RU2827925C1 - Способ формирования гибридного магнитного элемента для ротора электромашины, устойчивого к необратимому размагничиванию в условиях перегрева - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении эффективности функционирования синхронных электроприводов на основе постоянных магнитов (СЭПМ) путем минимизации влияния температурного нагрева на магнитные характеристики постоянных магнитов (ПМ). Уменьшение размагничивания в процессе нагрева обеспечивает уменьшение общих (суммарных) температурных коэффициентов по коэрцитивной силе Hcj и остаточной индукции Вr гибридного магнита в процессе эксплуатации. Способ формирования гибридного магнитного элемента для СЭПМ включает выполнение комбинированных полюсов из магнитных материалов, устойчивых к необратимому размагничиванию. Предварительно выявляют зоны возможного перегрева магнитного элемента ротора, вызывающие необратимое размагничивание при температурах функционирования ротора электромашины. Магнитный элемент ротора выполнен в форме пакета из склеенных между собой деталей из ферромагнитных материалов, число и последовательность расположения которых в направлении, перпендикулярном полярной оси магнитного элемента, химический состав материала деталей, показатель коэрцитивной силы и параметры клея выбраны из условия обеспечения функционирования ротора электромашины в зонах возможного перегрева. Причем в выявленных зонах возможного перегрева располагают детали, выполненные из материалов, имеющих температуру размагничивания, превышающую температуру перегрева магнитного элемента ротора в условиях эксплуатации электромашины. 6 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления магнитных элементов для синхронных электроприводов на основе постоянных магнитов (ПМ).

Известно, что синхронные электроприводы на основе постоянных магнитов (СЭПМ) обладают рядом технических преимуществ, а именно существенно меньшими массогабаритными характеристиками и более высоким КПД. Однако при повышении температуры при воздействии магнитного поля, создаваемого обмотками статора, возможно размагничивание постоянных магнитов. В зависимости от положения нагрузочной линии (пунктирная линия на фиг. 1) и размагничивающего фактора постоянного магнита (отношения L/D), температурный интервал возрастания вероятности размагничивания может изменяться (см. C.H.Chen. Engineering magnetic materials and their applications, Course MAT-512, University of Dayton. 2006-2010). Критическим фактором является степень близости к так называемому «колену» (расположено в области 6-9 кЭ), в области которого может произойти самопроизвольное полное или частичное размагничивание постоянного магнита. Так представленные на фиг. 1 данные для постоянного магнита марки Nd 33, позволяют заключить, что данный постоянный магнит может работать до температуры 100°С при размагничивающем факторе 0,2 и до температуры 175°С - при размагничивающем факторе 2,0. Как правило, увеличение рабочей температуры достигается за счет добавления диспрозия (Dy) или тербия (Tb) - редкоземельных элементов с высокими константами магнитной анизотропии, что, однако, резко увеличивает затраты на изготовление электроприводов.

Представляется актуальным поиск путей повышения рабочей температуры постоянных магнитов, поскольку постоянное снижение размеров современных СЭПМ, а также повышение плотности тока (крутящий момент прямо пропорционален плотности тока) приводит к повышению плотности мощности и большим джоулевым потерям на единицу объема. Указанное приводит к необходимости отведения большего количества тепла в единицу времени, что является затруднительным при наименьшем объеме СЭПМ (меньшей площади поверхности теплоотвода), что в конце концов и вызывает повышение температуры ротора и постоянных магнитов, расположенных на нем.

Известны усовершенствования конструкции ротора с использованием ПМ из NdFeB, не содержащих Dy. В статье Irreversible Demagnetization Improvement Process of Hybrid Traction Motors with Dy-Free Magnets» / Machines 2023, 11 (1), 4; https://doi.org/10.3390/machines11010Q04, описан процесс улучшения необратимого размагничивания за счет усовершенствования конструкции - изменения расстояния между воздушными отверстиями в магнитопроводе ротора, которое сдвигает регион, где необратимое размагничивание происходит в области с низким вкладом обратной ЭДС. Хотя магнит, лишенный редкоземельных элементов, имеет высокую скорость необратимого размагничивания при высоких температурах из-за его низкой коэрцитивной силы, в данной статье предложен процесс улучшения необратимого размагничивания, чтобы компенсировать этот недостаток. Этот процесс анализирует вклад обратной ЭДС магнита (электродвижущей силы) с использованием уравнения потокосцепления, которое не меняется со временем. Далее место необратимого размагничивания перемещается в положение с низким вкладом в обратную электродвижущую силу. То есть степень необратимого размагничивания может быть снижена, если она происходит там, где вклад обратной ЭДС магнита мал. Конструктивно подобрано такое расстояние между воздушными отверстиями в магнитопроводе ротора, чтобы ПМ без диспрозия меньше размагничивался.

