SmCo กับ NdFeB ในการใช้งานมอเตอร์: เกณฑ์อุณหภูมิและเกณฑ์การคัดเลือก

SmCo กับ NdFeB ในการใช้งานมอเตอร์: เมื่อสวิตช์ได้รับการพิสูจน์แล้ว

เวอร์ชันย่อ: NdFeB เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับมอเตอร์ส่วนใหญ่ และ SmCo เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับชุดย่อยเฉพาะของการใช้งานที่อุณหภูมิหรือสภาพแวดล้อมทำให้ NdFeB ใช้ไม่ได้จริง ปัญหาคือขอบเขตระหว่างสองประเภทนี้ไม่ชัดเจนในการสนทนาทางวิศวกรรมส่วนใหญ่ บางครั้งวิศวกรจะระบุ SmCo ด้วยเหตุผลด้านความร้อนเมื่อ N45EH ใช้งานได้ และบางครั้งระบุ N45EH เมื่อสภาวะการทำงานเรียกร้องให้ SmCo ชัดเจน ไม่มีข้อผิดพลาดใดฟรี

บทความนี้จะให้เกณฑ์การสลับที่เป็นรูปธรรม - ไม่ใช่แนวทางทั่วไป แต่เป็นตัวเลขเฉพาะ - สำหรับสถานการณ์การใช้งานมอเตอร์ทั่วไปส่วนใหญ่ที่มีการเปลี่ยนแปลง NdFeB เป็น SmCo

1. การแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพหลัก

NdFeB และ SmCo ทั้งคู่ผลิตสนามแม่เหล็กถาวรพลังงานสูง แต่คุณสมบัติของวัสดุจะแตกต่างกันที่อุณหภูมิสูงในลักษณะที่สำคัญต่อการออกแบบมอเตอร์

NdFeB (เผาผนึก เกรด N): Br มีตั้งแต่ 1.08 T (N35) ถึง 1.46 T (N52) ที่อุณหภูมิห้อง ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ Br อยู่ที่ประมาณ −0.11 ถึง −0.13%/ องศา ดังนั้นแม่เหล็ก N45 ที่ 150 องศาจะมี Br ประมาณ 1.25 T แทนที่จะเป็นอุณหภูมิห้อง 1.34 T ซึ่งลดลง 7% ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ Hcj อยู่ที่ −0.55 ถึง −0.60%/ องศา ซึ่งเป็นตัวเลขวิกฤต: N45 ที่มี Hcj=1380 kA/m ที่ 20 องศา จะมี Hcj พรีเมี่ยม อยู่ที่ 620 kA/m ที่ 150 องศา หัวเข่าลดลงเหลือประมาณ 310 kA/m สนามล้างอำนาจแม่เหล็ก หมายความว่าแม่เหล็กค่อนข้างง่ายที่จะล้างอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงขึ้นภายใต้ปฏิกิริยาของกระดอง

SmCo เกรด 26 (Sm₂Co₁₇): Br ประมาณ 1.02–1.05 T ที่อุณหภูมิห้อง ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ Br −0.030 ถึง −0.035%/ องศา - ดีกว่า NdFeB ประมาณ 3 เท่า ที่ 200 องศา Br มีค่าประมาณ 0.99 T แทบไม่เปลี่ยนแปลง ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ Hcj −0.20 ถึง −0.25%/ องศา SmCo เกรด 26 โดยมี Hcj=1500 kA/m ที่ 20 องศา คงไว้ประมาณ 1,000 kA/m ที่ 200 องศา หัวเข่าที่ 200 องศาอยู่ที่ประมาณ 500 kA/m - ยังคงให้ความต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็กได้อย่างมากภายใต้ปฏิกิริยากระดอง

ข้อดีที่ชัดเจนคือ ที่อุณหภูมิห้อง N45 มีประสิทธิภาพเหนือกว่า SmCo Gr26 ประมาณ 30% ใน Br ที่ 150 องศา ช่องว่างจะแคบลงเหลือ 15% สูงกว่า 200 องศา SmCo ก็เป็นแม่เหล็กที่แข็งแกร่งกว่าของ Br เช่นกัน ราคาพรีเมียมสำหรับ SmCo อยู่ที่ 4–6 × ต่อกิโลกรัมสำหรับปริมาณที่เทียบเท่า

