La direzione della magnetizzazione nessuno la spiega
Quando un ingegnere automobilistico specifica i magneti ad arco NdFeB, l'ordine in genere include grado, geometria, rivestimento e tolleranza. La direzione della magnetizzazione viene visualizzata come una nota di una sola parola - "radiale" - o viene completamente omessa presupponendo che il fornitore sappia cosa fare.
Questa ipotesi è corretta per i motori semplici. Per servomotori ad alte prestazioni, giunti robotici e applicazioni UAV, è il tipo di presupposto che costa tre iterazioni del prototipo per la diagnosi. La direzione della magnetizzazione determina direttamente la forma d'onda della densità di flusso nel traferro, l'ondulazione della coppia, il contenuto armonico della forza elettromotrice posteriore e il compromesso pratico tra coppia di picco e coppia di cogging. Scegliere quello sbagliato dopo che la geometria del rotore è bloccata non è una soluzione rapida.
Questa guida copre i tre approcci di magnetizzazione utilizzati nei moderni motori a magneti permanenti - radiale, parallelo (a volte chiamato "pane") e array di Halbach - e quando ciascuno di essi è e non è la scelta giusta.
1. Magnetizzazione radiale: l'impostazione predefinita che funziona finché non funziona più
Magnetizzazione radiale significa che il campo magnetico all'interno del segmento dell'arco punta radialmente, verso l'esterno dal centro del rotore nel caso di magneti montati in superficie su un rotore interno. È lo standard per una buona ragione: è producibile con dispositivi di ricarica standard, funziona in modo affidabile su un'ampia gamma di geometrie di arco e produce una forma d'onda trapezoidale della densità del flusso del traferro che ben si adatta ai motori trapezoidali con back-EMF.
La forma d'onda trapezoidale ha una regione superiore piatta dove la densità del flusso è pressoché costante, con una transizione rapida ai bordi del magnete. Per i motori DC senza spazzole (BLDC) azionati con commutazione a sei fasi, questa è esattamente la forma d'onda desiderata: si allinea con la commutazione di commutazione e produce una coppia relativamente uniforme alla velocità operativa prevista.
Il problema si presenta nei motori PMSM azionati sinusoidalmente in cui l'algoritmo di controllo presuppone una back-EMF sinusoidale. I segmenti d'arco magnetizzati radialmente producono una forza elettromotrice posteriore con un contenuto significativo di 5a e 7a armonica - tipicamente il 3–7% della fondamentale nei rotori ben progettati, potenzialmente più elevata nei rotori con pochi poli o lunghezze d'arco brevi. Tali armoniche appaiono come ondulazione di coppia a 6 volte la frequenza elettrica. A 3.000 giri/min in un motore a 8 poli (200 Hz elettrico), si ottiene un'ondulazione di coppia di 1.200 Hz. In una macchina utensile di precisione o in un giunto robotico in cui la larghezza di banda meccanica è elevata, è udibile e misurabile nello spettro dell'errore di posizione.
La magnetizzazione radiale è la scelta giusta per: motori BLDC con commutazione a sei fasi, motori in cui il costo e la producibilità prevalgono sull'ondulazione della coppia e applicazioni in cui la frequenza elettrica è sufficientemente bassa da far sì che l'armonica 6× scenda al di sotto della risonanza meccanica del carico.
2. Magnetizzazione parallela: più vicina alla sinusoidale senza la complessità
La magnetizzazione parallela - chiamata anche magnetizzazione "a pane" a causa del modo in cui le linee di campo appaiono all'interno del magnete - allinea la direzione di magnetizzazione parallelamente a un asse fisso anziché radialmente dal centro del rotore. Il risultato è una distribuzione della densità di flusso nel traferro che è più vicina a quella sinusoidale che a quella radiale.
Il miglioramento quantitativo è modesto ma misurabile. In un tipico rotore a 8 poli montato in superficie con segmenti d'arco di 150 gradi, il passaggio dalla magnetizzazione radiale a quella parallela riduce la componente EMF posteriore di 5a armonica da circa il 5% al 2–3% della fondamentale. La settima armonica scende da circa il 3% all'1–1,5%. La distorsione armonica totale nella forma d'onda del back-EMF scende dal 6–8% al 3–4%.
Per i motori PMSM a controllo sinusoidale in assi CNC, giunti di robot collaborativi e servoazionamenti in cui le specifiche di ondulazione della coppia sono inferiori al 2% della coppia nominale, la magnetizzazione parallela vale il piccolo sovrapprezzo, in genere 8-15% rispetto a quello radiale per segmenti di arco personalizzati a volumi di produzione.
La limitazione è geometrica: la magnetizzazione parallela funziona meglio quando il segmento d'arco sottende un angolo relativamente piccolo. Per i motori con un numero elevato di poli in cui i singoli segmenti dell'arco coprono 30–45 gradi della circonferenza del rotore, il miglioramento rispetto ai motori radiali è sostanziale. Per i motori a basso numero di poli in cui i segmenti coprono 60 gradi o più, la densità di flusso sui bordi del magnete diverge significativamente dalla forma sinusoidale prevista e il vantaggio diminuisce.
