การล้างอำนาจแม่เหล็กในมอเตอร์แม่เหล็กถาวร: สาเหตุ ปัจจัยเสี่ยง และวิธีการระบุ

การล้างอำนาจแม่เหล็กไม่ใช่ความล้มเหลวกะทันหัน

แบบจำลองทางจิตทั่วไปของการล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กเป็นฟังก์ชันขั้นหนึ่ง: มอเตอร์ทำงานได้ตามปกติ จากนั้นแม่เหล็กจะล้มเหลว และมอเตอร์จะหยุดสร้างแรงบิด นั่นไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นในทางปฏิบัติ การล้างอำนาจแม่เหล็กในมอเตอร์ NdFeB มักจะเป็นแบบบางส่วนและค่อยเป็นค่อยไป - แม่เหล็กจะสูญเสียพลังงานบางส่วนไป มอเตอร์จะสร้างแรงบิดน้อยลงเล็กน้อยที่กระแสเดียวกัน และระบบควบคุมจะชดเชยโดยการเพิ่มกระแส ซึ่งสร้างความร้อนมากขึ้น ซึ่งจะช่วยเร่งการล้างอำนาจแม่เหล็กเพิ่มเติม โหมดความล้มเหลวคือการล่องลอยอย่างช้าๆ ไม่ใช่หน้าผา

เมื่อตรวจพบการล้างอำนาจแม่เหล็กบางส่วนเนื่องจากประสิทธิภาพของมอเตอร์ลดลง โดยทั่วไปแม่เหล็กจะสูญเสีย Br ดั้งเดิมไป 5–15% เมื่อถึงจุดนั้น การล้างอำนาจแม่เหล็กจะไม่สามารถย้อนกลับได้ แม่เหล็กไม่สามารถทำให้เป็นแม่เหล็กใหม่ในมอเตอร์ได้หากไม่ถอดชิ้นส่วนออกทั้งหมดและกลับสู่ฟิกซ์เจอร์สำหรับสร้างแม่เหล็ก สำหรับข้อต่อหุ่นยนต์ที่ใช้งานหรือแอคชูเอเตอร์เซอร์โวแบบปิดผนึก นั่นหมายถึงการสร้างใหม่ทั้งหมด

บทความนี้ครอบคลุมถึงกลไก 3 ประการที่ทำให้เกิดการล้างอำนาจแม่เหล็กในมอเตอร์ที่ใช้งาน วิธีคำนวณความเสี่ยงในการล้างอำนาจแม่เหล็กสำหรับเกรดแม่เหล็กและจุดปฏิบัติงานที่กำหนด และสิ่งที่ต้องระบุเพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบมีระยะขอบเพียงพอ

1. กลไกการล้างอำนาจแม่เหล็กทั้งสามประการ

การล้างอำนาจแม่เหล็กด้วยความร้อน การล้างอำนาจแม่เหล็กจากการลัดวงจร และการล้างอำนาจแม่เหล็กที่จุดปฏิบัติการเป็นกลไกที่แตกต่างกันซึ่งมีสาเหตุและวิธีแก้ปัญหาที่แตกต่างกัน การทำให้พวกเขาสับสนนำไปสู่การแก้ไขที่ผิด

การล้างอำนาจแม่เหล็กด้วยความร้อนเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิแม่เหล็กเกินจุดที่ coercivity Hcj ลดลงต่ำกว่าระดับที่จำเป็นในการต้านทานสนามล้างอำนาจแม่เหล็กของมอเตอร์ นี่คือผลกระทบจากเกณฑ์: ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ แม่เหล็กจะมีเสถียรภาพ เหนืออุณหภูมิจะเริ่มการล้างอำนาจแม่เหล็ก และไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้เมื่อทำความเย็น สำหรับ NdFeB เกรด N (ไม่มีส่วนต่อท้ายความร้อน) Hcj จะลดลงอย่างชันเหนือ 80 องศา อุณหภูมิวิกฤตสำหรับการออกแบบมอเตอร์ที่กำหนดนั้นขึ้นอยู่กับสนามช่องว่างอากาศและปริมาตรแม่เหล็ก - มอเตอร์ที่มีส่วนแม่เหล็กบางและมีสนามล้างอำนาจแม่เหล็กขนาดใหญ่อาจล้างอำนาจแม่เหล็กที่ 90 องศา ซึ่งมอเตอร์ที่ออกแบบดีกว่าด้วยเกรดเดียวกันจะเสถียรที่ 120 องศา

