Размагничивание постоянных магнитов.

Данная министатья посвящена проблемам размагничивания постоянных магнитов, работающих в составе электромеханических устройствах и подверженных сильным размагничивающим магнитным полям и критическим температурам. В частном случае данная проблематика касается проектирования и эксплуатации синхронных сервоприводов с возбуждением от постоянных магнитов.

Работа в составе инерционного объекта управления, неидеальная схема управления, температурные режимы приводят к падение ЭДС при частичном размагничивании постоянных магнитов. Схема управления позволяет регулировать угловую скорость, положение ротора и момент в широком диапазоне регулирования. Электродвигатель часто находится в режиме разгона и торможения, учитывая наличие инерционной нагрузки, можно сказать о наличии магнитного поля статора высокой амплитуды во время переходных процессов. Данные условия приводят к безвозвратному размагничиванию NeFeBr магнитов ротора, которые с увеличением температуры ведут себя крайне нелинейно.

К проблеме размагничивания магнитов возможно подойти поэтапно для интересующего режима работы.

• Задаться кривой размагничивания магнитов для 20град. Определение объемного тепловыделения элементов мотора вследствие наличия, динамически изменяющихся, магнитных полей и токов высокой амплитуды. Необходимо оценить потери в статоре, роторе, магнитах, меди, бандаже на гистерезис, вихревые токи, джоулевы потери.
• Ориентировочно оценить установившуюся температуру с учетом конвекции, радиации и рессеяния тепла.
• Произвести пересчёт магнитной задачи, перестроив кривую размагничивания, для определенной температуры.
• Определение наихудшей рабочей точки (линии возврата) магнитов.

 Современные математические пакеты ANSYS позволяют проверить правильность расчётов еще на этапе разработки. 

ANSYS Maxwell 2D/3D инструмент конечноэлементного анализа магнитных полей.

ANSYS Simplorer инструмент моделирования сложнейших схем управления, идеально подходит для управления двигателем, созданным в ANSYS Maxwell.

Выход на тепловую задачу реализуется посредством решения связанной электромагнитной-тепловой задачи, используя ANSYS Thermal, ANSYS Fluent.

Отыскание линии нагрузки, коэфициента проницаемости формы, рабочей точки нелинейного магнита в составе магнитной системы - типичные задачи для программного комплекса. Сделаем шаг в сторону и на простом примере посмотри, какую полезную информацию может дать нам виртуальное моделирование. В плоской постановке рассмотрим магнитную систему с постоянным магнитом, на которую намотан соленоид, генерирующий размагничивающее поле. 

Для простоты примера все предложенные результаты приведены для точки, лежащей по центру, внутри магнита. 

В качестве материала магнитов была выбрана марка магнитов N52 и использовалась кривая BH соответствующая 20 градусам. Выбранный магнит характеризуется высокими энергетическими показателями, однако в сильных полях отсутствует запас по стабильности.

Представленная диаграмма составлена по результатам серии расчётов в магнитостатике. Синим и голубым цветом отмечены кривые размагничивания по индукции и намагниченности (исходные данные). Как видно из значений коэрцитивной силы по намагниченности и индукции, запаса по размагничиванию полем данный магнит не имеет. Однократное превышение колена верхнего графика линией нагрузки (определена в Maxwell в магнитной системе при отсутствия внешнего поля, зеленый цвет) приведет к безвозвратному размагничиванию. Красный график характеризует рабочие точки магнита при увеличении намагничивающего тока в соленоиде. Рыжий график характеризует состояние магнита после размагничивания, при отсутствия внешнего поля. Через соответствующие точки красного и рыжего графика возможно провести линию возврата и в дальнейших расчётах работать с эквивалентным линейным магнитом. Так же, по рыжему графику, наглядно видно, как критична величина внешнего поля, как резко проседает остаточная индукция и, следовательно, КПД устройства.   

Следующий пример показывает в динамике, как ведет себя рабочая точка магнита при, гармонически изменяющемся, внешнем поле в, приведенной выше, магнитнои системе. Фатически такой метод применяли для стабилизации магнитов марки AlNiKo.

Далее вернемся к синхронному двигателю. Рассмотрим переходный процесс включения двигателя до выхода но номинальные обороты. Используется материал постоянных магнитов , как и в предыдущей задаче при 20 градусах. Используется схема управления с реализацией обратной связи по положению ротора.

Моментные характеристики включения двигателя.

Данный процесс приводит к размагничиванию данного типа магнитов, хотя кривая размагничивания задана при 20 градусах. При динамически изменяющемся магнитном поле определена наихудшая рабочая точка. Далее представлена картина поля в магните до включения двигателя.

Произвольно выбран момент времени и показано состояние магнитов. На диаграмме, амплитуда вектора магнитной индукции до включения и в упомянутый момент времени вдоль линии в центре магнитов.

Состояние магнитов при номинальной скорости.

Приведенная последовательность действий создаёт общую картину состояния магнитной системы после критических условий. Допустим мы знаем на сколько процентов размагнитился магнит, функция заморозки состояния магнитов может быть полезна, чтобы оценить, к примеру, работу данного двигателя в режиме генератора. Предлагаю сравнить выходное напряжение в работе на нагрузку 1КОм в режиме генератора до и после частичного размагничивания.

Данные примеры довольно абстрактны, но подобные картины имеют место в практике и важно найти решения проблемы еще на стадии разработки электромеханических устройств, наиболее подходящими, с точки зрения функционала и удобства использования, являются вышеперечисленные программные решения ANSYS, позволяющие производить виртуальное прототипирование прямо на рабочем столе.

Желаю успехов.

Клявлин Алексей