Ímãs NdFeB em motores elétricos: guia de seleção e design

Introdução

Os motores elétricos são responsáveis ​​pela maior aplicação individual deÍmãs NdFeBmundialmente. Desde motores CC sem escovas em produtos eletrônicos de consumo até motores síncronos de ímã permanente em veículos elétricos, o projeto do circuito magnético determina diretamente a eficiência do motor, a densidade de torque e a estabilidade térmica. Este guia aborda como os ímãs de neodímio são usados ​​em motores elétricos, como selecionar a classe certa para o seu tipo de motor e o que os engenheiros precisam especificar ao adquirir ímãs para aplicações em motores.

Por que o NdFeB domina as aplicações de motores

1. O caso dos motores de ímã permanente

Os motores de ímã permanente substituem o rotor eletroímã dos motores de indução convencionais por um rotor que transporta ímãs permanentes de alta energia. Isto elimina as perdas de cobre do rotor e reduz a corrente de magnetização retirada do inversor, produzindo ganhos de eficiência significativos - particularmente em carga parcial, onde os motores de indução são menos eficientes.

As principais vantagens que fazem do NdFeB o material preferido:

• Produto de maior energia: 33–52 MGOe, permitindo o menor volume do rotor para um determinado requisito de fluxo
• Alta remanência: 1,17–1,47 T, produzindo forte fluxo de entreferro sem grandes seções transversais magnéticas
• Geometria magnética fina: alta coercividade permite arcos finos ou blocos magnéticos, reduzindo a inércia do rotor
• Sem poder de excitação: ao contrário dos rotores de campo enrolado, os ímãs NdFeB não requerem entrada elétrica contínua

Tipos de motores e configurações magnéticas

2. Motores de ímã permanente montados em superfície (SPM)

Nos motores SPM, segmentos de arco ou ímãs de ladrilho são colados ou colados à superfície externa do rotor. Esta é a configuração mais simples e permite o uso de ímãs de arco padrão sem usinagem complexa.

• Formato magnético: segmentos de arco (ladrilhos curvos), normalmente NdFeB sinterizado
• Direção de magnetização: radial (apontando em direção ou longe do eixo do eixo)
• Entreferro: maior que os motores IPM - o próprio ímã ocupa parte do entreferro magnético
• Notas típicas: N42H a N45SH - produto de energia moderada com classificação de temperatura H ou SH
• Aplicativos: servomotores, motores de fuso, pequenos motores BLDC, atuadores industriais

Consideração de projeto: os ímãs de arco nos rotores SPM são expostos à força centrífuga em alta velocidade. Para rotores acima de 3.000 rpm, normalmente são necessárias faixas de retenção (fibra de carbono ou aço inoxidável). Isto reduz o entreferro magnético efetivo e deve ser levado em consideração nos cálculos de fluxo.

3. Motores de ímã permanente interno (IPM)

Os motores IPM incorporam ímãs retangulares ou em barra dentro das laminações do rotor. Isso protege os ímãs das forças centrífugas e permite que o rotor explore o torque de relutância além do torque do ímã, aumentando a capacidade de pico de torque.

• Formato magnético: barras ou blocos retangulares, às vezes trapezoidais
• Direção de magnetização: normalmente paralelo (ao longo da dimensão curta da barra)
• Entreferro: menor que SPM - somente a ponte de laminação separa o ímã do entreferro
• Notas típicas: N38SH a N45UH - classificação de temperatura mais alta crítica devido ao aquecimento por correntes parasitas no rotor
• Aplicativos: Motores de tração EV, compressores HVAC, servoacionamentos industriais, geradores de turbinas eólicas

Consideração de projeto: Os rotores IPM experimentam perdas significativas de correntes parasitas em ímãs em altas frequências de comutação. Ímãs segmentados (vários pedaços menores unidos) reduzem os caminhos das correntes parasitas e diminuem a temperatura operacional do ímã. Especifique os requisitos de segmentação em seu desenho se estiver operando em frequências de comutação do inversor acima de 5 kHz.

4. Motores de fluxo axial

Os motores de fluxo axial (também chamados de motores panqueca) orientam o caminho do fluxo ao longo do eixo do eixo do motor, em vez de radialmente. Ímãs em forma de disco são montados em uma ou ambas as faces do rotor, separados por um entreferro dos enrolamentos planos do estator.