Описан способ оценки температуры постоянных магнитов в синхронных машинах с постоянными магнитами с использованием поисковых катушек (Yuan Cheng et al. «Magnet temperature estimation of permanent magnet synchronous motor using search coils» - 25th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2022; DOI: 10.1109/ICEMS56177.2022.9983044). Это дает возможность заменить непосредственные измерения температуры на косвенные, основанные на линейной зависимости потокосцепления двигателя и температуры ПМ, но с высокой точностью. Описаны варианты, использующие такие измерения (CN 114928290 А, опубл. 19.08.2022; CN 114928289 А, опубл. 19.08.2022; JP 2022116488 А, опубл. 10.08.2022).

Описаны различные практические реализации самих ПМ роторов, позволяющие снизить размагничивающий фактор и, соответственно, повысить эффективность генераторов.

Известна конструкция гибридных ПМ, где каждый магнит состоит из нескольких магнитных материалов с различными значениями магнитного потока (US 10714988 В2, опубл. 14.07.2020). ПМ содержит первый магнитный материал; и второй магнитный материал, отличный от первого магнитного материала. При этом полярная ось первого магнитного материала параллельна полярной оси второго магнитного материала. Намагниченность насыщения (MS), магнитная анизотропия (Ku), температурный коэффициент (СТ) намагниченности, СТ коэрцитивной силы или температура Кюри (ТС) выше для второго магнитного материала, чем для первого материала. Объем второго магнитного материала меньше или равен объему первого магнитного материала. Первый магнитный материал представляет собой по меньшей мере один из: альнико, феррита, магнитного материала на основе редкоземельного металла, магнитного материала на основе марганца, магнитного материала на основе переходного металла и платины или нитрида железа (Fe-Н). Второй магнитный материал представляет собой по меньшей мере один из следующих материалов: альнико, феррит, материал на основе редкоземельного металла, материал на основе марганца, магнитный материал на основе переходного металла и платины или Fe-N. ПМ имеет более высокую плотность магнитного потока, чем плотность магнитного потока первого магнитного материала.

В статье (Dapeng Wang et al. «Exchange-coupled nanoscale SmCo/NdFeB hybrid magnets» - Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 324, Issue 18, September 2012, Pages 2836-2839; DOI: 10.1016/j.jmmm.2012.04.018) описаны преимущества гибридных NdFeB/SmCo магнитов перед однофазными. Описан способ изготовления гибридных магнитов, заключающийся в отжиге мелкодисперсной порошковой смеси из NdFeB и Sm-Co в вакууме и под давлением. Размер частичек порошка не превышал 20 нм. В результате были получены крайне низкие значения коэрцитивной силы и BHmax на уровне 12-14 МГсЭ, не позволяющие применения композитов в реальных высоконагруженных электроприводах с высокой плотностью момента. Выявлено, что подобный подход не позволяет локально увеличить величину Hcj в заданном месте постоянного магнита подверженного большим размагничивающим полям.

Наиболее близким к патентуемому способу является изобретение по заявке CN 105449967 А - Combined magnetic pole built-in radial direction V type permanent magnet synchronous motor, опубл. 30.03.2016 - прототип), в котором описано выполнение ПМ типа V с комбинированным магнитным полюсом в радиальном направлении для СЭПМ. Магнитное поле воздушного зазора СЭПМ, управляемого синусоидальной волной, имеет гармонические волны и может вызвать необратимое размагничивание, поэтому магнитный полюс ротора имеет однослойную или многослойную вложенную V-образную структуру ПМ; магнитный полюс ротора содержит два полюса ПМ из редкоземельных металлов и два полюса из феррита. Направления намагничивания совпадают. Такая комбинация может приблизить форму волны плотности потока в воздушном зазоре к синусоидальной волне и уменьшить содержание гармоник в магнитном поле воздушного зазора.