2. เกณฑ์การสลับตามอุณหภูมิ

การตัดสินใจเปลี่ยนสวิตซ์อยู่ที่ค่าผสมเฉพาะของอุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุดและสนามลดอำนาจแม่เหล็กสูงสุด ไม่ใช่ที่เกณฑ์อุณหภูมิที่กำหนด แต่สำหรับการตัดสินใจผ่านครั้งแรกในทางปฏิบัติ เกณฑ์เหล่านี้ครอบคลุมการใช้งานมอเตอร์ส่วนใหญ่:

อุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุดต่ำกว่า 120 องศา:เกรด NdFeB H หรือ SH มักจะเป็นตัวเลือกที่ถูกต้องเสมอ SmCo ไม่มีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่อุณหภูมิเหล่านี้ ซึ่งเป็นตัวกำหนดต้นทุนพรีเมียม ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (มอเตอร์ทางทะเล ตัวขับเคลื่อนกระบวนการทางเคมี) ซึ่งช่องโหว่ในการเคลือบของ NdFeB มีความสำคัญมากกว่าคุณสมบัติทางความร้อน

อุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุด 120–150 องศา:นี่คือโซนที่โต้แย้ง สำหรับมอเตอร์ขดลวดแบบกระจายที่มีอัตราส่วนแรงบิดสูงสุดต่อต่อเนื่องต่ำกว่า 3× N45SH หรือ N42SH ก็เพียงพอแล้วและมีราคาน้อยกว่า SmCo 60–70% สำหรับมอเตอร์ขดลวดเข้มข้นที่มีอัตราส่วนแรงบิดสูงสุดสูงกว่า 4× หรือสำหรับการออกแบบมอเตอร์ที่มี PC ต่ำกว่า 4 (แม่เหล็กบางในช่องว่างอากาศขนาดใหญ่) SmCo เริ่มเข้าใจถึงความรู้สึกทางวิศวกรรม เนื่องจากการคำนวณ Hcj Margin เริ่มล้มเหลวสำหรับ NdFeB แม้จะมีเกรด SH ก็ตาม

อุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุด 150–200 องศา:SmCo เป็นตัวเลือกวัสดุที่ถูกต้องสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ เกรด NdFeB EH (Hcj > 3000 kA/m ที่ 20 องศา ) บางครั้งอาจขยายออกไปในช่วงนี้สำหรับการออกแบบที่มีปฏิกิริยากระดองต่ำ แต่คุณต้องจ่ายราคา EH (ประมาณ 2× H เกรด) สำหรับแม่เหล็กที่ยังคงทำงานใกล้ขีดจำกัด SmCo Gr26 ที่อุณหภูมิ 200 องศาสามารถรักษา Br ที่อุณหภูมิห้องได้ 95% และมี Hcj สูงกว่า N45EH ถึง 3 เท่าที่อุณหภูมิเดียวกัน ความแตกต่างของต้นทุนที่ 150–200 องศานั้นมีความสำคัญน้อยกว่าเมื่อดูที่อุณหภูมิห้องมาก เนื่องจากตัวเลือก NdFeB ต้องใช้เกรด EH ที่แพงที่สุด

สูงกว่า 200 องศา:เอสเอ็มซีเท่านั้น อุณหภูมิการทำงานต่อเนื่องสูงสุด NdFeB คือ 200 องศาสำหรับเกรด EH และมีปฏิกิริยากระดองน้อยที่สุด สำหรับมอเตอร์เสริมกังหัน มอเตอร์เจาะใต้หลุม และไดรฟ์อุตสาหกรรมที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งมีการทำงานที่ยั่งยืน 200–250 องศา SmCo Gr28–30 เป็นตัวเลือกเดียวที่ใช้งานได้จริงจากประเภทแร่หายากเผา

3. จุดเปลี่ยนเฉพาะแอปพลิเคชัน

อุณหภูมิเป็นตัวขับเคลื่อนหลัก แต่ไม่ใช่เพียงอย่างเดียว การใช้งานเฉพาะเหล่านี้จำเป็นต้องพิจารณาเพิ่มเติม:

มอเตอร์ขับเคลื่อนการบินและอวกาศ (แอคทูเอเตอร์ ปั๊มเชื้อเพลิง พัดลม ECS):ตัวขับเคลื่อนหลักมักไม่ใช่อุณหภูมิ แต่เป็นข้อกำหนดด้านความแข็งของรังสีและการปล่อยก๊าซออก การเคลือบ NdFeB (Ni-Cu-Ni, อีพ็อกซี่) สามารถปล่อยก๊าซในสุญญากาศและมีความต้านทานรังสีที่จำกัด SmCo ไม่มีส่วนประกอบอินทรีย์และมีการปล่อยก๊าซน้อยกว่ามาก - TML (การสูญเสียมวลรวม) ที่วัดได้สำหรับ SmCo เกรดสุญญากาศต่ำกว่า 0.1% เทียบกับ 0.3–0.8% สำหรับ NdFeB ที่เคลือบอีพ็อกซี่ สำหรับคุณสมบัติของ NASA หรือ ESA นั้น SmCo ถือเป็นมาตรฐานไม่ใช่เพราะอุณหภูมิ แต่เป็นเพราะความเข้ากันได้ของสภาพแวดล้อมในอวกาศ