3. Array Halbach: prestazioni elevate a costi di ingegneria reali
Un array Halbach dispone i magneti in modo che i segmenti adiacenti abbiano direzioni di magnetizzazione progressivamente ruotate - radiale verso l'esterno, poi tangenziale, poi radiale verso l'interno, quindi tangenziale nella direzione opposta - producendo una forma d'onda fortemente sinusoidale su un lato della schiera e quasi zero sull'altro. Nel rotore di un motore, ciò significa che quasi tutto il flusso è concentrato nel traferro e pochissime perdite attraverso il ferro posteriore.
I vantaggi in termini di prestazioni sono reali e significativi. Rispetto ad un rotore magnetizzato radialmente convenzionale, un array Halbach produce:
- Densità del flusso d'aria fondamentale più alta del 15–25% per lo stesso volume del magnete
- THD back-EMF inferiore all'1% in configurazioni ben progettate
- Coppia quasi sinusoidale con ondulazione della coppia inferiore allo 0,5% della coppia nominale
- Spessore ridotto del ferro posteriore del rotore, consentendo rotori più leggeri
Questi sono i motivi per cui gli array Halbach compaiono nei motori ad azionamento diretto ad alte prestazioni per robot collaborativi, unità per tavoli per imaging medico, movimentazione di semiconduttori di precisione e alcune applicazioni UAV.
Il costo di ingegneria è altrettanto reale. Un array Halbach richiede almeno quattro segmenti magnetici per polo - e in pratica sei o otto per una buona fedeltà sinusoidale - rispetto a uno per polo per radiale o parallelo. Ogni segmento ha una direzione di magnetizzazione diversa, il che significa dispositivi di ricarica diversi, costi unitari più elevati e assemblaggi più complessi. I requisiti di tolleranza posizionale sono più severi: la posizione angolare di ciascun segmento deve essere mantenuta entro ±0,5 gradi per evitare di degradare la forma d'onda del flusso. Il montaggio richiede maschere e dispositivi di precisione non intercambiabili tra le diverse dimensioni del motore.
Con volumi di produzione ridotti, inferiori a 500 rotori al mese, il costo aggiuntivo di attrezzatura e assemblaggio per un array Halbach è in genere 3-5 volte il costo del magnete di un rotore convenzionale. A volumi elevati, il premio si riduce a 1,5–2×. La decisione corretta dipende dal fatto che il miglioramento delle prestazioni giustifichi tale costo sulla scala di produzione e sull'obiettivo di prestazioni.
4. Matrice di selezione
| Tipo di motore/applicazione | Magnetizzazione consigliata | Motivo chiave |
|---|---|---|
| BLDC con commutazione a sei fasi (ventilatori, pompe, azionamenti base) | Radiale | Il back-EMF trapezoidale corrisponde alla commutazione; radiale è ottimale in termini di costi |
| Servo PMSM, asse CNC, robot industriale standard | Parallelo | Riduce l'ondulazione della coppia all'1–2% senza assemblaggi complessi |
| Servo ad alta precisione (semiconduttori, medicale, ottica) | Parallelo o Halbach (4 segmenti) | La specifica dell'ondulazione di coppia inferiore all'1% richiede un flusso sinusoidale |
| Giunto robot collaborativo, motore torque a trasmissione diretta | Halbach (segmento 4-6) | Elevata densità di coppia e cogging prossimo allo zero in un fattore di forma compatto |
| Propulsione UAV, motore a flusso assiale | Halbach (6-8 segmenti) | Coppia/peso massimo; l'eliminazione del ferro posteriore consente il design del rotore piatto |
| Motore manuale abile senza telaio | Parallelo o Halbach (4 segmenti) | La fluidità della coppia è fondamentale per il controllo della forza; spazio troppo limitato per 6+ segmento Halbach |
5. Cosa verificare con il fornitore di magneti
- ☐ Specificare esplicitamente la direzione della magnetizzazione nel disegno: "radiale", "parallela" o "Halbach con configurazione a segmenti N per polo"
- ☐ Per la magnetizzazione parallela: verificare che il fornitore disponga del dispositivo di ricarica corretto per la geometria dell'arco; un dispositivo progettato per un angolo dell'arco diverso produrrà un ibrido che non è né radiale né propriamente parallelo
- ☐ Per array Halbach: richiedere il vettore di direzione della magnetizzazione per ciascuna posizione del segmento nell'assieme; verificare rispetto alla simulazione del motore prima di impegnarsi nell'attrezzatura
- ☐ Richiedere dati di mappatura della densità di flusso su un rotore campione: il fornitore misura il flusso magnetico in posizioni definite attorno alla circonferenza del rotore; ciò conferma che la magnetizzazione prevista è stata raggiunta e fornisce dati di riferimento per l'ispezione in arrivo
- ☐ Confermare l'intervallo di calibrazione dell'apparecchio di ricarica; il degrado delle attrezzature è la fonte più comune di variazione della magnetizzazione nei cicli di produzione
HIMAGNET produce magneti a segmenti di arco con matrice di Halbach e magnetizzati radialmente, parallelamente e per applicazioni motoristiche, dai campioni tecnici fino alla produzione. Per supporto sulle specifiche di magnetizzazione sulla progettazione del motore,contattare il nostro team di ingegnericon il conteggio dei poli, la geometria del segmento dell'arco e il target dell'ondulazione della coppia.