Недостаток такого решения состоит в том, что оно не касается средств, препятствующих необратимому размагничиванию ПМ вследствие нагрева и перегрева в процессе работы электромашины.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы повышения эффективности функционирования СЭПМ путем устранения/уменьшения влияния температурного нагрева на магнитные характеристики ПМ в процессе эксплуатации.

Патентуемый способ формирования гибридного магнитного элемента для СЭПМ включает выполнение комбинированных полюсов из магнитных материалов, устойчивых к необратимому размагничиванию.

Отличие состоит в следующем.

Предварительно выявляют зоны возможного перегрева магнитного элемента ротора, вызывающие необратимое размагничивание при температурах функционирования ротора электромашины.

Магнитный элемент ротора выполнен в форме пакета из склеенных между собой деталей из ферромагнитных материалов, число и последовательность расположения которых в направлении перпендикулярном полярной оси магнитного элемента, химический состав материала деталей, показатель коэрцитивной силы и параметры клея выбраны из условия обеспечения функционирования ротора электромашины в зонах возможного перегрева, причем в выявленных зонах возможного перегрева располагают детали, выполненные из материалов, имеющих температуру размагничивания превышающую температуру перегрева магнитного элемента ротора в условиях эксплуатации электромашины.

Способ может характеризоваться тем, что определение зон возможного перегрева в теле магнитного элемента ротора проводят путем моделирования или экспериментально.

Способ может характеризоваться и тем, что число деталей составляет 2-10 при их толщине от 0,1 до 10 мм в направлении склеивания.

Способ может характеризоваться также тем, что склейку пластин осуществляют с использованием компаундов, содержащих микрочастицы из магнитомягких материалов.

Способ может характеризоваться и тем, что детали из ферромагнитных материалов включают спеченные редкоземельные постоянные магниты, ферриты, магнитотвердые магнитопласты или композиты на их основе.

Способ может характеризоваться, кроме того, тем, что пакет образован из деталей и имеет слоистую структуру SmCo35-N50H-SmCo35, или слоистую структуру SmCo35-N50H-SmCo35-N50H-SmCo35, или слоистую структуру N50H-SmCo35-N50H-SmCo35-N50H, или слоистую структуру NdFeB-SmCo, или слоистую структуру FeN-SmCo.

Способ может характеризоваться и тем, что внешние детали пакета выполнены из спеченных редкоземельных постоянных магнитов марки SmCo.

Технический результат - повышение эффективности функционирования СЭПМ путем минимизации влияния температурного нагрева на магнитные характеристики ПМ в процессе эксплуатации. Уменьшение размагничивания в процессе нагрева обеспечивает уменьшение общих (суммарных) температурных коэффициентов по коэрцитивной силе Hcj и остаточной индукции Br гибридного магнита в процессе эксплуатации.

Сущность изобретения поясняется на фигурах.

Фиг.1 - характеристики размагничивания СЭПМ;

Фиг. 2-4 - схема гибридного магнитного элемента с вариантами размещения деталей в зонах перегрева;

Фиг. 5 - СЭПМ с различными вариантами магнитов на роторе:

а) с цельными магнитами,

б) с гибридными магнитами SmCo35-N50H-SmCo35,

в) с гибридными магнитами SmCo35-N50H-SmCo35-N50H-SmCo35,

г) с гибридными магнитами N50H-SmCo35-N50H-SmCo35-N50H.

Фиг. 6 - графики зависимости электромагнитного момента от температуры магнитов;

Фиг. 7, 8 - графики зависимости потокосцеплений магнитов от температуры и длительности нагрева.

Схема гибридного магнитного элемента с вариантами размещения деталей в зонах перегрева показана на фиг. 2-4, где: 10 - температурная зависимость зон перегрева по длине магнитного элемента; 11, 12 - зоны перегрева; 20 - детали; 21, 22 - детали, имеющие более высокую температуру размагничивания.