มอเตอร์ความเร็วสูง (มากกว่า 50,000 รอบต่อนาที):ที่ความเร็วสูงมาก ความเค้นจากแรงเหวี่ยงในโครงสร้างแม่เหล็กโรเตอร์จะกลายเป็นปัจจัยจำกัด SmCo มีกำลังอัดสูงกว่า NdFeB เล็กน้อย (ประมาณ 1100 MPa เทียบกับ 900 MPa กำลังรับแรงอัด) แต่ปัจจัยที่สำคัญกว่าคือมอเตอร์ความเร็วสูงที่มีแม่เหล็กยึดบนพื้นผิว โดยทั่วไปจะใช้คาร์บอนไฟเบอร์หรือปลอกยึด Inconel ที่มองเห็นโหลดแบบแรงเหวี่ยง ที่ 100,000 RPM ด้วยโรเตอร์รัศมี 10 มม. ความเร็วพื้นผิวแม่เหล็กคือ 100 ม./วินาที และความเค้นของปลอกเป็นข้อจำกัดในการออกแบบ - คุณสมบัติของวัสดุแม่เหล็กถือเป็นรอง ข้อได้เปรียบของ SmCo ในที่นี้คือความต้านทานการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมกระแสไหลวนความถี่สูง ไม่ใช่ความแข็งแรงทางกล

มอเตอร์กระบวนการทางอุตสาหกรรมในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน:NdFeB กัดกร่อนอย่างรวดเร็วในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูงกว่า 85% RH รวมกับการปนเปื้อนของไอออนิก (สเปรย์เกลือ คลอรีน ละอองกรด) การเคลือบ Ni-Cu-Ni ให้การปกป้องที่เพียงพอสำหรับสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมมาตรฐาน (IP54–IP65) แต่จะล้มเหลวในสภาพแวดล้อมทางทะเลหรือทางเคมีภายใน 2-5 ปี SmCo มีความทนทานต่อการกัดกร่อนอย่างแท้จริง - ไม่จำเป็นต้องเคลือบสำหรับมอเตอร์ IP67 เกรดมารีน หากมอเตอร์ถูกปิดผนึกด้วยอีพอกซีหรือโรเตอร์ถูกปิดผนึกแยกกัน NdFeB สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้โดยมีการห่อหุ้มที่เพียงพอ แต่ SmCo จะช่วยขจัดความเสี่ยงในการออกแบบ

มอเตอร์อายุการใช้งานยาวนานพร้อมการหมุนเวียนตามอุณหภูมิ:การหมุนเวียนด้วยความร้อนซ้ำๆ ตั้งแต่เริ่มเย็นจนถึงอุณหภูมิใช้งานจะสร้างการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันระหว่างแม่เหล็กและกาวยึดติด NdFeB มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนประมาณ 5–8 × 10⁻⁶/ องศา (ขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามแม่เหล็ก) SmCo มีค่าประมาณ 10–12 × 10⁻⁶/ องศา - สูงกว่า NdFeB จริงๆ ซึ่งหมายความว่า SmCo ไม่ได้ดีกว่าสำหรับการปั่นจักรยานด้วยความร้อนโดยเนื้อแท้ การเลือกกาวยึดติดและรูปทรงของแม่เหล็กมีอิทธิพลต่ออายุการใช้งานความล้าในทั้งสองกรณี

4. สิ่งที่ SmCo ไม่สามารถแก้ไขได้

บางครั้ง SmCo ถูกระบุว่าเป็นวิธีแก้ไขปัญหาที่ไม่สามารถแก้ไขได้:

การสูญเสียปัจจุบันของ Eddy:ความต้านทานไฟฟ้าของ SmCo (ประมาณ 0.8–1.0 μΩ·m) คล้ายกับ NdFeB (ประมาณ 1.4–1.6 μΩ·m) SmCo ไม่ได้ดีกว่าอย่างมีนัยสำคัญในการลดการสูญเสียกระแสไหลวนในสภาพแวดล้อมสนามความถี่สูง การแบ่งส่วนของแม่เหล็ก (การตัดในแนวแกนหรือแนวเส้นรอบวง) เป็นวิธีการแก้ปัญหาที่ถูกต้องสำหรับวัสดุทั้งสอง