การล้างอำนาจแม่เหล็กลัดวงจรเกิดขึ้นในระหว่างสภาวะฟอลต์ - การลัดวงจรระหว่างเฟส ฟอลต์ของไดรฟ์ หรือเหตุการณ์การเบรกที่สร้างใหม่ - โดยที่กระแสสเตเตอร์สร้างสนามล้างอำนาจแม่เหล็กที่เกิน Hcj ของแม่เหล็กที่อุณหภูมิใช้งาน ในสภาวะการทำงานปกติ กระแสไฟฟ้าสูงสุดในมอเตอร์ที่ออกแบบอย่างเหมาะสมจะไม่สูงพอที่จะลดอำนาจแม่เหล็กแม้แต่แม่เหล็กเกรด N ในระหว่างสภาวะฟอลต์ กระแสไฟฟ้าสามารถเข้าถึงค่าพิกัด 5–10× สำหรับมิลลิวินาที ไม่ว่าพัลส์นั้นจะล้างอำนาจแม่เหล็กของแม่เหล็กหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับความหนาของแม่เหล็ก Hcj ที่อุณหภูมิ และระยะเวลาของความผิดปกติ

การล้างอำนาจแม่เหล็กจุดปฏิบัติการเป็นอันตรายที่สุดเนื่องจากสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิการทำงานปกติโดยไม่มีเหตุการณ์ผิดพลาด มันเกิดขึ้นเมื่อมอเตอร์ได้รับการออกแบบให้มีความหนาของแม่เหล็กไม่เพียงพอสำหรับแรงบิดสูงสุดที่ต้องการ ดังนั้นที่กระแสสูงสุด สนามล้างอำนาจแม่เหล็กจะเข้าใกล้หรือเกินกว่า Hcj แต่ละพัลส์แรงบิดจะทำให้แม่เหล็กอ่อนลงเล็กน้อย เมื่อเวลาผ่านไป ประสิทธิภาพจะลดลง ซึ่งมักได้รับการวินิจฉัยผิดพลาดว่าเป็นการสึกหรอของแบริ่งหรือการเสื่อมสภาพของขดลวด

Demagnetization load line: NdFeB B-H curve knee and operating point margin for a permanent magnet motor

2. เส้นโหลดการล้างอำนาจแม่เหล็ก

เครื่องมือสำคัญสำหรับการวิเคราะห์การล้างอำนาจแม่เหล็กคือจุดปฏิบัติการของแม่เหล็กบนกราฟการล้างอำนาจแม่เหล็กของ BH แม่เหล็ก NdFeB ทุกอันจะมีเส้นโค้ง BH ที่เผยแพร่ที่อุณหภูมิหลายระดับ โดยทั่วไปคือ 20 องศา 100 องศา 150 องศา และบางครั้ง 180 องศา ผู้ออกแบบมอเตอร์คำนวณจุดปฏิบัติงาน: การรวมกันของ B (ความหนาแน่นของฟลักซ์ในแม่เหล็ก) และ H (สนามล้างอำนาจแม่เหล็กที่ใช้กับแม่เหล็ก) ในสภาวะการทำงานที่เลวร้ายที่สุด ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นกระแสสูงสุดที่อุณหภูมิการทำงานสูงสุด

จุดผ่าตัดจะต้องอยู่ทางด้านขวาของ "เข่า" ในเส้นโค้ง BH ซึ่งเป็นจุดที่เส้นโค้งเริ่มโค้งลงอย่างรวดเร็ว ใต้เข่า สนามล้างอำนาจแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นอีกจะทำให้เกิดการสูญเสียฟลักซ์อย่างถาวร เหนือเข่า การล้างอำนาจแม่เหล็กสามารถย้อนกลับได้: ฟลักซ์จะลดลงชั่วคราวภายใต้สนามแม่เหล็กที่ใช้ แต่จะกลับมาเหมือนเดิมเมื่อสนามแม่เหล็กถูกถอดออก