Так, детали 20 могут быть выполнены из спеченных NdFeB, Sm-Co редкоземельных элементов, ферритов, магнитотвердых магнитопластов или композитов на их основе. Детали 21, 22, имеющие более высокую температуру размагничивания, выполняются из более высокотемпературных магнитных материалов, а именно NdFeB, SmCo редкоземельных элементов.

Количественная оценка термостабильности предлагаемых гибридных магнитов отражена на фиг. 7, 8. Для сравнения были выбраны три магнита: 1 - неодимовый магнит марки N42AH; 2 - неодимовый магнит марки N42H; 3 - гибридный магнит, собранный из магнитов марок N42H и S28G. Габаритные размеры испытуемых магнитов одинаковые и составляли 21×21×3.7 мм. Методика испытаний состоит из 6 пунктов:

1. Магниты намагничивались до насыщения в импульсном магнитном поле с амплитудой 5 Тл.

2. Измерялось магнитное потокосцепление с катушкой Гельмгольца Ψ₀ магнитов после п. 1.

3. Магниты помещались в печь в составе замкнутого магнитопровода.

4. Магниты выдерживались в печи при температуре t_n в течение 5 мин, после чего и извлекались из печи и выдерживались при нормальной температуре для охлаждения до температуры среды.

5. Измерялось потокосцепление после нагрева Ψ_n-5.

6. Магниты повторно намагничивались до насыщения и пп. 2-5 повторялись после выдержки в течение 10 мин, измерялось Ψ_n-10.

В результате испытаний определено:

1. При быстром нагреве магниты марки 42Н и гибридный магнит ведут себя практически одинаково;

2. У гибридного магнита падение потока менее резкое в частности при нагреве до 240°С;

3. Магнитный поток гибридного магнита после нагрева на 30% больше, чем у магнита марки N42H.

Из представленного следует, что в высоконагруженных СЭПМ, длительное время работающих при высоких температурах, применение гибридных магнитов наиболее актуально.

Склейку пластин осуществляют с использованием компаундов с относительной магнитной проницаемостью в 2-3 раза превышающей магнитную проницаемость вакуума, содержащих микрочастицы из магнитомягких материалов. Детали могут быть выполнены из композита, включающего магнитотвердые материалы, а также изотропные и анизотропные электротехнические стали или магнитомягкие магнитопласты. Химический состав подбирается расчетным путем с последующим экспериментальным подтверждением таким образом, чтобы обеспечить оптимальное требуемое значение температурных коэффициентов по остаточной магнитной индукции Br и коэрцитивной силе Hcj.(см. фиг. 7, 8). Традиционный способ предполагает достижение минимальных значений температурных коэффициентов.

Патентуемый способ предполагает возможность управляемого и предсказуемого изменения температурных коэффициентов, благодаря контролю химического состава компонентов (см. таблицу 1).

ГОСТ 52956-2008 дает четкие ограничения на такие температурные зависимости магнитных параметров материалов как остаточная магнитная индукция Br и коэрцитивная сила по намагниченности Hcj. Относительные изменения параметров в диапазоне температур 293 К - 373 К зафиксированы как ΔBr×100/(Br×ΔТ) от -0.12 до -0.08%/K и ΔHcj×100/(Hcj×ΔТ) от -0.59 до -0.45%/K соответственно. Традиционно это делается для того, чтобы избежать большого размагничивания магнитов и обеспечить стабильность рабочих характеристик электромашины с постоянными магнитами на роторе. Однако для обеспечения данного уровня значений температурных коэффициентов невозможно использовать мишметалл PrNd, а необходимо добавление более дорогостоящего металлического Nd и еще более дорогого металлического диспрозия. Поскольку магниты являются одним из наиболее затратных компонентов электромашины, то это существенно ограничивает область применения СЭПМ. Вместе с этим, с развитием высокооборотных машин появились дополнительные технические трудности. Отсутствие возможности управления величиной данных температурных коэффициентов приводит к трудностям при размагничивании роторов на высоких оборотах, увеличивает значение противо-эдс и затрудняет управление электромашиной. Таким образом, необходима возможность прецизионного регулирования величины данных температурных коэффициентов, что и достигается предлагаемым техническим решением.

