La desmagnetización térmica es el modo de falla de imán más común que nadie planea
La mayor parte del análisis térmico del motor se centra en el devanado. Se calcula la pérdida del cobre, se construye una red de resistencia térmica y el diseño se declara seguro si la temperatura del devanado se mantiene por debajo del límite de la clase de aislamiento. La temperatura del imán se anota como una salida secundaria del mismo modelo (normalmente entre 10 y 20 grados por debajo del devanado) y se compara con la temperatura máxima de funcionamiento en la hoja de datos. Si está por debajo del límite de la hoja de datos, el análisis se detiene.
Este enfoque pasa por alto dos cosas. Primero, la temperatura máxima de funcionamiento del imán en la hoja de datos no es un límite de seguridad de desmagnetización: es la temperatura más allá de la cual las propiedades del imán se degradan permanentemente incluso sin un campo externo. En segundo lugar, incluso por debajo de esa temperatura, la combinación de temperatura elevada y campo de reacción de la armadura durante eventos de par máximo crea un riesgo de desmagnetización que no se puede evaluar únicamente a partir de una temperatura en estado estable. Este artículo cubre la metodología de cálculo real.
1. Por qué los imanes de los motores se calientan más de lo que esperan la mayoría de los diseñadores
En un motor PM de montaje en superficie, los imanes están unidos al rotor y separados del cobre del devanado por el entrehierro, el revestimiento de la ranura, el dentado y la carcasa. A primera vista parecen bien aislados de la fuente principal de calor. En la práctica, el rotor se calienta a partir de dos fuentes: pérdidas por corrientes parásitas en los propios imanes (significativas en imanes segmentados con altos armónicos de ranura) y calor conducido desde el estator a través de radiación y convección a través del entrehierro.
Las pérdidas por corrientes parásitas en imanes sólidos de NdFeB aumentan con el cuadrado de la amplitud armónica de la densidad de flujo y con el cuadrado de la frecuencia. En un motor de 6 polos que funciona a 3000 RPM con un devanado concentrado (alto contenido de armónicos), las pérdidas por corrientes parásitas en los imanes pueden alcanzar entre el 15 y el 30 % de las pérdidas totales del rotor. Esta no es una corrección menor. En un motor de 500 W, una pérdida de 10 W por corriente parásita del imán con una resistencia térmica de 3 grados/W entre el imán y el ambiente produce un aumento adicional de temperatura del imán de 30 grados por encima del hierro del rotor. Combinadas con el calor conducido desde el estator, las temperaturas de los imanes en motores de bobinado concentrados cargados continuamente exceden regularmente las temperaturas de los bobinados entre 5 y 15 grados en lugar de estar por debajo de ellas.
El camino térmico importa. En un motor de flujo axial con una configuración de doble rotor, los imanes están en las superficies exteriores de los discos del rotor; tienen un excelente enfriamiento por convección en la mayoría de las geometrías y funcionan a menor temperatura que el estator. En un motor de flujo radial de ranura profunda con una pila larga y enfriamiento de giro limitado, el gradiente de temperatura del imán a lo largo de la longitud axial puede alcanzar 20 grados de extremo a centro. El punto más caliente del imán no es visible para los sensores térmicos integrados en el estator, y es el punto más caliente el que determina el margen de desmagnetización.
2. El cálculo correcto de la seguridad de la desmagnetización
El margen de seguridad de desmagnetización tiene dos componentes: el margen térmico (distancia desde la temperatura de funcionamiento hasta la temperatura a la que la rodilla cruza el campo operatorio) y el margen de campo (distancia desde el campo desmagnetizador de reacción de la armadura hasta la rodilla a la temperatura de funcionamiento). Ambos deben calcularse.
Comience con el análisis de la línea de carga a partir de la geometría del circuito magnético (tratado en el artículo anterior de esta serie). Esto da el punto de operación (Bop, Hop) en ausencia de reacción de armadura. Para un motor de flujo radial bien diseñado con PC=6, Hop es aproximadamente −Br/PC ≈ −0,22 T / μ₀ ≈ −175 kA/m. Este es el punto de funcionamiento sin carga, a temperatura ambiente.