สำหรับแม่เหล็ก N42SH ที่ 150 องศา (เกรดทั่วไปสำหรับการใช้งานเซอร์โวทางอุตสาหกรรม) ข้อเข่าของเส้นโค้ง BH จะเกิดขึ้นที่ประมาณ H=-950 kA/m หากการออกแบบมอเตอร์ส่งผลให้สนามล้างอำนาจแม่เหล็กสูงสุดอยู่ที่ -700 kA/m ที่ 150 องศา และกระแสสูงสุด จะมีระยะขอบ 250 kA/m เหนือเข่า อัตรากำไรขั้นต้นนั้นควรมีค่าอย่างน้อย 150–200 kA/m สำหรับการออกแบบแบบอนุรักษ์นิยม โดยพิจารณาถึงความแปรผันระหว่างแม่เหล็กกับแม่เหล็กใน Hcj (โดยทั่วไปคือ ±50 kA/m ในการผลิต) และสำหรับความไม่แน่นอนของการวัดอุณหภูมิ

3. การเลือกส่วนต่อท้ายเกรด: จริงๆ แล้วตัวอักษรหมายถึงอะไร

ส่วนต่อท้ายความร้อนในการกำหนดเกรด NdFeB - H, SH, UH, EH - ระบุถึงอุณหภูมิการทำงานสูงสุดที่ค่าบังคับบังคับ Hcj ตรงตามข้อกำหนดขั้นต่ำ N42 ที่ไม่มีส่วนต่อท้ายได้รับการจัดอันดับไว้ที่อุณหภูมิการทำงานสูงสุด 80 องศา N42H ได้รับการจัดอันดับที่ 120 องศา N42SH ได้รับการจัดอันดับที่ 150 องศา N42UH ได้รับการจัดอันดับที่ 180 องศา N42EH ได้รับการจัดอันดับที่ 200 องศา

สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ขีดจำกัดอุณหภูมิสัมบูรณ์ที่แม่เหล็กเสียหายทันที แต่เป็นอุณหภูมิที่ตรงตามข้อกำหนด Hcj ขั้นต่ำ สูงกว่าอุณหภูมิที่กำหนด แม่เหล็กอาจยังคงมีความเสถียร ขึ้นอยู่กับสนามล้างอำนาจแม่เหล็กเฉพาะในมอเตอร์ ต่ำกว่าอุณหภูมิที่กำหนด จะมีค่า Hcj เพิ่มเติม

ข้อผิดพลาดในการเลือกเกรดที่ทำให้เกิดความล้มเหลวของสนามส่วนใหญ่: การระบุส่วนต่อท้ายขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของขดลวดมากกว่าอุณหภูมิของแม่เหล็ก ในเซอร์โวมอเตอร์แบบปิดที่มีการระบายความร้อนแบบบังคับพาความร้อนบนตัวเรือน ขดลวดสามารถเข้าถึง 130 องศาในขณะที่อุณหภูมิพื้นผิวแม่เหล็ก (ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อ Hcj) สูงถึง 110 องศา เนื่องจากแม่เหล็กอยู่ใกล้กับผนังตัวเรือนที่ระบายความร้อนมากขึ้น ในทางกลับกัน ในมอเตอร์ไร้กรอบซึ่งโรเตอร์ถูกล้อมรอบด้วยโครงสร้างสุญญากาศหรือการนำไฟฟ้าต่ำ อุณหภูมิของแม่เหล็กอาจเกินอุณหภูมิของขดลวดในระหว่างการทำงานอย่างต่อเนื่อง ต้องวัดหรือจำลองอุณหภูมิแม่เหล็ก - ไม่สามารถอนุมานได้จากอุณหภูมิของขดลวดหากไม่มีแบบจำลองความร้อนของรูปทรงของมอเตอร์

4. ข้อกำหนดหลักประกันที่ใช้งานได้จริงตามแอปพลิเคชัน

แกนเซอร์โวอุตสาหกรรม (CNC, หุ่นยนต์อุตสาหกรรม): ออกแบบให้มี Hcj 30% เหนือเข่าที่อุณหภูมิขดลวดสูงสุด 30% คิดเป็นความแปรผันของการผลิต ±5% ใน Hcj ความไม่แน่นอนของการวัดอุณหภูมิ และความจริงที่ว่าสภาวะความผิดปกติอาจทำให้มอเตอร์ได้รับกระแสที่สูงกว่าในบางครั้ง

ข้อต่อหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานและมอเตอร์แรงบิดขับเคลื่อนโดยตรง: ออกแบบให้มีอัตรากำไรขั้นต้น 40% หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานมักใช้ใกล้กับขีดจำกัดแรงบิดในงานที่มีการสัมผัสมาก และกระแสไฟฟ้าสูงสุดในระหว่างเหตุการณ์การสัมผัสที่ไม่คาดคิดอาจเกินพิกัดกระแสไฟฟ้าได้ในช่วงสั้นๆ ค่าใช้จ่ายในการสร้างสนามใหม่สูงพอที่จะให้นักอนุรักษ์นิยมจ่ายไป