В качестве примера реализации рассмотрена модель СЭПМ, магниты в котором расположены на внешнем роторе.

В модели учтены температурно-зависимые свойства постоянных магнитов марок N50H и SmCo35.

На фиг. 5 показаны модели СЭПМ с цельными магнитами (а) и с гибридными магнитами в трех вариантах (б, в, г). Приведены позиции: 1 - статор, 2 - якорная обмотка, 3 - ярмо ротора, 4 - цельный магнит.

Гибридные магниты обозначены: поз. 5 - гибридный магнит SmCo35-N50H-SmCo35, поз. 6 - гибридный магнит SmCo35-N50H-SmCo35-N50H-SmCo35, поз. 7 - N50H-SmCo35-N50H-SmCo35-N50H.

Внешний диаметр СЭПМ 280 мм, осевая длина 65 мм, число зубцов 54, полюсов 48. Обмотка дробно-зубцовая, число пазов на полюс и фазу 3/8, число витков на зубце 10, соединена звездой.

Поперечные размеры цельных магнитов 4×12 мм (фиг. 5,а). Гибридных магнитов фиг. 5: б) 4×4 мм, в) и г) 4×2,4 мм.

Ток нагрузки 550 А, угол опережения 10 электрических градусов, частота 373,2 Гц. Поскольку СЭПМ обладает симметрией, на фиг. 5 показана только 1/6 часть всей окружности моделей. Электромагнитные расчеты проведены с использованием метода конечных элементов, на боковых границах заданы граничные условия симметрии, на внешних границах - условия Дирихле, соответствующие нулевому значению векторного магнитного потенциала.

Для каждой модели был проведен расчет электромагнитного момента, при этом режим нагрузки для всех случаев задан одинаковым. Расчеты проводились при температурах магнитов 20°С, 120°С и 200°С. В результате получены зависимости момента от температуры магнитов для каждого из вариантов ротора (фиг. 6).

Из графиков следует, что в области температур 120°С выше рабочей температуры магнитов N50H, роторы с гибридными магнитами обеспечивают большее значение момента. Например, момент СЭПМ с гибридными магнитами Sm-Nd-Sm обеспечивает значение момента на 24% больше, чем СЭПМ с магнитами марки N50H. В области невысоких температур 20-120°С СЭПМ с гибридными магнитами обеспечивает значение момента на 5-8% выше, чем СЭПМ с магнитами марки SmCo35.

Описанный положительный эффект достигается благодаря тому, что магниты марки SmCo35 намного более устойчивы к размагничиванию при высоких температурах, по сравнению с магнитами N50H.

Фиг. 7, 8 - графики зависимости потокосцеплений магнитов от температуры и длительности нагрева. Видно, что гибридный магнит N42H/S28G обеспечивает необходимый уровень температурной зависимости потокосцепления в течение 5 и 10 мин при нагреве до 240°С.

Ниже приведены примеры гибридных магнитов для СЭПМ, выполненные в соответствии с данным изобретением.

ПРИМЕР 1

1. Размеры деталей: длина, ширина, высота 2×21×6 (мм).

2. Количество деталей в пакете - 3.

3. Состав материалов в пакете: SmCo35-N50H-SmCo35.

4. Материал клея: DELO® MONOPOX НТ2999, толщина склейки -15 мкм. Наполнитель склейки - микрочастицы из магнитомягких материалов состава MnO,8ZnO,2Fe₂O₄, 20% об.

5. Полученные характеристики гибридного магнита Br=1.25 Тл, Нсв=955 кА/м, Hcj=2100 кА/м, (ВН)max=299 кДж/м³.

ПРИМЕР 2

1. Размеры деталей: длина, ширина, высота 5×21×6 (мм).

2. Количество деталей в пакете – 5.

3. Состав материалов в пакете: SmCo35-N50H-SmCo35-N50H-SmCo35.

4. Материал клея: марка ВТ-25-200 JCN В 6-06-5100-96, толщина склейки 5-10 мкм, наполнитель склейки - микрочастицы из магнитомягкого материала Fe₃O₄, 25% об.

