La smagnetizzazione termica è la modalità di guasto del magnete più comune che nessuno prevede
La maggior parte delle analisi termiche dei motori si concentra sull'avvolgimento. Viene calcolata la perdita di rame, viene costruita una rete di resistenza termica e il progetto viene dichiarato sicuro se la temperatura dell'avvolgimento rimane al di sotto del limite della classe di isolamento. La temperatura del magnete viene annotata come uscita secondaria dello stesso modello - in genere 10–20 gradi sotto l'avvolgimento - e confrontata con la temperatura operativa massima sulla scheda tecnica. Se è inferiore al limite della scheda dati, l'analisi si interrompe.
A questo approccio mancano due cose. Innanzitutto, la temperatura operativa massima del magnete indicata sulla scheda tecnica non è un limite di sicurezza per la smagnetizzazione: è la temperatura oltre la quale le proprietà del magnete si degradano permanentemente anche in assenza di un campo esterno. In secondo luogo, anche al di sotto di tale temperatura, la combinazione di temperatura elevata e campo di reazione dell'armatura durante gli eventi di coppia di picco crea un rischio di smagnetizzazione che non può essere valutato solo dalla temperatura stazionaria. Questo articolo copre la metodologia di calcolo effettiva.
1. Perché i magneti dei motori sono più caldi di quanto la maggior parte dei progettisti si aspetta
In un motore PM a montaggio superficiale, i magneti sono collegati al rotore e separati dal rame dell'avvolgimento tramite il traferro, il rivestimento della fessura, il ferro dentato e l'alloggiamento. A prima vista sembrano ben isolati dalla fonte di calore primaria. In pratica, il rotore si riscalda da due fonti: perdite di correnti parassite nei magneti stessi (significative nei magneti segmentati con elevate armoniche delle fessure) e calore condotto dallo statore attraverso irraggiamento e convezione attraverso il traferro.
Le perdite per correnti parassite nei magneti NdFeB solidi scalano con il quadrato dell'ampiezza armonica della densità di flusso e con il quadrato della frequenza. In un motore a 6 poli funzionante a 3000 giri/min con un avvolgimento concentrato (alto contenuto armonico), le perdite per correnti parassite nei magneti possono raggiungere il 15–30% della perdita totale del rotore. Questa non è una correzione minore. In un motore da 500 W, 10 W di perdita di corrente parassita del magnete con una resistenza termica di 3 gradi /W tra il magnete e l'ambiente producono 30 gradi di aumento aggiuntivo della temperatura del magnete sopra il ferro del rotore. In combinazione con il calore condotto dallo statore, le temperature dei magneti nei motori ad avvolgimento concentrato a carico continuo superano regolarmente le temperature degli avvolgimenti di 5–15 gradi anziché essere inferiori.
Il percorso termico conta. In un motore a flusso assiale con configurazione a doppio rotore, i magneti si trovano sulle superfici esterne dei dischi del rotore: hanno un eccellente raffreddamento convettivo nella maggior parte delle geometrie e funzionano a temperature più basse rispetto allo statore. In un motore a flusso radiale con cava profonda con stack lungo e raffreddamento limitato delle estremità, il gradiente di temperatura del magnete lungo la lunghezza assiale può raggiungere i 20 gradi dall'estremità al centro. Il punto più caldo del magnete non è visibile ai sensori termici incorporati nello statore ed è il punto più caldo che determina il margine di smagnetizzazione.
2. Il corretto calcolo della sicurezza della smagnetizzazione
Il margine di sicurezza della smagnetizzazione ha due componenti: il margine termico (distanza dalla temperatura operativa alla temperatura alla quale il ginocchio attraversa il campo operativo) e il margine di campo (distanza dal campo di smagnetizzazione della reazione dell'armatura al ginocchio alla temperatura operativa). Entrambi devono essere calcolati.
Inizia con l'analisi della linea di carico dalla geometria del circuito magnetico (trattata nell'articolo precedente di questa serie). Ciò fornisce il punto operativo (Bop, Hop) in assenza di reazione dell'armatura. Per un motore a flusso radiale ben progettato con PC=6, Hop è circa −Br/PC ≈ −0,22 T / μ₀ ≈ −175 kA/m. Questo è il punto di funzionamento a temperatura ambiente e senza carico.