• Formato magnético: discos em forma de setor/torta ou ladrilhos trapezoidais
• Direção de magnetização: axial (paralelo ao eixo)
• Notas típicas: N42H a N48H - produto de alta energia para geometria de disco compacto
• Aplicativos: motores EV nas rodas, geradores de acionamento direto, juntas robóticas, imagens médicas

Seleção de classe e temperatura para motores

5. A temperatura operacional é a variável crítica

Os ímãs do motor são expostos ao calor tanto das perdas do enrolamento do estator (conduzidas através do entreferro) quanto de suas próprias perdas por correntes parasitas. A temperatura do ímã do rotor em um motor carregado é normalmente de 20 a 60 graus acima da temperatura ambiente - geralmente atingindo 100 a 150 graus em aplicações de tração EV.

A especificação do sufixo de temperatura incorreto leva à desmagnetização parcial irreversível sob carga, que não é recuperável sem a remagnetização do conjunto do rotor.

6. Margem de Desmagnetização

Os ímãs do motor devem mantermargem de desmagnetização- a distância entre o ponto de operação do ímã e seu joelho de desmagnetização irreversível na curva BH. Para aplicações em motores, uma margem mínima de 10–15% é uma prática padrão de engenharia.

O pior caso de desmagnetização ocorre durante uma condição de falta: uma corrente de curto-circuito produz um forte campo oposto que empurra o ponto de operação para baixo na curva BH. Se este ponto cruzar o joelho (particularmente em temperaturas elevadas onde o joelho sobe), o ímã não recuperará seu ponto operacional original quando a falha for eliminada.

Graus de coercividade mais altos (sufixos H, SH, UH) movem o joelho ainda mais para baixo na curva BH, proporcionando maior resistência à desmagnetização - ao custo de um BHmax ligeiramente menor em comparação com o mesmo grau numérico sem o sufixo.

Lista de verificação de aquisição para ímãs de motor

7. O que os engenheiros de motores precisam especificar

• Grau com sufixo de temperatura: nunca especifique a classe sem sufixo para aplicações de motor. Sufixo H mínimo para a maioria dos motores industriais; SH ou UH para aplicações EV e de alto ciclo de trabalho.
• Geometria e tolerância magnética: os ímãs de arco requerem raio interno (Ri), raio externo (Ro), ângulo do arco e comprimento axial. Especifique a tolerância de espessura radial (±0,05 mm de retificação) e a tolerância do ângulo do arco (±0,1 grau). Para barras magnéticas IPM, especifique todas as três dimensões com tolerâncias.
• Direção e padrão de magnetização: matriz radial, paralela ou Halbach. A magnetização multipolar em um anel é uma etapa de fabricação separada da sinterização - confirme a capacidade do seu fornecedor.
• Segmentação magnética: se estiver operando acima de 5 kHz de frequência de chaveamento do inversor ou acima de 10.000 rpm, especifique o número de segmentos circunferenciais e axiais por pólo para limitar as perdas por correntes parasitas.
• Revestimento: os ímãs do motor em caixas fechadas normalmente usam revestimento de níquel Ni-Cu-Ni. Para motores refrigerados a óleo (resfriamento direto por spray de óleo), especifique revestimento epóxi ou Ni + epóxi de camada dupla para resistência química.
• Dados da curva BH à temperatura operacional: solicite valores medidos de Br e Hcj na temperatura máxima de operação do rotor, não apenas em 20 graus. Verifique a localização do ponto de joelho na temperatura máxima.
• PPAP ou inspeção do primeiro artigo: para aplicações automotivas ou de motores críticos para a segurança, requer inspeção do primeiro artigo (FAI) com relatório dimensional completo e certificado de propriedade magnética por lote de produção.

Como HIMAGNET suporta aplicações de motores

HIMAGNETfornece segmentos de arco NdFeB sinterizados, barras magnéticas e ímãs de disco para aplicações de motores em toda a faixa de classe e temperatura. Oferecemos suporte a geometrias de ímãs de arco, desde tamanhos de catálogo padrão até especificações personalizadas de ângulo Ri/Ro/arco, com tolerâncias de retificação de ±0,05 mm.

Para programas de desenvolvimento de motores, fornecemos dados de curva BH em múltiplas temperaturas, suporte para análise de desmagnetização e recomendações de segmentação com base na frequência e no perfil de velocidade do seu inversor.

Compartilhe seu tipo de motor, geometria do rotor, temperatura máxima de operação e volume anual - recomendaremos o tipo apropriado e forneceremos uma cotação técnica dentro de um dia útil.