Soluzioni magnetiche personalizzate: utilizzo della FEA per prevenire la smagnetizzazione

In un circuito magnetico chiuso (ad esempio, un magnete inserito tra gioghi di acciaio), il coefficiente di permeanza (Pc) è elevato, tipicamente 5-10. Il magnete opera nella regione lineare della curva di smagnetizzazione, lontano dal ginocchio. Il rischio di smagnetizzazione è basso anche a temperature elevate.

In un circuito aperto (ad esempio, un magnete da solo nell'aria), Pc è basso (0,1-0,5). Il punto operativo si trova vicino al ginocchio. Qualsiasi campo opposto o aumento della temperatura può spingerlo verso una perdita irreversibile. Per questo motivo i separatori magnetici e i dispositivi di trattenimento utilizzano espansioni polari in acciaio per aumentare Pc.

In un motore a magnete permanente, i magneti del rotore subiscono una variazione Pc a seconda della posizione del rotore e della corrente dello statore. Al carico di picco, il campo di smagnetizzazione derivante dalla reazione dell'armatura può ridurre Pc locale al di sotto di 1,0, creando un rischio di smagnetizzazione ai bordi del magnete.

Il software FEA (ad esempio Ansys Maxwell, JMAG, Motor-CAD) calcola il vettore del campo magnetico su ciascun elemento finito del magnete. Il campo viene quindi confrontato con la curva BH alla temperatura operativa. Se in quel punto l'intensità del campo supera la coercività intrinseca (Hcj), l'elemento è considerato smagnetizzato.

Simuliamo tre condizioni:

Carico nominale alla massima temperatura ambiente.

Sovraccarico (2x o 3x corrente nominale) per 10 secondi.

Condizione di stallo (velocità del rotore pari a zero, piena tensione applicata).

Le mappe di output mostrano la percentuale di smagnetizzazione nel volume del magnete. In genere, i bordi e gli angoli sono i più vulnerabili. Soglia accettabile:<5% demagnetization after 1000 cycles; <2% for automotive or aerospace applications.

Le modifiche geometriche riducono significativamente il rischio di smagnetizzazione. L'aggiunta di uno smusso o di un raggio di 0,5-1,5 mm sui bordi del magnete riduce la concentrazione del campo locale. La FEA consente un'iterazione rapida: un ingegnere può valutare 20-30 variazioni di smusso in un giorno, mentre i test fisici di ciascuna iterazione richiederebbero settimane.

Anche il rapporto di spessore (spessore del magnete/lunghezza del traferro) influisce sulla smagnetizzazione. Per un dato motore, l'aumento dello spessore del magnete da 3 mm a 4 mm aumenta il Pc da 1,2 a 1,6, riducendo il rischio di smagnetizzazione del 40-50% alla stessa temperatura operativa. Tuttavia, i magneti più spessi aumentano l’inerzia del rotore e il costo del materiale. La FEA ottimizza il rapporto di spessore per un costo minimo rimanendo al di sopra della soglia di smagnetizzazione.

Dopo l'ottimizzazione FEA, produciamo prototipi fisici (5-10 pezzi) ed eseguiamo la validazione della smagnetizzazione:

Misurare il flusso a temperatura ambiente (bobina di Helmholtz o flussimetro).

Riscaldare il gruppo alla massima temperatura operativa per 1 ora.

Applicare un impulso di campo inverso o far funzionare il motore in sovraccarico.

Raffreddare a temperatura ambiente e ri-misurare il flusso.

Perdita irreversibile=(flux_after - flux_before) / flux_before × 100%. La correlazione con FEA dovrebbe essere compresa tra il 10 e il 15%. Se la discrepanza supera il 20%, perfezioniamo la simulazione (ad esempio, aggiungendo l'effetto della variazione delle proprietà del materiale e delle tolleranze di produzione).

Per soluzioni magnetiche personalizzate che richiedono analisi di smagnetizzazione FEA, inclusi rotori IPM, magneti per rotori di tipo a raggio- e accoppiamenti magnetici, fare riferimento alla nostra pagina di supporto tecnico sull'analisi degli elementi finiti sul nostro sito web. Forniamo rapporti di simulazione completi con ogni prototipo.

Per richiedere una valutazione del rischio di smagnetizzazione per la progettazione del motore esistente o pianificato, contatta il nostro team di ingegneri FEA. Invia la forma d'onda della corrente dello statore, le dimensioni del rotore, il grado del magnete e la temperatura massima. Restituiamo un rapporto di simulazione entro 3-5 giorni lavorativi.

D: Quanto è precisa la FEA nel prevedere la smagnetizzazione rispetto ai test sui motori-del mondo reale?
R: Entro ±10% per proprietà magnetiche omogenee. La variazione deriva dal lotto effettivo del magnete Hcj-al-lotto (±5%) e dall'errore di misurazione della temperatura. Raccomandiamo un margine di sicurezza del 15% inferiore all'Hcj nominale.

D: È possibile simulare la smagnetizzazione per un gruppo array Halbach?
R: Sì. Gli array Halbach hanno percorsi di flusso complessi, ma FEA li gestisce in modo accurato. Siamo specializzati nelle configurazioni Halbach per motori lineari e bobine di gradiente MRI.

D: Qual è lo spessore minimo del magnete per evitare la smagnetizzazione in un PMSM a 150 gradi?
R: Dipende dal traferro e dalla corrente dello statore. Come regola pratica, per un PMSM a montaggio superficiale-con traferro di 1 mm e magneti N35SH, lo spessore minimo è 3,5 mm. Per N42SH, 4,5 mm. Esegui FEA per la tua geometria esatta.