Densità del flusso del traferro del magnete NdFeB: obiettivi di progettazione, selezione del grado e misurazione
Introduzione
Le schede tecniche dei gradi riportano la rimanenza (Br) in condizioni di circuito chiuso e zero gap. Il numero che determina effettivamente la coppia, la forza elettromotrice posteriore e la progettazione dell'avvolgimento è la densità del flusso del traferro: la densità di flusso che il magnete fornisce una volta che nel circuito sono presenti un traferro reale, un ferro dello statore e percorsi di perdita. Il divario tra la scheda tecnica Br e la densità del flusso del traferro in servizio è regolato dal coefficiente di permeanza (Pc) del circuito magnetico ed è il punto in cui la maggior parte del dimensionamento preliminare del motore va storto. Questa guida illustra come tradurre un obiettivo di densità del flusso del traferro in una decisione relativa alla qualità, come la temperatura sposta tale obiettivo e come verificare il risultato nella produzione.
1. Cosa controlla effettivamente la densità del flusso del traferro nella progettazione del motore
La densità del flusso del traferro - il campo magnetico nello spazio fisico tra il magnete del rotore e il ferro dello statore - è il singolo numero più portante in un motore a magnete permanente. Determina la costante di coppia, la forza elettromotrice posteriore, la perdita del nucleo e la quantità di corrente di rame necessaria per raggiungere un determinato target di coppia. Sbaglia del 15% e il progetto dell'avvolgimento è sbagliato, il modello termico è sbagliato e la mappa dell'efficienza non assomiglia per niente al prototipo.
Br (rimanenza) dalla scheda tecnica del magnete non è la stessa cosa della densità del flusso del traferro. Br è una proprietà del materiale misurata in condizioni di circuito chiuso e zero gap. Nel momento in cui si apre un traferro fisico, la densità del flusso diminuisce e quanto diminuisce dipende dalla geometria del magnete, dalla lunghezza del traferro, dai percorsi di perdita e dal comportamento di saturazione del ferro dello statore. Trattare Br come un indicatore della densità del flusso del traferro è l'errore più comune nel dimensionamento preliminare del motore e produce costantemente stime ottimistiche della coppia.
2. Il coefficiente di permeanza e perché determina la selezione del grado
Il punto di funzionamento di un magnete in un circuito è definito dal coefficiente di permeazione Pc, ovvero il rapporto tra la lunghezza del magnete e lo spazio effettivo attraverso il quale fa passare il flusso. Per la maggior parte dei rotori BLDC a flusso radiale con avvolgimenti concentrati, Pc è compreso tra 3 e 8 in condizioni di assenza di carico. Sotto carico, il campo dello statore smagnetizza il magnete, spingendo il punto di funzionamento più in basso. L'intersezione della linea di carico con la curva BH fornisce la densità di flusso effettiva erogata dal magnete.
A Pc=5 senza perdite, un magnete di grado N45 (Br ≈ 1,33 T) eroga circa 1,1–1,15 T nel magnete stesso. Dopo aver tenuto conto delle perdite di frange e perdite tipiche degli statori laminati reali, la densità del flusso del traferro si attesta intorno a 0,85–0,95 T. Per un piccolo motore BLDC che mira a 0,9 T nel traferro, N45 è una corrispondenza ragionevole. Il passaggio a N52 (Br ≈ 1,45 T) ti fa guadagnare circa 0,06–0,08 T nel divario: reale ma modesto. In un motore compatto in cui il volume del magnete è già limitato, questa differenza è importante.
3. Abbinamento del voto al divario target: una tabella decisionale pratica
La tabella seguente mappa gli obiettivi di progettazione comuni ai gradi NdFeB, presupponendo Pc ≈ 4–6 e un tipico statore laminato. Questi sono punti di partenza, non sostituti della FEA.
Se il target della densità del flusso del traferro è 0,70–0,80 T: N35 o N38 lo copre. Questo intervallo è comune nei ventilatori, nelle pompe e nei motori di piccoli elettrodomestici sensibili ai costi in cui il costo del magnete è un vincolo dominante. L'uso di N45 qui spreca denaro e crea il rischio di sovramagnetizzare il ferro dello statore fino a saturarlo.
Per 0,80–0,90 T: N42 o N45 è la scelta standard. La maggior parte dei motori BLDC e PMSM industriali di fascia media arrivano qui. N42H aggiunge un margine termico a 120 gradi senza modificare in modo significativo il flusso della temperatura ambiente.
Per 0,90–1,00 T: N48 o N50. Ti trovi nel territorio dei servocomandi ad alte prestazioni. Lo spessore del magnete generalmente aumenta per sostenere un punto operativo più elevato. A questo livello, le tolleranze di assemblaggio sul traferro diventano critiche: una variazione di 0,05 mm nella lunghezza del traferro produce una variazione di circa l'1,5–2% nella densità del flusso.
Sopra 1,00 T: N52 solo in piccole applicazioni termicamente benigne. N52 è al limite per la maggior parte degli usi industriali: il suo Hcj è inferiore a N45H, quindi la resistenza alla smagnetizzazione in caso di sovracorrente o temperatura elevata è peggiore. L'utilizzo di N52 in un motore che vede avvolgimenti a 80 gradi e operazioni di indebolimento del campo è un guasto sul campo in attesa di verificarsi. HIMAGNET consiglia regolarmente ai clienti di ridurre le dimensioni da N52 a N48H o N45SH nelle applicazioni in cui la temperatura di picco e la corrente di picco si sovrappongono.
