มอนิกสูง) สำหรับขดลวดแบบกระจายที่มีกระแสสูงสุดต่ำกว่า 2× ต่อเนื่อง เกรดมาตรฐานที่มีระยะขอบของแนวรับน้ำหนักที่ตรวจสอบแล้วเป็นที่ยอมรับได้

อุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุด 120–150 องศา: ต้องใช้เกรด SH (N35SH–N48SH) สำหรับการใช้งานที่มีกระแสไฟสูงสุดสูง Hcj สำหรับ N42SH อยู่ที่ประมาณ 2,400 kA/m ที่ 20 องศา โดยให้ตำแหน่งเข่าที่ 150 องศาประมาณ 550 kA/m ซึ่งเป็นสองเท่าของเกรดมาตรฐาน N42 ที่อุณหภูมิเดียวกัน สำหรับขดลวดแบบกระจายที่มีขีดจำกัดกระแสพีคแบบอนุรักษ์นิยม เกรด H อาจจะยังเพียงพอที่ปลายล่างของช่วงนี้

อุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุดที่สูงกว่า 150 องศา: เกรด EH หรือ AH (N35EH–N38EH) สำหรับ NdFeB หรือเปลี่ยนเป็น SmCo เกรด 26–28 เกรด NdFeB EH ให้ Hcj มากกว่า 3000 kA/m ที่ 20 องศา แต่ Br ถูกจำกัดไว้ที่ช่วง 1.08–1.18 T สำหรับการใช้งานที่ความหนาแน่นของแรงบิดมีความสำคัญมากกว่าความต้านทานความร้อน (ตัวขับคอมเพรสเซอร์ความเร็วสูง ตัวขับมอเตอร์การบินและอวกาศ) SmCo ที่อุณหภูมิสูงสุด 150–200 องศา มักจะเป็นตัวเลือกวัสดุที่ถูกต้อง แม้ว่าจะมีต้นทุนพรีเมียมอยู่ที่ 4–6 เท่าก็ตาม

ข้อผิดพลาดทั่วไปประการหนึ่ง: การระบุเกรด EH สำหรับการออกแบบมอเตอร์ที่ต้องการเพียง H เนื่องจากคนในทีม "ปลอดภัย" เกรด EH มีราคาสูงกว่าเกรด H ประมาณ 25–35% สำหรับ Br ที่เทียบเท่า และ Br จะต่ำกว่าสำหรับหมายเลขเกรดเดียวกัน หากการคำนวณอุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุดแสดงเป็น 130 องศา แสดงว่า N45H เป็นข้อกำหนดที่ถูกต้อง ไม่ใช่ N40EH

5. การตรวจสอบส่วนต่างความร้อนหลังการผลิต

การคำนวณให้จุดประสงค์ในการออกแบบ การยืนยันต้องใช้ข้อมูลการทดสอบ

การทดสอบมาตรฐานสำหรับการตรวจสอบขอบการล้างอำนาจแม่เหล็กคือการทดสอบกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่อุณหภูมิสูง มอเตอร์ได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิการทำงานเป้าหมาย จากนั้นใช้การลัดวงจรแบบควบคุมเพื่อสร้างสนามลดอำนาจแม่เหล็กของปฏิกิริยากระดองสูงสุด Back-EMF วัดก่อนและหลัง หาก back-test back-EMF อยู่ภายใน 1% ของค่าการทดสอบก่อน แม่เหล็กจะคงอยู่ต่อไปได้โดยไม่มีการล้างอำนาจแม่เหล็กแบบย้อนกลับไม่ได้ การลดลงที่มากกว่า 2% บ่งชี้ว่าเกิดการล้างอำนาจแม่เหล็กบางส่วน

เพื่อการยอมรับการผลิต การทดสอบนี้มีราคาแพงสำหรับมอเตอร์ทุกตัว โดยทั่วไปแล้ว ซัพพลายเออร์จะตรวจสอบคุณสมบัติทางแม่เหล็กระดับแบทช์แทน: ความสม่ำเสมอของ Br ภายใน ±1.5% ภายในแบทช์ (ไม่ใช่แบบล็อตต่อล็อต - ความสม่ำเสมอของแบทช์มีความสำคัญสำหรับความสอดคล้องของขอบการล้างอำนาจแม่เหล็ก), Hcj สูงกว่าค่าขั้นต่ำของข้อกำหนด (โดยปกติ 10% สูงกว่าค่าขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับระยะขอบ) และความสม่ำเสมอของสนามแม่เหล็กผ่านการสแกน Hall สิ่งเหล่านี้จะตรวจสอบว่าแม่เหล็กที่ส่งไปยังการผลิตมีคุณสมบัติสมมติในการคำนวณการออกแบบ

HIMAGNET ให้เส้นโค้งการลดอำนาจแม่เหล็กเต็มรูปแบบที่อุณหภูมิการใช้งาน และสามารถอ้างอิงการวิเคราะห์เส้นโหลดของคุณกับค่า Hcj ที่วัดได้เฉพาะกลุ่มก่อนจัดส่ง สำหรับการออกแบบมอเตอร์ที่มีระยะขอบด้านความร้อนที่จำกัด - ฉนวนคลาส F, อัตราแรงบิดสูงสุดต่อต่อเนื่องที่สูงกว่า 3× หรือสภาพแวดล้อมการทำงานที่สูงกว่า 60 องศาโดยรอบ - ขอใบรับรองชุดอุณหภูมิสูง (Hcj ที่ค่าที่วัดได้ 100 องศาและ 120 องศา ไม่ใช่ค่าที่ระบุ) เมื่อทำการสั่งซื้อ