5. Полученные характеристики гибридных магнитов при Т=20°С Br=1,21 Тл, Нсв=950 кА/м, Hcj=2050 кА/м, (ВН)тах=295 кДж/м³.

ПРИМЕР 3

1. Размеры деталей: длина, ширина, высота 5×21×3,7 (мм).

2. Количество деталей в пакете - 5.

3. Состав материалов в пакете: N50H-SmCo35-N50H-SmCo35-N50H.

4. Материал клея: марка DELO® MONOPOX НТ2999, толщина склейки 10 мкм, наполнитель склейки - отсутствует.

5. Полученные характеристики гибридных магнитов Br=1,17 Тл, Нсв=890 кА/м, Hcj=1995 кА/м, (ВН)тах=280 кДж/м³.

ПРИМЕР 4

1. Размеры деталей: длина, ширина, высота 1×10×5 (мм).

2. Количество деталей в пакете -2.

3. Состав материалов в пакете: SmCo32-N42H.

4. Материал клея: DELO® MONOPOX НТ2999, толщина склейки 10 мкм, наполнитель склейки - микрочастицы из магнитомягких материалов: MnO,8ZnO,2Fe₂O₄, 20% об.

5. Полученные характеристики гибридных магнитов Br=1,19 Тл, Нсв=920 кА/м, Hcj=1800 кА/м, (ВН)шах=270 кДж/м³.

ПРИМЕР 5

1. Размеры деталей: длина, ширина, высота 5×10×5 (мм).

2. Количество деталей в пакете-10.

3. Состав материалов в пакете:

SmCo35-N42SH-SmCo35-N42SH-SmCo35-N42SH-SmCo35-N42SH-SmCo35-N42SH.

4. Материал клея: DELO® MONOPOX НТ2999, толщина склейки 12 мкм, наполнитель склейки - микрочастицы из магнитомягких материалов, MnO, 85ZnO, 15Fe₂O₄, 20% об.

5. Полученные характеристики гибридных магнитов Br=1,20 Тл, Нсв=950 кА/м, Hcj=2010 кА/м, (ВН)тах=275 кДж/м³.

Таким образом, по результатам приведенных примеров реализации изобретения следует, что гибридные магниты позволяют объединить положительные качества магнитов N50H и SmCo35 и получить прирост момента СЭПМ в широком диапазоне температур, без использования тербия и диспрозия.

Claims (10)

1. Способ формирования гибридного магнитного элемента для ротора электромашины, включающий выполнение комбинированных полюсов из магнитных материалов, устойчивых к необратимому размагничиванию,

отличающийся тем, что:

предварительно выявляют зоны возможного перегрева магнитного элемента ротора, вызывающие необратимое размагничивание при температурах функционирования ротора электромашины;

магнитный элемент ротора выполнен в форме пакета из склеенных между собой деталей из ферромагнитных материалов, число и последовательность расположения которых в направлении, перпендикулярном полярной оси магнитного элемента, химический состав материала деталей, показатель коэрцитивной силы и параметры клея выбраны из условия обеспечения функционирования ротора электромашины в зонах возможного перегрева, причем в выявленных зонах возможного перегрева располагают детали, выполненные из материалов, имеющих температуру размагничивания, превышающую температуру перегрева магнитного элемента ротора в условиях эксплуатации электромашины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение зон возможного перегрева в теле магнитного элемента ротора проводят путем моделирования или экспериментально.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число деталей составляет 2-10 при их толщине от 0,1 до 10 мм в направлении склеивания.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что склейку пластин осуществляют с использованием компаундов, содержащих микрочастицы из магнитомягких материалов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что детали из ферромагнитных материалов включают спеченные редкоземельные постоянные магниты, ферриты, магнитотвердые магнитопласты или композиты на их основе.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пакет образован из деталей, имеющих слоистую структуру SmCo35-N50H-SmCo35, или слоистую структуру SmCo35-N50H-SmCo35-N50H-SmCo35, или слоистую структуру N50H-SmCo35-N50H-SmCo35-N50H, или слоистую структуру NdFeB-SmCo, или слоистую структуру Fe₁₆N₂-Sm₂Co₁₇.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что внешние детали пакета выполнены из спеченных редкоземельных постоянных магнитов марки SmCo.