Testowanie rozmagnesowania silnika z magnesem trwałym: Walidacja uszkodzeń wysokoprądowych i demagnetyzacji termicznej

Dlaczego testy rozmagnesowania nie podlegają negocjacjom w przypadku maszyn PM

Neodym-żelazo-bor (NdFeB) magnesy zasilają silniki elektryczne o największej gęstości energii na rynku, ale rozmagnesowują. Każdy magnes trwały ma pole koercyjne (Hc) poniżej którego namagnesowanie jest stabilne; przekroczyć go wystarczająco dużym przeciwstawnym polem, a magnes częściowo lub całkowicie utraci swój strumień resztkowy. W silnikach trakcyjnych, próg ten może zostać przekroczony w przypadku zwarcia trójfazowego, poważne zdarzenie przetężenia, lub długotrwałej pracy przy podwyższonej temperaturze magnesu. Po rozmagnesowaniu, silnik wytwarza mniejszy moment obrotowy na amper, działa cieplej, i może nigdy nie wyzdrowieć bez ponownego namagnesowania w fabryce.

Testy walidacyjne muszą zatem wykazać dwie rzeczy: Pierwszy, aby silnik przetrwał zdarzenia awaryjne określone w jego specyfikacji bez nieodwracalnego rozmagnesowania; drugi, że działa w obszarze bezpiecznego działania w pełnym zakresie temperatur, jakie spotka podczas pracy. W tym przewodniku wyjaśniono, w jaki sposób przeprowadzane są testy rozmagnesowania i jakie znaczenie mają ich wyniki dla decyzji projektowych.

Tło fizyki: Krzywa rozmagnesowania

Odpowiednią charakterystyką materiału jest krzywa rozmagnesowania B-H w temperaturze roboczej. Gatunki NdFeB są definiowane przez ich gęstość strumienia resztkowego Br (zazwyczaj 1,0–1,4 T w temperaturze 20°C) i ich wewnętrzna koercja Hci. Obydwa spadają wraz ze wzrostem temperatury — Br o około -0,11%/°C i Hci o -0,5 do -0,7%/°C dla gatunków standardowych. Więc, magnes, który wygodnie wytrzymuje szczytowy prąd osi d w temperaturze 25°C, może częściowo rozmagnesować się w temperaturze 120°C pod tym samym prądem. Stopnie o wysokiej koercji (np., Gatunek N42SH lub N42UH) podwyższyć próg temperatury, ale większym kosztem i przy nieco zmniejszonej gęstości strumienia.

Projektant silnika oblicza linię obciążenia – pole magnetyczne widziane przez magnes w wyniku siły magnetomotorycznej uzwojenia – i sprawdza, czy nigdy nie przekracza ona kolana krzywej rozmagnesowania. Walidacja testu następnie potwierdza te obliczenia eksperymentalnie.

Podstawowe elementy testowe

1. Wstępny test linii bazowej Back-EMF

Przed jakimkolwiek wtryskiem usterek, stanowisko testowe napędza silnik z określoną prędkością (typowo znamionowa prędkość lub 1,000 obr./min) w warunkach bez obciążenia i rejestruje przebieg wstecznego pola elektromagnetycznego między liniami przy wielu zadanych temperaturach: 25°C, temperatura pracy magnesu (80–120°C), i maksymalną określoną temperaturę. Podstawowa wartość RMS każdej fazy i widmo harmonicznych są przechowywane jako linia bazowa odniesienia. Rozmagnesowanie zmniejszy amplitudę podstawową; częściowe lub asymetryczne rozmagnesowanie również wprowadzi dodatkową zawartość harmonicznych.

Kluczowe wskaźniki: stała wstecznego pola elektromagnetycznego kE w każdej temperaturze; zniekształcenia harmoniczne THD < 3% dla dobrze zaprojektowanej maszyny.

2. Wtrysk impulsowy zwarciowy

Najbardziej krytycznym zdarzeniem powodującym rozmagnesowanie jest nagłe zwarcie trójfazowe na zaciskach silnika. Stół wprowadza kontrolowany impuls zwarciowy, podczas gdy silnik obraca się z prędkością znamionową lub maksymalną, stosując najgorszy możliwy prąd rozmagnesowujący (który osiąga wartość szczytową natychmiast po wystąpieniu uszkodzenia, a następnie maleje wraz ze stałą czasową osi d). Czas trwania jest kontrolowany tak, aby odpowiadał czasowi usuwania usterek falownika, zazwyczaj 1–10 ms. Test powtarza się przy maksymalnej określonej temperaturze magnesu (za pomocą komory termicznej lub wbudowanych w uzwojenie grzejników oporowych w celu wstępnego namoczenia magnesów). Po każdym impulsie, silnik ochładza się do 25°C, po czym ponownie dokonuje się pomiaru tylnego pola elektromagnetycznego i porównuje je z wartością bazową.

Kryterium zaliczenia: Redukcja podstawowa back-EMF < 2% (lub według specyfikacji OEM) po każdym pojedynczym zdarzeniu awaryjnym w określonej temperaturze.