Agregue el campo de reacción de la armadura. En la corriente máxima (normalmente 3 × continua en un servoaccionamiento), el campo desmagnetizador en la superficie del imán es Id × Ld / (μ₀ × Am × Lm), donde Id es el componente de corriente del eje d y Ld es la inductancia del eje d. Para un servomotor típico con un pico de 10 A y Ld=2mH, el campo de reacción del inducido en la superficie del imán puede alcanzar 200–400 kA/m dependiendo de la geometría del motor. El campo desmagnetizante total es la suma: −175 + (−300)=−475 kA/m en este ejemplo.
Ahora verifique la posición de la rodilla a la temperatura de funcionamiento del imán. Para N45 (Hcj=1380 kA/m a 20 grados, coeficiente de temperatura −0,55%/grado), a 120 grados el Hcj cae a aproximadamente 1380 × (1 − 0,55% × 100)=621 kA/m. El codo de la curva de desmagnetización para N45 a 120 grados se produce aproximadamente a 0,5 × Hcj=310 kA/m en la dirección de desmagnetización. El campo total −475 kA/m excede el campo de rodilla −310 kA/m. Este diseño experimentará una desmagnetización parcial irreversible durante eventos de par máximo a temperatura de funcionamiento. El cálculo muestra el modo de falla antes de que aparezca en la prueba.
La solución no siempre es una mejora de grado. En este ejemplo, las opciones son: (1) actualizar a N45H (Hcj ≈ 2000 kA/m a 20 grados, rodilla a 120 grados ≈ 650 kA/m - seguro); (2) aumentar la PC reduciendo el entrehierro, lo que acerca a Hop a 0 y reduce la sensibilidad a la reacción de la armadura; (3) reducir la corriente máxima mediante la limitación de corriente en el variador; o (4) aceptar el perfil operativo y utilizar un imán de menor calidad con mejor coeficiente de temperatura reversible. Las opciones 2 a 4 no requieren imanes más caros. La opción 1 es la más fácil de especificar, pero no siempre la más barata.
3. Estimación de la temperatura del imán sin FEA
En las primeras etapas de diseño, el FEA térmico completo no siempre está disponible. Una red térmica simplificada de parámetros agrupados proporciona una precisión adecuada para las decisiones iniciales.
Para un motor de flujo radial, modele la trayectoria de resistencia térmica desde el imán hasta el ambiente como tres elementos en serie: resistencia térmica del imán al rotor-hierro (R1=Lm / (km × Am), típicamente 0,3–0,8 grados/W dependiendo del espesor de la capa adhesiva y la conductividad); hierro del rotor al eje (R2, depende de la geometría del rotor, normalmente entre 0,5 y 2 grados/W para un rotor de acero macizo); y del eje al ambiente a través de la trayectoria del rodamiento y la carcasa (R3, típicamente 1 a 5 grados/W dependiendo del método de enfriamiento). Para la contribución de la conducción de calor del estator, agregue la resistencia térmica del entrehierro (R_gap ≈ Lg / (k_air × Ag) + corrección por convección, típicamente 0,1–0,5 grados/W para un espacio de 0,5 mm).
Con una red simplificada, el aumento de la temperatura del imán por encima de la temperatura ambiente es aproximadamente:
ΔT_magnet=P_eddy × (R1 + R2 + R3) + P_stator × (R_gap + R2 + R3) / (R_stator_total)
Para un servomotor sin escobillas de 1 kW con: P_eddy=5W, R1=0.5 grados/W, R2=1 grados/W, R3=3 grados/W; P_estator=80W, R_estator_to_ambient=0.8 grados/W, R_gap=0.3 grados/W. El aumento de la temperatura del imán por encima de la temperatura ambiente es aproximadamente 5 × 4.5 + 80 × 4,3/0,8 ≈ 22.5 + 430=incorrecto: el término P_stator no funciona de esta manera porque el calor del estator fluye principalmente a través de la carcasa, no a través del espacio hacia el imán.
El enfoque simplificado corregido: el aumento de temperatura del imán debido al calor del estator es aproximadamente P_stator × (R_gap / R_stator_total) × R_gap, limitado a la temperatura del devanado del estator menos una caída térmica de espacio fijo. Para la mayoría de los diseños de motores con refrigeración forzada, la temperatura del imán es la temperatura del estator menos 10 a 25 grados debido al aislamiento del entrehierro. Para diseños enfriados pasivamente, el aislamiento del espacio es menos efectivo y la diferencia se reduce a 5 a 10 grados. Si el devanado del estator está a 155 grados (límite de Clase F), el imán está a 130-145 grados, lo que coloca al N45 en la zona de peligro calculada anteriormente. Esta es la razón por la que los motores aislados Clase F con imanes N45 son un problema de confiabilidad que está a punto de ocurrir en aplicaciones de corriente pico alta.