มอเตอร์ขับเคลื่อน UAV: ออกแบบให้มีอัตรากำไรขั้นต้น 25% ที่อุณหภูมิต่อเนื่องที่กำหนด มอเตอร์ UAV ไม่ค่อยมีกระแสไฟสูงสุดในช่วงเวลาที่ต่อเนื่อง - กระแสไฟสูงสุดจะเกิดขึ้นเฉพาะในระหว่างการบินขึ้นและการเคลื่อนที่อย่างดุเดือดเท่านั้น ในการล่องเรือ สนามล้างอำนาจแม่เหล็กจะต่ำกว่าจุดสูงสุดมาก อัตรากำไรขั้นต้น 25% ครอบคลุมเงื่อนไขการบินขึ้น

การใช้งานที่อุณหภูมิสูง (ไดรฟ์อัดรีด เครื่องจักรแปรรูปใกล้กับเครื่องมือที่ให้ความร้อน): ใช้เกรด SH หรือ UH และออกแบบให้มีระยะขอบ 35% ที่อุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุดที่คาดหวัง ไม่ใช่อุณหภูมิแวดล้อม หากยึดมอเตอร์เข้ากับแผ่นทำความร้อน 180 องศา อุณหภูมิของแม่เหล็กจะเข้าใกล้ 180 องศาในสภาวะคงที่โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิของขดลวด

5. สิ่งที่ต้องขอจากซัพพลายเออร์แม่เหล็กของคุณ

ข้อกำหนดความต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็กที่สมบูรณ์ประกอบด้วยสามรายการที่ซัพพลายเออร์แม่เหล็กที่มีความสามารถทุกรายควรให้ได้:

ขั้นแรก กราฟการลดอำนาจแม่เหล็กของ BH เต็มรูปแบบที่อุณหภูมิการทำงาน ไม่ใช่แค่กราฟอุณหภูมิห้องเท่านั้น สำหรับมอเตอร์ที่มีอุณหภูมิแม่เหล็ก 150 องศา คุณต้องมีเส้นโค้ง 150 องศา เอกสารข้อมูลจำนวนมากแสดงเฉพาะข้อมูล 20 องศา ซึ่งไม่เพียงพอสำหรับการวิเคราะห์การล้างอำนาจแม่เหล็ก

ประการที่สอง ค่า Hcj ขั้นต่ำที่อุณหภูมิทั่วทั้งล็อตการผลิต ไม่ใช่ค่าปกติหรือค่าที่ระบุ การผลิต NdFeB มีความแปรผันของ Hcj ±3–5% ที่เกรดเดียวกัน มอเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อ Hcj ที่ระบุจะมีหน่วยในการผลิตที่จะล้างอำนาจแม่เหล็กในสภาวะการทำงานที่การวิเคราะห์การออกแบบกล่าวว่าปลอดภัย

ประการที่สาม การวัดการทำแผนที่ความหนาแน่นของฟลักซ์บนชุดตัวอย่างของแม่เหล็กที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก การวัดเป็นการยืนยันว่าระดับแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในการผลิตนั้นตรงกับข้อกำหนดเฉพาะ นอกจากนี้ยังเป็นพื้นฐานสำหรับการตรวจสอบที่เข้ามา - สามารถเปรียบเทียบล็อตการผลิตในอนาคตกับพื้นฐานเพื่อตรวจจับการเคลื่อนตัวของกระบวนการแม่เหล็กก่อนที่จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของมอเตอร์ในภาคสนาม

HIMAGNET ให้ข้อมูลเส้นโค้ง BH ที่อุณหภูมิการทำงาน ข้อมูลจำเพาะ Hcj ขั้นต่ำตามล็อตการผลิต และบริการแมปความหนาแน่นฟลักซ์สำหรับคุณสมบัติแม่เหล็กของมอเตอร์ สำหรับการสนับสนุนการวิเคราะห์มาร์จิ้นการล้างอำนาจแม่เหล็กติดต่อทีมวิศวกรของเราด้วยเกรด อุณหภูมิในการทำงาน และขอบเขตการลดอำนาจแม่เหล็กสูงสุดของคุณ