4. Effetti della temperatura sulla densità del flusso del traferro
La rimanenza di NdFeB diminuisce con la temperatura a circa −0,11--0,12%/grado per i gradi standard. Su un intervallo operativo di 100 gradi, ad esempio da 20 gradi di avviamento a freddo a 120 gradi di temperatura del magnete del rotore in stato stazionario, il Br diminuisce di circa l'11-12%. Ciò significa che un motore progettato per 0,90 T a 20 gradi produce circa 0,79–0,80 T alla temperatura di esercizio. Se il calcolo della costante di coppia era basato sul valore a freddo, il motore funzionerà con una coppia inferiore di circa l'11% allo stato stazionario.
L'approccio corretto consiste nello specificare la densità del flusso del traferro alla temperatura massima prevista del magnete, quindi calcolare all'indietro il grado di temperatura ambiente necessario. Per un obiettivo di 0,88 T a una temperatura del magnete di 100 gradi, è necessaria una qualità che fornisca circa 0,98–1,00 T a 20 gradi sotto lo stesso punto operativo, che punta a N48 o N50, non a N45. Si tratta di un errore sistematico in molte schede tecniche dei motori che specificano "N45" senza specificare la temperatura di misurazione.
Il passaggio a un grado con suffisso H o SH non aumenta il flusso a temperatura ambiente, ma aumenta la coercività (Hcj) per resistere alla smagnetizzazione a temperatura elevata. Se la tua temperatura operativa è inferiore a 100 gradi e non stai indebolendo il campo, l'Hcj dello standard N45 è adeguato e non c'è motivo magnetico per pagare il premio per N45H.
5. Misurazione della densità del flusso del traferro nella produzione
La densità del flusso nel traferro può essere misurata direttamente con una sonda Hall su un rotore assemblato o dedotta da una misurazione del flusso su singoli magneti più un modello circuitale. Entrambi gli approcci presentano dei compromessi.
La misurazione diretta con sonda Hall nell'interstizio è accurata per il gruppo specifico misurato ma richiede che il motore sia almeno parzialmente assemblato. Rileva le variazioni di assemblaggio (spessore errato del magnete, inclinazione del rotore, variazione della linea di colla) che non vengono rilevate dalla misurazione a livello di parte. Per la produzione in grandi volumi, la misurazione del 100% del gap non è praticabile; l'ispezione basata su campioni con stretto controllo del magnete Br in ingresso è l'approccio standard.
Per l'ispezione del magnete in entrata, una misurazione del flusso su un dispositivo calibrato (che misura il flusso totale o il campo superficiale di picco) è più ripetibile di una lettura con sonda Hall, poiché calcola la media sulla faccia del magnete. Il dispositivo deve essere calibrato rispetto a magneti con Br noto e la correlazione con la densità del flusso del traferro nel motore deve essere stabilita empiricamente per ciascuna geometria del motore. Fattori di correlazione di 0,75–0,85 tra il campo superficiale del dispositivo e la densità del traferro nel motore sono tipici per i magneti ad arco segmentato nei rotori BLDC.
6. Elenco di controllo per la selezione del grado prima di specificare
Prima di bloccare un voto su un disegno, verifica questi cinque punti. Ognuno di essi ha causato problemi di produzione quando saltato.
Primo: qual è la temperatura massima della superficie del magnete nel caso peggiore, non solo a temperatura ambiente? Utilizzare la simulazione o la misurazione termica, non una stima basata solo sulla temperatura dell'avvolgimento, poiché il divario tra la temperatura dell'avvolgimento e quella del magnete è specifico del progetto del motore e può essere di 20–40 gradi nei progetti con elevato riempimento degli slot.
Secondo: qual è il Pc minimo nel circuito sotto la massima corrente di smagnetizzazione? Questa è l'intersezione della linea di carico che determina se il magnete funziona sopra o sotto il suo ginocchio. Se il punto operativo con indebolimento di campo scende sotto il ginocchio per il grado scelto, si verifica una smagnetizzazione irreversibile e le caratteristiche del motore cambiano in modo permanente.
Terzo: la lunghezza del traferro è controllata in modo sufficientemente rigido da far sì che un ragionevole Cpk sulla tolleranza del traferro non crei una variazione superiore al ±3% nella densità di flusso? In caso contrario, restringere la tolleranza prima di migliorare il grado del magnete.
Quarto: il ferro dello statore ha un margine Bsat adeguato alla densità di flusso del traferro target? Passare da 0,85 T a 0,95 T nell'intervallo può saturare un dente mal progettato, eliminando gran parte del guadagno di coppia e aggiungendo perdita di ferro.
Quinto: il sovrapprezzo di N48 o N50 è giustificato dal guadagno di densità di coppia, oppure è possibile ottenere la stessa coppia con N45 e magneti leggermente più grandi? In quantità di produzione superiori a 10.000 unità, la differenza di costo di qualità spesso supera il costo di attrezzatura di una tasca del rotore leggermente più grande. Il team di ingegneri di HIMAGNET può eseguire un confronto sulla tua geometria: contattaci con il diametro esterno del motore, la lunghezza dello stack e il target di coppia.
Come HIMAGNET supporta le specifiche della densità del flusso del traferro
HIMAGNET fornisce dati sulle prestazioni del magnete, comprese curve di smagnetizzazione complete a più temperature (20 gradi, 60 gradi, 100 gradi, 120 gradi, 150 gradi a seconda del grado), in modo che i clienti possano eseguire analisi della linea di carico e del punto operativo senza iniziare da una scheda tecnica vuota. Per i programmi di motori personalizzati, il nostro team di ingegneri esamina la geometria del circuito (lunghezza del magnete, traferro e configurazione dello statore) per confermare che la selezione del grado soddisfi la densità di flusso del traferro target alla temperatura operativa specificata prima di bloccare la progettazione.
Se si dispone di una densità di flusso del traferro target, di una temperatura operativa e di una geometria del motore, contattare HIMAGNET con le specifiche per una revisione della selezione del grado.
