Prüfung der Entmagnetisierung von Permanentmagnetmotoren: Validierung von Hochstromfehlern und thermischer Entmagnetisierung

Warum Entmagnetisierungstests für PM-Maschinen nicht verhandelbar sind

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Magnete treiben die energiedichtesten Elektromotoren auf dem Markt an – sie entmagnetisieren jedoch. Jeder Permanentmagnet hat ein Koerzitivfeld (Hc) unterhalb dessen die Magnetisierung stabil ist; Wird dieser bei ausreichend großem Gegenfeld überschritten, verliert der Magnet seinen Restfluss teilweise oder vollständig. Bei Traktionsmotoren, Dieser Schwellenwert kann bei einem dreiphasigen Kurzschlussfehler überschritten werden, ein schweres Überstromereignis, oder längerer Betrieb bei erhöhter Magnettemperatur. Einmal entmagnetisiert, Der Motor erzeugt weniger Drehmoment pro Ampere, läuft heißer, und kann sich möglicherweise nie erholen, ohne im Werk erneut magnetisiert zu werden.

Validierungstests müssen daher zwei Dinge nachweisen: Erste, dass der Motor die in seiner Spezifikation definierten Fehlerereignisse ohne irreversible Entmagnetisierung übersteht; zweite, dass es innerhalb des sicheren Betriebsbereichs über den gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg arbeitet. In diesem Leitfaden wird erläutert, wie Entmagnetisierungstests durchgeführt werden und welche Bedeutung die Ergebnisse für Designentscheidungen haben.

Physik-Hintergrund: Die Entmagnetisierungskurve

Die relevante Materialeigenschaft ist die B-H-Entmagnetisierungskurve bei Betriebstemperatur. NdFeB-Qualitäten werden durch ihre Restflussdichte Br definiert (typischerweise 1,0–1,4 T bei 20 °C) und ihre intrinsische Koerzitivfeldstärke Hci. Beide sinken mit steigender Temperatur – Br um etwa –0,11 %/°C und Hci um –0,5 bis –0,7 %/°C für Standardqualitäten. Folglich, Ein Magnet, der dem d-Achsen-Spitzenstrom bei 25 °C problemlos standhält, kann bei 120 °C unter dem gleichen Strom teilweise entmagnetisiert werden. Sorten mit hoher Koerzitivfeldstärke (Z.B., Güteklasse N42SH oder N42UH) Den Temperaturschwellenwert erhöhen, jedoch zu höheren Kosten und mit leicht verringerter Flussdichte.

Der Motorkonstrukteur berechnet die Lastlinie – das Magnetfeld, das der Magnet aufgrund der magnetomotorischen Kraft der Wicklung sieht – und stellt sicher, dass es niemals den Knick der Entmagnetisierungskurve kreuzt. Die Testvalidierung bestätigt diese Berechnungen dann experimentell.

Kerntestaufgaben

1. Testen Sie die Back-EMF-Grundlinie vorab

Vor jeder Fehlerinjektion, Der Prüfstand treibt den Motor mit einer definierten Drehzahl an (typischerweise Nenngeschwindigkeit oder 1,000 U/min) unter Leerlaufbedingungen und zeichnet die Wellenform der Gegen-EMK zwischen den Leitungen bei mehreren Temperatursollwerten auf: 25° C, Betriebstemperatur des Magneten (80–120°C), und die maximal angegebene Temperatur. Der Grundeffektivwert jeder Phase und das harmonische Spektrum werden als Referenzbasislinie gespeichert. Durch die Entmagnetisierung wird die Grundamplitude verringert; Eine teilweise oder asymmetrische Entmagnetisierung führt ebenfalls zu einem zusätzlichen Oberwellengehalt.

Schlüsselkennzahlen: Gegen-EMK-Konstante kE bei jeder Temperatur; harmonische Verzerrung THD < 3% für eine gut gestaltete Maschine.

2. Kurzschlussimpulsinjektion

Das kritischste Ereignis für die Entmagnetisierung ist ein plötzlicher dreiphasiger Kurzschluss an den Motorklemmen. Die Bank gibt einen kontrollierten Kurzschlussimpuls ein, während der Motor mit Nenn- oder Maximaldrehzahl dreht, Anlegen des ungünstigsten Entmagnetisierungsstroms (die unmittelbar nach Fehlerbeginn ihren Höhepunkt erreicht und dann mit der d-Achsen-Zeitkonstante abklingt). Die Dauer wird entsprechend der Fehlerbeseitigungszeit des Wechselrichters gesteuert, typischerweise 1–10 ms. Der Test wird bei der maximal angegebenen Magnettemperatur wiederholt (Verwendung einer Wärmekammer oder eingebetteter Widerstandsheizungen in der Wicklung, um die Magnete vorzuwärmen). Nach jedem Puls, Der Motor kühlt auf 25 °C ab und die Gegen-EMK wird erneut gemessen und mit dem Ausgangswert verglichen.

Bestehenskriterium: Grundlegende Reduzierung der Gegen-EMF < 2% (oder gemäß OEM-Spezifikation) nach jedem einzelnen Fehlerereignis bei der angegebenen Temperatur.