Aggiungi il campo di reazione dell'armatura. Alla corrente di picco (tipicamente 3× continua in un servoazionamento), il campo di smagnetizzazione sulla superficie del magnete è Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm), dove Id è il componente di corrente dell'asse d e Ld è l'induttanza dell'asse d. Per un tipico servomotore con picco di 10 A e Ld=2mH, il campo di reazione dell'armatura sulla superficie del magnete può raggiungere 200–400 kA/m a seconda della geometria del motore. Il campo di smagnetizzazione totale è la somma: −175 + (−300)=−475 kA/m in questo esempio.
Ora controlla la posizione del ginocchio alla temperatura operativa del magnete. Per N45 (Hcj=1380 kA/m a 20 gradi, coefficiente di temperatura −0,55%/grado), a 120 gradi l'Hcj scende a circa 1380 × (1 − 0,55% × 100)=621 kA/m. Il ginocchio della curva di smagnetizzazione per N45 a 120 gradi si verifica a circa 0,5 × Hcj=310 kA/m nella direzione di smagnetizzazione. Il campo totale −475 kA/m supera il campo del ginocchio −310 kA/m. Questo progetto subirà una smagnetizzazione parziale irreversibile durante gli eventi di coppia di picco alla temperatura di esercizio. Il calcolo mostra la modalità di guasto prima che appaia nel test.
La soluzione non è sempre un aggiornamento di livello. In questo esempio, le opzioni sono: (1) aggiornamento a N45H (Hcj ≈ 2000 kA/m a 20 gradi, ginocchio a 120 gradi ≈ 650 kA/m - sicuro); (2) aumentare PC riducendo il traferro, che avvicina Hop a 0 e riduce la sensibilità alla reazione dell'armatura; (3) ridurre la corrente di picco tramite la limitazione di corrente nel convertitore; oppure (4) accettare il profilo operativo e utilizzare un magnete di qualità inferiore con un migliore coefficiente di temperatura reversibile. Le opzioni 2–4 non richiedono magneti più costosi. L'opzione 1 è la più semplice da specificare ma non sempre la più economica.
3. Stima della temperatura del magnete senza FEA
Nelle fasi iniziali della progettazione, la FEA termica completa non è sempre disponibile. Una rete termica semplificata a parametri concentrati fornisce un'adeguata precisione per le decisioni iniziali.
Per un motore a flusso radiale, modellare il percorso della resistenza termica dal magnete all'ambiente come tre elementi in serie: resistenza termica magnete-rotore-ferro (R1=Lm / (km × Am), tipicamente 0,3–0,8 gradi /W a seconda dello spessore dello strato adesivo e della conduttività); rotore ferro-albero (R2, dipende dalla geometria del rotore, tipicamente 0,5–2 gradi /W per un rotore in acciaio solido); e dall'albero all'ambiente tramite il percorso del cuscinetto e dell'alloggiamento (R3, tipicamente 1–5 gradi /W a seconda del metodo di raffreddamento). Per il contributo alla conduzione del calore dello statore, aggiungere la resistenza termica del traferro (R_gap ≈ Lg / (k_air × Ag) + correzione per la convezione, in genere 0,1–0,5 gradi /W per un traferro di 0,5 mm).
Con una rete semplificata, l'aumento della temperatura del magnete rispetto a quella ambiente è di circa:
ΔT_magnete=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_statore × (R_gap + R2 + R3) / (R_statore_totale)
Per un servomotore brushless da 1 kW con: P_eddy=5W, R1=0.5 grado /W, R2=1 grado /W, R3=3 grado /W; P_statore=80W, R_statore_to_ambiente=0.8 gradi /W, R_gap=0.3 gradi /W. L'aumento della temperatura del magnete rispetto a quella ambiente è di circa 5 × 4.5 + 80 × 4,3/0,8 ≈ 22.5 + 430=errato: il termine P_stator non funziona in questo modo perché il calore dello statore fluisce principalmente attraverso l'alloggiamento, non attraverso lo spazio verso il magnete.
L'approccio semplificato corretto: l'aumento della temperatura del magnete dovuto al calore dello statore è pari a circa P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap, limitato alla temperatura dell'avvolgimento dello statore meno un calo termico del gap fisso. Per la maggior parte dei motori a raffreddamento forzato, la temperatura del magnete è pari alla temperatura dello statore meno 10–25 gradi a causa dell'isolamento del traferro. Per i progetti a raffreddamento passivo, l'isolamento del gap è meno efficace e la differenza si riduce a 5–10 gradi. Se l'avvolgimento dello statore è a 155 gradi (limite di Classe F), il magnete è a 130–145 gradi, il che pone N45 nella zona pericolosa calcolata sopra. Questo è il motivo per cui i motori isolati in Classe F con magneti N45 rappresentano un problema di affidabilità in attesa di verificarsi nelle applicazioni con correnti di picco elevate.
