Magneti NdFeB nei motori elettrici: guida alla selezione e alla progettazione

Introduzione

I motori elettrici rappresentano la più grande applicazione singola diMagneti NdFeBin tutto il mondo. Dai motori CC senza spazzole nell'elettronica di consumo ai motori sincroni a magneti permanenti nei veicoli elettrici, la progettazione del circuito magnetico determina direttamente l'efficienza del motore, la densità di coppia e la stabilità termica. Questa guida spiega come vengono utilizzati i magneti al neodimio nei motori elettrici, come selezionare la qualità giusta per il tipo di motore e cosa devono specificare gli ingegneri quando acquistano magneti per applicazioni motorie.

Perché NdFeB domina le applicazioni motorie

1. Il caso dei motori a magneti permanenti

I motori a magneti permanenti sostituiscono il rotore elettromagnetico dei motori a induzione convenzionali con un rotore che trasporta magneti permanenti ad alta energia. Ciò elimina le perdite di rame del rotore e riduce la corrente di magnetizzazione assorbita dall'inverter, ottenendo significativi guadagni di efficienza, in particolare a carico parziale, dove i motori a induzione sono meno efficienti.

I principali vantaggi che rendono NdFeB il materiale preferito:

• Prodotto energetico più alto: 33–52 MGOe, consentendo il volume del rotore più piccolo per un dato requisito di flusso
• Alta rimanenza: 1,17–1,47 T, producendo un forte flusso del traferro senza grandi sezioni trasversali del magnete
• Geometria del magnete sottile: l'elevata coercività consente archi sottili o magneti a blocchi, riducendo l'inerzia del rotore
• Nessun potere di eccitazione: a differenza dei rotori a campo avvolto, i magneti NdFeB non richiedono input elettrici continui

Tipi di motori e configurazioni dei magneti

2. Motori a magneti permanenti a montaggio superficiale (SPM).

Nei motori SPM, i magneti a segmento d'arco o a piastrella sono incollati o fasciati sulla superficie esterna del rotore. Questa è la configurazione più semplice e consente l'uso di magneti ad arco standard senza lavorazioni complesse.

• Forma magnetica: segmenti d'arco (piastrelle curve), tipicamente NdFeB sinterizzato
• Direzione della magnetizzazione: radiale (puntato verso o lontano dall'asse dell'albero)
• Intercapedine d'aria: più grande dei motori IPM - il magnete stesso occupa parte del traferro magnetico
• Gradi tipici: da N42H a N45SH - prodotto a consumo energetico moderato con temperatura nominale H o SH
• Applicazioni: servomotori, motori mandrino, piccoli motori BLDC, attuatori industriali

Considerazione sulla progettazione: i magneti ad arco nei rotori SPM sono esposti alla forza centrifuga ad alta velocità. Per i rotori superiori a 3.000 giri/min, in genere è necessaria una fascetta di ritenzione (in fibra di carbonio o acciaio inossidabile). Ciò riduce il traferro magnetico effettivo e deve essere tenuto in considerazione nei calcoli del flusso.

3. Motori a magneti permanenti interni (IPM).

I motori IPM incorporano magneti rettangolari o a barra all'interno dei lamierini del rotore. Ciò protegge i magneti dalle forze centrifughe e consente al rotore di sfruttare la coppia di riluttanza oltre alla coppia del magnete, aumentando la capacità di coppia di picco.

• Forma magnetica: barre o blocchi rettangolari, talvolta trapezoidali
• Direzione della magnetizzazione: tipicamente parallelo (attraverso la dimensione corta della barra)
• Intercapedine d'aria: più piccolo di SPM - solo il ponte di laminazione separa il magnete dal traferro
• Gradi tipici: da N38SH a N45UH: temperatura nominale più elevata, critica a causa del riscaldamento delle correnti parassite nel rotore
• Applicazioni: motori di trazione per veicoli elettrici, compressori HVAC, servoazionamenti industriali, generatori di turbine eoliche

Considerazione sulla progettazione: I rotori IPM subiscono significative perdite di correnti parassite nei magneti ad alte frequenze di commutazione. I magneti segmentati (più pezzi più piccoli legati insieme) riducono i percorsi delle correnti parassite e abbassano la temperatura operativa del magnete. Specificare i requisiti di segmentazione nel disegno se si opera a frequenze di commutazione dell'inverter superiori a 5 kHz.

4. Motori a flusso assiale

I motori a flusso assiale (chiamati anche motori pancake) orientano il percorso del flusso lungo l'asse dell'albero motore anziché radialmente. I magneti a forma di disco sono montati su una o entrambe le facce del rotore, separati da un traferro dagli avvolgimenti piatti dello statore.

