Densidad de flujo del espacio de aire del imán de NdFeB: objetivos de diseño, selección de calidades y medición

Introducción

Las hojas de datos de calidad informan la remanencia (Br) en condiciones de circuito cerrado y sin espacios. El número que realmente impulsa el par, la contraEMF y el diseño del devanado es la densidad de flujo del entrehierro: la densidad de flujo que el imán proporciona una vez que hay un entrehierro real, el hierro del estator y las rutas de fuga en el circuito. La brecha entre la hoja de datos Br y la densidad de flujo del entrehierro en servicio se rige por el coeficiente de permeancia (Pc) del circuito magnético, y es donde la mayoría de los dimensionamientos preliminares del motor fallan. Esta guía establece cómo traducir un objetivo de densidad de flujo de espacio de aire en una decisión de calificación, cómo la temperatura cambia ese objetivo y cómo verificar el resultado en producción.

1. Qué controla realmente la densidad de flujo del entrehierro en el diseño de motores

La densidad de flujo del entrehierro (el campo magnético en el espacio físico entre el imán del rotor y el hierro del estator) es el número que más carga soporta en un motor de imán permanente. Determina la constante de par, la contraEMF, la pérdida del núcleo y la cantidad de corriente de cobre que se necesita para alcanzar un objetivo de par determinado. Si se equivoca en un 15%, el diseño de su bobinado no funcionará, su modelo térmico no funcionará y su mapa de eficiencia no se parecerá en nada al prototipo.

Br (remanencia) de la hoja de datos del imán no es lo mismo que la densidad de flujo del entrehierro. Br es una propiedad del material medida en condiciones de circuito cerrado y sin espacios. En el momento en que se abre un espacio de aire físico, la densidad del flujo disminuye, y cuánto cae depende de la geometría del imán, la longitud del espacio de aire, las rutas de fuga y el comportamiento de saturación del hierro del estator. Tratar al Br como un indicador de la densidad de flujo del entrehierro es el error más común en el dimensionamiento preliminar del motor y produce consistentemente estimaciones de torque optimistas.

2. El coeficiente de permeabilidad y por qué impulsa la selección de calificaciones

El punto de funcionamiento de un imán en un circuito está definido por el coeficiente de permeancia Pc, la relación entre la longitud del imán y el espacio efectivo a través del cual conduce el flujo. Para la mayoría de los rotores BLDC de flujo radial con devanados concentrados, Pc cae entre 3 y 8 en condiciones sin carga. Bajo carga, el campo del estator desmagnetiza el imán, empujando el punto de operación hacia abajo. La intersección de la línea de carga con la curva BH proporciona la densidad de flujo real que entrega el imán.

En Pc=5 sin fugas, un imán de grado N45 (Br ≈ 1,33 T) entrega aproximadamente 1,1 a 1,15 T en el propio imán. Después de tener en cuenta las pérdidas por franjas y fugas típicas de los estatores laminados reales, la densidad de flujo del entrehierro se sitúa entre 0,85 y 0,95 T. Para un motor BLDC pequeño que apunta a 0,9 T en el entrehierro, N45 es una combinación razonable. Actualizar a N52 (Br ≈ 1,45 T) le permitirá ganar entre 0,06 y 0,08 T en la brecha: real pero modesto. En un motor compacto donde el volumen del imán ya está limitado, esa diferencia importa.

3. Hacer coincidir la calificación con el objetivo de brecha: una tabla de decisiones práctica

La siguiente tabla asigna objetivos de diseño comunes a grados NdFeB, suponiendo Pc ≈ 4–6 y un estator laminado típico. Estos son puntos de partida, no sustitutos del FEA.

Si su objetivo de densidad de flujo en el entrehierro es de 0,70 a 0,80 T: N35 o N38 lo cubre. Este rango es común en ventiladores, bombas y motores de pequeños electrodomésticos sensibles al costo, donde el costo del imán es una limitación dominante. Usar N45 aquí es una pérdida de dinero y crea el riesgo de sobremagnetizar el hierro del estator hasta saturarlo.

Para 0,80–0,90 T: N42 o N45 es la opción estándar. La mayoría de los motores industriales BLDC y PMSM de gama media aterrizan aquí. N42H agrega un margen térmico de 120 grados sin cambiar significativamente el flujo de temperatura ambiente.

Para 0,90–1,00 T: N48 o N50. Estás en territorio servo de alto rendimiento. El espesor del imán normalmente aumenta para mantener un punto de funcionamiento más alto. En este nivel, las tolerancias de montaje en el entrehierro se vuelven críticas: una variación de 0,05 mm en la longitud del entrehierro produce una variación de entre el 1,5% y el 2% en la densidad del flujo.

Por encima de 1,00 T: N52 únicamente en aplicaciones pequeñas y térmicamente benignas. N52 está en el límite para la mayoría de los usos industriales: su Hcj es menor que el N45H, por lo que la resistencia a la desmagnetización bajo sobrecorriente o temperatura elevada es peor. El uso de N52 en un motor que tiene devanados de 80 grados y una operación de debilitamiento del campo es una falla de campo a punto de ocurrir. HIMAGNET aconseja periódicamente a los clientes reducir el tamaño de N52 a N48H o N45SH en aplicaciones donde la temperatura máxima y la corriente máxima se superponen.