4. Logica di selezione del grado basata sulla temperatura di picco del magnete
Con la stima della temperatura di picco del magnete, la selezione della qualità diventa una decisione ingegneristica diretta piuttosto che una ricerca nella tabella.
Temperatura di picco del magnete inferiore a 80 gradi: sono appropriati i gradi standard (N35–N52). Il margine Hcj rispetto al ginocchio a 80 gradi è adeguato per la maggior parte delle applicazioni motoristiche con correnti di picco inferiori a 3 volte continue.
Temperatura di picco del magnete di 80–120 gradi: i gradi H (N35H–N52H) sono la linea di base per qualsiasi cosa con corrente di picco superiore a 2× avvolgimenti continui o concentrati (alto contenuto armonico). Per gli avvolgimenti distribuiti con corrente di picco inferiore a 2× continua, sono accettabili gradi standard con margini della linea di carico verificati.
Temperatura di picco del magnete di 120–150 gradi: i gradi SH (N35SH–N48SH) sono necessari per applicazioni con correnti di picco elevate. Hcj per N42SH è di circa 2400 kA/m a 20 gradi, dando una posizione del ginocchio a 150 gradi di circa 550 kA/m - il doppio del grado standard N42 alla stessa temperatura. Per gli avvolgimenti distribuiti con limiti conservativi della corrente di picco, i gradi H potrebbero essere ancora sufficienti all'estremità inferiore di questo intervallo.
Temperatura di picco del magnete superiore a 150 gradi: gradi EH o AH (N35EH–N38EH) per NdFeB o transizione al grado SmCo 26–28. I gradi EH di NdFeB forniscono Hcj superiore a 3000 kA/m a 20 gradi, ma Br è limitato all'intervallo 1,08–1,18 T. Per le applicazioni in cui la densità di coppia conta più della resistenza termica (azionamenti di compressori ad alta velocità, azionamenti di motori aerospaziali), SmCo a una temperatura di picco di 150–200 gradi è solitamente la scelta del materiale corretto nonostante il sovrapprezzo di 4–6 volte.
Un errore comune: specificare un grado EH per un progetto di motore che necessita solo di H perché qualcuno nel team "era al sicuro". I gradi EH costano circa il 25-35% in più rispetto ai gradi H per un Br equivalente e il loro Br è inferiore per lo stesso numero di grado. Se il calcolo della temperatura di picco del magnete mostra 130 gradi, la specifica corretta è N45H, non N40EH.
5. Verifica del margine termico dopo la produzione
Il calcolo fornisce un intento progettuale. La verifica richiede dati di test.
Il test standard per la verifica del margine di smagnetizzazione è il test della corrente di cortocircuito a temperatura elevata. Il motore viene riscaldato alla temperatura operativa target, quindi viene applicato un cortocircuito controllato per produrre un campo di smagnetizzazione della reazione di picco dell'armatura. Il back-EMF viene misurato prima e dopo. Se il back-EMF post-test rientra nell'1% del valore pre-test, i magneti sono sopravvissuti senza smagnetizzazione irreversibile. Un calo superiore al 2% indica che si è verificata una smagnetizzazione parziale.
Per l'accettazione in produzione, è costoso eseguire questo test su ogni motore. Invece, i fornitori in genere verificano le proprietà magnetiche a livello di lotto: uniformità di Br entro ±1,5% all'interno di un lotto (non da lotto a lotto: l'uniformità del lotto è importante per la coerenza del margine di smagnetizzazione), Hcj superiore al minimo della specifica (solitamente 10% superiore al minimo richiesto per il margine) e uniformità di magnetizzazione tramite scansione Hall. Questi verificano che i magneti consegnati alla produzione abbiano le proprietà assunte nel calcolo di progetto.
HIMAGNET fornisce curve di smagnetizzazione complete alle temperature di applicazione e può confrontare l'analisi della linea di carico con i valori Hcj misurati specifici del lotto prima della spedizione. Per progetti di motori con margini termici ristretti - isolamento di Classe F, rapporto di coppia picco-continuo superiore a 3× o ambienti operativi con temperatura ambiente superiore a 60 gradi - richiedere il certificato del lotto ad alta temperatura (Hcj a valori misurati di 100 gradi e 120 gradi, non nominale) al momento dell'ordine.