3. Wysoka temperatura (Termiczny) Próba rozmagnesowania

W tym teście, silnik jest zanurzony w maksymalnej znamionowej temperaturze magnesu (często 120–160°C, w zależności od gatunku) przy najgorszym przypadku prądu rozmagnesowania stosowanego w sposób ciągły. Połączenie podwyższonej temperatury, która zmniejsza Hci, i przeciwnego pola w stosunku do szczytowego prądu w osi d stanowi najcięższy długotrwały stan pracy. Pomiar temperatury odbywa się za pomocą wbudowanych termopar (Typ K) w wielu pozycjach magnesu. Próbę prowadzi się przez czas odpowiadający maksymalnemu trwałemu przeciążeniu lub termicznej stałej czasowej magnesu, następnie silnik ochładza się i ponownie mierzona jest siła elektromotoryczna.

4. Detekcja asymetrycznego rozmagnesowania

Częściowe rozmagnesowanie poszczególnych segmentów magnesu generuje w tylnym polu elektromagnetycznym nawet harmoniczne, których nie ma w zdrowym silniku. Porównuje się FFT trzech przebiegów wstecznego pola elektromagnetycznego przed i po wstrzyknięciu zwarcia; pojawienie się zawartości drugiej i czwartej harmonicznej powyżej poziomu szumów wskazuje na miejscowe uszkodzenie magnesu. Asymetryczna demagnetyzacja jest szczególnie ważna w przypadku maszyn wielobiegunowych z magnesami segmentowymi, ponieważ pojedynczy uszkodzony segment powoduje niewyważenie wirnika i może wzbudzać częstotliwości łożysk.

Kluczowe wskaźniki: 2amplituda drugiej harmonicznej < 0.3% fundamentalnego; asymetria pomiędzy fazami < 1%.

5. Rozmagnesowanie w przypadku powtarzających się usterek

Wstrzyknięcie błędu powtarza się N razy (gdzie N jest zdefiniowane przez analizę bezpieczeństwa funkcjonalnego lub model niezawodności pola) aby ocenić skumulowaną degradację. Silnik, który przetrwa pojedynczą usterkę, może po niej nadal wykazywać postępujące rozmagnesowanie 10 Lub 20 wydarzenia. Stanowisko testowe automatyzuje sekwencję impulsów, monitoruje wsteczne pole elektromagnetyczne po każdym zdarzeniu, i wykreśla trajektorię degradacji. Silnik, którego tylne pole elektromagnetyczne stabilizuje się po 2–3 zwarciach, ma mechanizm nasycającej się degradacji; taki, który stale spada, wymaga rewizji projektu.

6. Weryfikacja ponownego namagnesowania

Jeśli silnik nie spełnia kryterium rozmagnesowania, magnesy są ponownie namagnesowane za pomocą magnetyzatora impulsowego, a silnik jest ponownie testowany. Potwierdza to, że rozmagnesowanie nie było spowodowane wadą produkcyjną (pęknięty magnes, zła ocena, nieprawidłowy kierunek magnesowania) ale ze względu na warunki pracy przekraczające marginesy projektowe.

Wymagania dotyczące stanowiska testowego

Stanowisko do badania rozmagnesowania wymaga programowalnego źródła zasilania prądem zmiennym lub stałym, które jest w stanie zapewnić szczytowy prąd zwarciowy (zazwyczaj 3–10 × prąd znamionowy przez 1–10 ms), szerokopasmowy system pomiaru prądu (przepustowość łącza > 10 kHz, aby dokładnie uchwycić szczyt prądu zwarciowego), oraz komorę termiczną lub układ kondycjonowania cieczy chłodzącej w celu utrzymania temperatury magnesu w zakresie ±2°C podczas badania. System pomiaru wstecznego pola elektromagnetycznego musi rozwiązywać amplitudy napięcia na 0.1% wartości pełnej skali w szerokim zakresie częstotliwości (50 Hz do 2 kHz dla maszyn o dużej liczbie biegunów).

Co to oznacza dla wyboru stanowiska testowego

Testy rozmagnesowania znajdują się na granicy pomiędzy charakterystyką maszyny elektrycznej a walidacją bezpieczeństwa. Infrastruktura testowa musi integrować elektronikę mocy zdolną do kontrolowanego wstrzykiwania zwarć z precyzyjną metrologią do pomiaru wstecznego pola elektromagnetycznego. Jeśli program silnika wykorzystuje wysokowydajne magnesy NdFeB lub ferrytowe i działa w podwyższonej temperaturze lub przy wysokim prądzie osi d w celu osłabienia pola, Testowanie rozmagnesowania nie jest opcjonalne — jest wymaganą bramką w planie weryfikacji projektu.

Wspieramy programy testów rozmagnesowania od małych serwomotorów po duże silniki trakcyjne o mocy setek kilowatów. Aby omówić konfiguracje testowe dla konkretnego gatunku magnesu i koperty roboczej, porozmawiaj z naszym zespołem inżynierów.