• Forma magnetica: dischi a settore/torta o piastrelle trapezoidali
• Direzione della magnetizzazione: assiale (parallelo all'albero)
• Gradi tipici: da N42H a N48H - prodotto ad alta energia per la geometria del compact disc
• Applicazioni: motori per veicoli elettrici su ruote, generatori a trasmissione diretta, giunti robotici, imaging medico

Selezione del grado e della temperatura per i motori

5. La temperatura operativa è la variabile critica

I magneti del motore sono esposti al calore derivante sia dalle perdite dell'avvolgimento dello statore (condotte attraverso il traferro) che dalle proprie perdite per correnti parassite. La temperatura del magnete del rotore in un motore sotto carico è generalmente di 20–60 gradi superiore a quella ambiente, raggiungendo spesso i 100–150 gradi nelle applicazioni di trazione dei veicoli elettrici.

Specificare il suffisso di temperatura errato porta a una smagnetizzazione parziale irreversibile sotto carico, che non è recuperabile senza rimagnetizzare il gruppo rotore.

6. Margine di smagnetizzazione

I magneti del motore devono mantenersi adeguatimargine di smagnetizzazione- la distanza tra il punto operativo del magnete e il suo ginocchio di smagnetizzazione irreversibile sulla curva BH. Per le applicazioni motoristiche, un margine minimo del 10–15% è la pratica ingegneristica standard.

L'evento di smagnetizzazione peggiore si verifica durante una condizione di guasto: una corrente di cortocircuito produce un forte campo opposto che spinge il punto operativo lungo la curva BH. Se questo punto attraversa il ginocchio (in particolare a temperature elevate dove il ginocchio si solleva), il magnete non tornerà al suo punto operativo originale una volta risolto il guasto.

Gradi di coercività più elevati (suffissi H, SH, UH) spostano il ginocchio più in basso lungo la curva BH, fornendo una maggiore resistenza alla smagnetizzazione, al costo di un BHmax leggermente inferiore rispetto allo stesso grado numerico senza suffisso.

Lista di controllo per l'approvvigionamento di magneti per motori

7. Cosa devono specificare gli ingegneri motoristici

• Grado con suffisso temperatura: non specificare mai il grado senza suffisso per applicazioni motore. Suffisso H minimo per la maggior parte dei motori industriali; SH o UH per veicoli elettrici e applicazioni con ciclo di lavoro elevato.
• Geometria e tolleranza del magnete: i magneti ad arco richiedono raggio interno (Ri), raggio esterno (Ro), angolo dell'arco e lunghezza assiale. Specificare la tolleranza dello spessore radiale (±0,05 mm rettificato) e la tolleranza dell'angolo dell'arco (±0,1 gradi). Per i magneti a barra IPM, specificare tutte e tre le dimensioni con le tolleranze.
• Direzione e andamento della magnetizzazione: array radiale, parallelo o Halbach. La magnetizzazione multipolare su un anello è una fase di produzione separata dalla sinterizzazione: conferma la capacità del tuo fornitore.
• Segmentazione del magnete: se si opera con una frequenza di commutazione dell'inverter superiore a 5 kHz o superiore a 10.000 giri/min, specificare il numero di segmenti circonferenziali e assiali per polo per limitare le perdite per correnti parassite.
• Rivestimento: i magneti del motore in alloggiamenti chiusi utilizzano tipicamente la nichelatura Ni-Cu-Ni. Per i motori raffreddati ad olio (raffreddamento diretto a spruzzo d'olio), specificare il rivestimento epossidico o Ni + epossidico a doppio strato per la resistenza chimica.
• Dati della curva BH alla temperatura operativa: richiedi i valori misurati di Br e Hcj alla temperatura massima di funzionamento del rotore, non solo a 20 gradi. Verificare la posizione del punto di ginocchio alla temperatura massima.
• Ispezione PPAP o primo articolo: per applicazioni automobilistiche o motori critici per la sicurezza, richiedere l'ispezione del primo articolo (FAI) con rapporto dimensionale completo e certificato di proprietà magnetica per lotto di produzione.

Come HIMAGNET supporta le applicazioni motorie

HIMAGNETfornisce segmenti d'arco NdFeB sinterizzati, magneti a barra e magneti a disco per applicazioni di motori nell'intero intervallo di gradi e temperature. Supportiamo geometrie dei magneti ad arco dalle dimensioni standard del catalogo alle specifiche personalizzate dell'angolo Ri/Ro/arco, con tolleranze di rettifica fino a ±0,05 mm.

Per i programmi di sviluppo dei motori, forniamo dati sulla curva BH a più temperature, supporto per l'analisi della smagnetizzazione e consigli sulla segmentazione in base alla frequenza dell'inverter e al profilo di velocità.

Condividi il tipo di motore, la geometria del rotore, la temperatura operativa massima e il volume annuale: ti consiglieremo la qualità appropriata e forniremo un preventivo tecnico entro un giorno lavorativo.