4. Lógica de selección de calidad basada en la temperatura máxima del imán
Con la temperatura máxima del imán estimada, la selección del grado se convierte en una decisión de ingeniería directa en lugar de una búsqueda en una tabla.
Por debajo de los 80 grados de temperatura máxima del imán: los grados estándar (N35–N52) son apropiados. El margen Hcj hasta la rodilla a 80 grados es adecuado para la mayoría de aplicaciones motoras con corrientes máximas inferiores a 3 veces continuas.
Temperatura máxima del imán de 80 a 120 grados: los grados H (N35H – N52H) son la base para cualquier cosa con una corriente máxima superior a 2 × devanados continuos o concentrados (alto contenido de armónicos). Para devanados distribuidos con corriente máxima inferior a 2 × continua, se aceptan grados estándar con márgenes de línea de carga verificados.
Temperatura máxima del imán de 120 a 150 grados: se requieren grados SH (N35SH–N48SH) para aplicaciones de corriente máxima alta. Hcj para N42SH es de aproximadamente 2400 kA/m a 20 grados, lo que da una posición de rodilla a 150 grados de aproximadamente 550 kA/m, el doble del grado estándar N42 a la misma temperatura. Para devanados distribuidos con límites de corriente máxima conservadores, los grados H aún pueden ser suficientes en el extremo inferior de este rango.
Por encima de los 150 grados de temperatura máxima del imán: grados EH o AH (N35EH–N38EH) para NdFeB, o transición a SmCo grado 26–28. Los grados NdFeB EH proporcionan Hcj por encima de 3000 kA/m a 20 grados, pero el Br está limitado al rango de 1,08 a 1,18 T. Para aplicaciones donde la densidad de torsión importa más que la resistencia térmica (accionamientos de compresores de alta velocidad, accionamientos de motores aeroespaciales), el SmCo a una temperatura máxima de 150 a 200 grados suele ser la elección correcta del material a pesar de la prima de costo de 4 a 6 veces.
Un error común: especificar un grado EH para un diseño de motor que solo necesita H porque alguien del equipo estaba "estando seguro". Los grados EH cuestan aproximadamente entre un 25% y un 35% más que los grados H para el Br equivalente, y su Br es menor para el mismo número de grado. Si el cálculo de la temperatura máxima del imán muestra 130 grados, N45H es la especificación correcta, no N40EH.
5. Verificación del margen térmico después de la producción
El cálculo da una intención de diseño. La verificación requiere datos de prueba.
La prueba estándar para la verificación del margen de desmagnetización es la prueba de corriente de cortocircuito a temperatura elevada. El motor se calienta hasta la temperatura de funcionamiento objetivo y luego se aplica un cortocircuito controlado para producir un campo desmagnetizador de reacción máxima del inducido. El Back-EMF se mide antes y después. Si el back-EMF posterior a la prueba está dentro del 1% del valor previo a la prueba, los imanes sobrevivieron sin desmagnetización irreversible. Una caída superior al 2% indica que se produjo una desmagnetización parcial.
Para la aceptación de producción, esta prueba es costosa de realizar en todos los motores. En cambio, los proveedores suelen verificar las propiedades magnéticas a nivel de lote: uniformidad de Br dentro de ±1,5 % dentro de un lote (no entre lotes; la uniformidad del lote es importante para la coherencia del margen de desmagnetización), Hcj por encima del mínimo de especificación (normalmente un 10 % por encima del mínimo requerido para el margen) y uniformidad de magnetización mediante escaneo Hall. Estos verifican que los imanes entregados a producción tengan las propiedades asumidas en el cálculo del diseño.
HIMAGNET proporciona curvas de desmagnetización completas a temperaturas de aplicación y puede comparar su análisis de línea de carga con los valores de Hcj medidos específicos del lote antes del envío. Para diseños de motores con márgenes térmicos ajustados (aislamiento de clase F, relación de par pico a continuo superior a 3× o entornos operativos superiores a 60 grados ambiente), solicite el certificado de lote de alta temperatura (Hcj a valores medidos de 100 grados y 120 grados, no nominal) al realizar su pedido.