4. Efectos de la temperatura sobre la densidad de flujo del espacio de aire

La remanencia de NdFeB disminuye con la temperatura aproximadamente entre −0,11 y −0,12 %/grado para los grados estándar. En un rango operativo de 100 grados (digamos, desde 20 grados de arranque en frío hasta 120 grados de temperatura del imán del rotor en estado estable), el Br cae aproximadamente entre un 11 y un 12 %. Eso significa que un motor diseñado para 0,90 T a 20 grados produce cerca de 0,79 a 0,80 T a temperatura de funcionamiento. Si su cálculo de la constante de par se basó en el valor en frío, su motor funcionará aproximadamente un 11 % menos que el par en estado estable.

El enfoque correcto es especificar la densidad de flujo del entrehierro a la temperatura máxima esperada del imán y luego volver a calcular el grado de temperatura ambiente necesario. Para un objetivo de 0,88 T a una temperatura del imán de 100 grados, necesita una calidad que entregue aproximadamente 0,98 a 1,00 T a 20 grados bajo el mismo punto de funcionamiento, que apunta a N48 o N50, no a N45. Este es un error sistemático en muchas hojas de datos de motores que especifican "N45" sin calificar la temperatura de medición.

Cambiar a un grado de sufijo H o SH no aumenta el flujo a temperatura ambiente; aumenta la coercitividad (Hcj) para resistir la desmagnetización a temperatura elevada. Si su temperatura de funcionamiento es inferior a 100 grados y no está debilitando el campo, el Hcj del N45 estándar es adecuado y no hay ninguna razón magnética para pagar la prima por el N45H.

5. Medición de la densidad de flujo del entrehierro en producción

La densidad de flujo en el entrehierro se puede medir directamente con una sonda Hall en un rotor ensamblado o inferirse a partir de una medición de flujo en imanes individuales más un modelo de circuito. Ambos enfoques tienen compensaciones.

La medición directa con sonda Hall en el espacio es precisa para el conjunto específico medido, pero requiere que el motor esté al menos parcialmente ensamblado. Detecta variaciones de ensamblaje (grosor incorrecto del imán, inclinación del rotor, variación de la línea de pegamento) que la medición a nivel de pieza pasa por alto. Para una producción de gran volumen, la medición del 100% dentro del espacio no es práctica; La inspección basada en muestras con un control estricto del imán entrante Br es el enfoque estándar.

Para la inspección del imán entrante, una medición de flujo en un dispositivo calibrado (que mide el flujo total o el campo superficial máximo) es más repetible que una lectura de sonda Hall, porque promedia la cara del imán. El dispositivo debe calibrarse frente a imanes con Br conocido y la correlación con la densidad de flujo del entrehierro en el motor debe establecerse empíricamente para cada geometría del motor. Los factores de correlación de 0,75 a 0,85 entre el campo de la superficie del dispositivo y la densidad del entrehierro en el motor son típicos de los imanes de arco segmentado en rotores BLDC.

6. Lista de verificación de selección de calificaciones antes de especificar

Antes de bloquear una calificación en un dibujo, verifique estos cinco puntos. Cada uno de ellos ha causado problemas de producción al omitirse.

Primero: ¿cuál es la temperatura máxima de la superficie del imán en el peor de los casos, no solo a temperatura ambiente? Utilice simulación o medición térmica, no una estimación basada únicamente en la temperatura del devanado, porque la brecha entre la temperatura del devanado y del imán es específica del diseño del motor y puede ser de 20 a 40 grados en diseños con alto relleno de ranuras.

Segundo: ¿cuál es la Pc mínima en el circuito bajo corriente desmagnetizante máxima? Esta es la intersección de la línea de carga que determina si el imán opera por encima o por debajo de su rodilla. Si el punto de funcionamiento bajo el debilitamiento del campo cae por debajo de la rodilla para el grado elegido, se produce una desmagnetización irreversible y las características del motor cambian permanentemente.

Tercero: ¿la longitud del entrehierro se controla lo suficientemente estrictamente como para que un Cpk razonable en la tolerancia del entrehierro no cree una variación de más de ±3% en la densidad de flujo? De lo contrario, ajuste la tolerancia antes de mejorar el grado del imán.

Cuarto: ¿tiene el hierro del estator un margen de Bsat adecuado en la densidad de flujo del entrehierro objetivo? Pasar de 0,85 T a 0,95 T en el espacio puede saturar un diente mal diseñado, eliminando gran parte del aumento de torsión y añadiendo pérdida de hierro.

Quinto: ¿la prima de coste de N48 o N50 está justificada por el aumento de densidad de par, o se puede lograr el mismo par con N45 e imanes un poco más grandes? En cantidades de producción superiores a 10 000 unidades, la diferencia entre calidad y costo a menudo excede el costo de herramientas de una cavidad de rotor ligeramente más grande. El equipo de ingeniería de HIMAGNET puede realizar una comparación de su geometría; contáctenos con el diámetro exterior de su motor, la longitud de la pila y el par objetivo.

Cómo HIMAGNET admite la especificación de densidad de flujo del espacio de aire

HIMAGNET proporciona datos de rendimiento del imán, incluidas curvas de desmagnetización completas a múltiples temperaturas (20 grados, 60 grados, 100 grados, 120 grados, 150 grados según el grado), para que los clientes puedan ejecutar análisis de líneas de carga y puntos de operación sin comenzar desde una hoja de datos en blanco. Para programas de motores personalizados, nuestro equipo de ingeniería revisa la geometría del circuito (longitud del imán, entrehierro y configuración del estator) para confirmar que la selección de grado cumpla con la densidad de flujo del entrehierro objetivo a la temperatura de funcionamiento especificada antes de bloquear el diseño.

Si tiene una densidad de flujo de entrehierro, una temperatura de funcionamiento y una geometría del motor objetivo, comuníquese con HIMAGNET con sus especificaciones para una revisión de selección de grado.