แรงบิดฟันเฟือง:แรงบิดของฟันเฟืองถูกกำหนดโดยรูปร่างของขั้วแม่เหล็ก รูปทรงของช่อง และปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน ไม่ใช่วัสดุแม่เหล็ก SmCo ไม่ลดแรงบิดของฟันเฟืองเมื่อเทียบกับ NdFeB ที่มีรูปทรงเดียวกัน การเอียงของแม่เหล็ก การเอียงของช่อง หรือขดลวดของช่องแบบเศษส่วนเป็นเครื่องมือที่ถูกต้อง

การลดต้นทุนเมื่อจำเป็นต้องใช้ EH อยู่แล้ว: When the operating conditions require NdFeB EH grade, some engineers switch to SmCo expecting a lower cost. In volume (>500 ชิ้น) โดยปกติแล้ว NdFeB EH จะมีราคาถูกกว่า SmCo Gr26 ถึง 30–50% สำหรับผลิตภัณฑ์พลังงานที่เทียบเท่า SmCo สมเหตุสมผลเหนือเกณฑ์อุณหภูมิด้วยเหตุผลทางวิศวกรรม - ไม่ใช่กลยุทธ์การลดต้นทุนเมื่อ EH ให้คะแนนราคาที่เทียบเท่ากับ SmCo อยู่แล้ว

5. พิธีสารการเปลี่ยนผ่านเชิงปฏิบัติสำหรับการออกแบบมอเตอร์

เมื่อการออกแบบมอเตอร์ได้รับการประเมินสำหรับ SmCo เทียบกับ NdFeB ลำดับการตัดสินใจควรเป็น:

ขั้นตอนที่ 1: คำนวณอุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุดตามที่อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้านี้ (รวมการนำความร้อนของสเตเตอร์และความร้อนด้วยตนเองของแม่เหล็ก) หากต่ำกว่า 120 องศาโดยมีระยะขอบเกรด SH ให้หยุด - NdFeB SH คือคำตอบ

ขั้นตอนที่ 2: หากอยู่ที่ 120–180 องศา ให้คำนวณค่าเผื่อความปลอดภัยในการล้างอำนาจแม่เหล็กสำหรับ N45SH และ N42EH โดยเฉพาะ หากทั้งคู่ให้ระยะขอบที่เพียงพอ (สนามปฏิกิริยาความร้อน + กระดองรวมใต้เข่า 20% หรือมากกว่า) N45SH คือคำตอบ

ขั้นตอนที่ 3: หากจำเป็นต้องใช้เกรด EH แต่อุณหภูมิสูงสุดต่ำกว่า 160 องศา ให้รับราคาปัจจุบันสำหรับทั้ง N40EH และ SmCo Gr26 สำหรับรูปทรงเฉพาะ ในช่วงอุณหภูมินี้ ส่วนต่างของต้นทุนมักจะอยู่ที่ 15–25% ซึ่ง NdFeB นิยมใช้ขนาดมาตรฐาน สูงกว่า 160 องศา ขอราคา SmCo Gr26 - จุดครอสโอเวอร์ต้นทุนจะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องในทิศทางของ SmCo เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ขั้นตอนที่ 4: โดยไม่คำนึงถึงอุณหภูมิ ให้ระบุ SmCo หากการใช้งานเป็นแบบสูญญากาศในอวกาศ การแช่ในทะเลอย่างยั่งยืนโดยไม่ต้องห่อหุ้มด้วยอีพ็อกซี่เต็มรูปแบบ หรือการทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงกว่า 200 องศา

HIMAGNET จัดหาทั้ง NdFeB (มาตรฐานถึงเกรด EH) และ SmCo (Gr18 ถึง Gr32) และสามารถให้ข้อมูลประสิทธิภาพที่อุณหภูมิการใช้งานสำหรับการเปรียบเทียบโดยตรงในการคำนวณโหลดไลน์ของคุณ หากคุณมีการออกแบบมอเตอร์ในช่วงอุณหภูมิแม่เหล็กสูงสุด 130–160 องศา และไม่แน่ใจว่าวัสดุใดเหมาะสม โปรดส่งโปรไฟล์การทำงานมาให้เรา แล้วเราจะคำนวณแทนคำแนะนำตามราคา