3. Hochtemperatur (Thermal) Entmagnetisierungstest

In diesem Test, Der Motor wird bei der maximalen Nenntemperatur des Magneten durchwärmt (oft 120–160°C je nach Sorte) wobei der ungünstigste Entmagnetisierungsstrom kontinuierlich angelegt wird. Die Kombination aus erhöhter Temperatur – die Hci reduziert – und dem Gegenfeld des d-Achsen-Spitzenstroms stellt den schwerwiegendsten Dauerbetriebszustand dar. Die Temperatur wird mit eingebetteten Thermoelementen gemessen (K-Typ) an mehreren Magnetpositionen. Der Test wird für die Dauer durchgeführt, die der maximalen Dauerüberlastung oder der thermischen Zeitkonstante des Magneten entspricht, Dann kühlt der Motor ab und die Gegen-EMK wird erneut gemessen.

4. Asymmetrische Entmagnetisierungserkennung

Eine teilweise Entmagnetisierung einzelner Magnetsegmente erzeugt gleichmäßige Harmonische in der Gegen-EMK, die in einem gesunden Motor fehlen. Die FFT der drei Gegen-EMF-Wellenformen wird vor und nach der Fehlerinjektion verglichen; Das Auftreten von 2. und 4. Harmonischen über dem Grundrauschen weist auf eine lokalisierte Magnetschädigung hin. Die asymmetrische Entmagnetisierung ist besonders wichtig für mehrpolige Maschinen mit Segmentmagneten, da ein einzelnes beschädigtes Segment zu einer Rotorunwucht führt und Lagerfrequenzen anregen kann.

Schlüsselkennzahlen: 2nd harmonische Amplitude < 0.3% von Grundlegend; Asymmetrie zwischen den Phasen < 1%.

5. Entmagnetisierung bei wiederholten Fehlerereignissen

Die Fehlerinjektion wird N-mal wiederholt (wobei N durch die funktionale Sicherheitsanalyse oder das Feldzuverlässigkeitsmodell definiert wird) um den kumulativen Abbau zu beurteilen. Ein Motor, der einen einzigen Fehler übersteht, kann danach immer noch eine fortschreitende Entmagnetisierung aufweisen 10 oder 20 Ereignisse. Der Prüfstand automatisiert die Pulsfolge, überwacht die Gegen-EMF nach jedem Ereignis, und zeichnet die Verschlechterungskurve auf. Ein Motor, dessen Gegen-EMK sich nach 2–3 Fehlern stabilisiert, verfügt über einen sättigbaren Verschlechterungsmechanismus; eine, die weiter abnimmt, erfordert eine Designüberarbeitung.

6. Überprüfung der Neumagnetisierung

Wenn der Motor das Entmagnetisierungskriterium nicht erfüllt, Die Magnete werden mit einem Impulsmagnetisierer neu magnetisiert und der Motor erneut getestet. Dies bestätigt, dass die Entmagnetisierung nicht durch einen Herstellungsfehler verursacht wurde (Rissiger Magnet, falsche Note, falsche Magnetisierungsrichtung) aber durch die Betriebsbedingungen, die die Designgrenzen überschreiten.

Anforderungen an den Prüfstand

Der Entmagnetisierungsprüfstand erfordert eine programmierbare Wechsel- oder Gleichstromquelle, die den Spitzenkurzschlussstrom liefern kann (typischerweise 3–10× Nennstrom für 1–10 ms), ein Strommesssystem mit hoher Bandbreite (Bandbreite > 10 kHz, um die Fehlerstromspitze genau zu erfassen), und eine Wärmekammer oder ein Flüssigkühlmittel-Konditionierungssystem, um die Magnettemperatur während des Tests innerhalb von ±2 °C zu halten. Das Gegen-EMF-Messsystem muss Spannungsamplituden auflösen 0.1% des Skalenendwerts über einen weiten Frequenzbereich (50 Hz bis 2 kHz für Maschinen mit hoher Polzahl).

Was das für die Prüfstandsauswahl bedeutet

Entmagnetisierungstests stehen an der Grenze zwischen der Charakterisierung elektrischer Maschinen und der Sicherheitsvalidierung. Die Testinfrastruktur muss Leistungselektronik integrieren, die eine kontrollierte Fehlerinjektion mit Präzisionsmesstechnik zur Messung der Gegen-EMF ermöglicht. Wenn Ihr Motorprogramm Hochleistungs-NdFeB- oder Ferritmagnete verwendet und zur Feldschwächung bei erhöhter Temperatur oder unter hohem d-Achsen-Strom arbeitet, Die Entmagnetisierungsprüfung ist nicht optional – sie ist ein erforderlicher Schritt im Entwurfsverifizierungsplan.

Wir unterstützen Entmagnetisierungstestprogramme von kleinen Servomotoren bis hin zu großen Traktionsmotoren mit einer Nennleistung von Hunderten von Kilowatt. Um Testkonfigurationen für Ihre spezifische Magnetqualität und Ihren Betriebsbereich zu besprechen, Sprechen Sie mit unserem Engineering-Team.