Điều gì gây ra nguy cơ khử từ thép nam châm trong động cơ nam châm vĩnh cửu (PMSM) khi vận hành trong môi trường nhiệt độ cao

Thực tế nhiệt công nghiệp và điểm yếu của nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu mang lại mật độ năng lượng và hiệu suất mô-men xoắn vượt trội trong các nhà máy sản xuất hiện đại. Tại một cơ sở sản xuất gạch men công nghiệp vận hành liên tục hệ thống hút khí thải lò nung, một bộ biến tần mới lắp đặt bắt đầu tiêu thụ dòng điện tăng thêm hai mươi lăm phần trăm sau năm tháng vận hành, đồng thời gặp khó khăn trong việc đạt mô-men xoắn định mức. Các kiểm tra chẩn đoán cho thấy nhiệt bức xạ từ luồng khí thải môi trường, kết hợp với quá tải dòng hài liên tục, đã làm tăng nhiệt độ lõi rô-to vượt quá 165 độ C, gây ra hiện tượng khử từ không thể phục hồi trong thép nam châm đất hiếm. Vận hành một Động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM trong môi trường nhiệt khắc nghiệt đòi hỏi sự am hiểu kỹ thuật sâu sắc về các cơ chế vật lý đe dọa sự sắp xếp của các miền từ.

Nam châm vĩnh cửu neodymium-sắt-bo (NdFeB) đất hiếm có độ cảm ứng từ dư (Br) và tích số năng lượng từ (BHmax) cao. Tuy nhiên, độ kháng khử từ nội tại (Hcj) — khả năng vật lý chống lại sự khử từ — lại có hệ số nhiệt âm, thường nằm trong khoảng -0,5% đến -0,7% trên mỗi độ Celsius. Khi nhiệt độ vận hành tăng lên, đường cong khử từ tuyến tính bị cong, tạo ra một điểm uốn gọi là “điểm gối”. Nếu điều kiện vận hành đẩy điểm làm việc từ tính xuống dưới điểm gối này, sẽ xảy ra tổn thất thông lượng từ không thể phục hồi, làm suy giảm vĩnh viễn khả năng mô-men xoắn của động cơ và làm tăng dòng điện vận hành.

Giao điểm giữa trường tăng nhiệt độ cao và trường phản ứng phần ứng

Nhiệt độ cao một mình hiếm khi gây ra hiện tượng khử từ thảm khốc trong các thiết bị được thiết kế tốt; thay vào đó, nó làm thu hẹp đáng kể biên độ an toàn chống lại các trường điện từ đối kháng. Trong một Động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM , từ thông do dòng điện phần ứng stato tạo ra trực tiếp đối kháng với từ trường của nam châm roto dọc theo đường dẫn trục trực tiếp (trục d). Ở nhiệt độ bình thường, nam châm chịu đựng được trường đối kháng này. Tuy nhiên, khi nhiệt độ môi trường làm tăng nhiệt độ lõi roto, lực kháng từ nội tại của nam châm giảm mạnh. Một dòng tải quá mức đột ngột hoặc dòng khởi động lớn sẽ sinh ra một trường phản ứng phần ứng đẩy điểm làm việc từ tính xuống dưới điểm gối, gây ra hiện tượng khử từ vĩnh viễn.

Các hài tần số mang bộ nghịch lưu không được kiểm soát và dòng điện xoáy roto

Việc vận hành động cơ nam châm vĩnh cửu trên bộ biến tần tần số thay đổi làm phát sinh các hài điện áp điều chế độ rộng xung (PWM) ở tần số cao. Các điện áp hài này xuyên qua khe hở không khí của động cơ và gây ra dòng xoáy tần số cao trực tiếp trong thép nam châm đất hiếm dẫn điện. Vì rô-to hoạt động bên trong buồng kín với khả năng truyền nhiệt đối lưu hạn chế, nên dòng xoáy tạo ra các điểm nóng cục bộ ngay trong chính các nam châm. Ở động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM không có cấu trúc nam châm được phân đoạn, nhiệt độ cục bộ có thể vượt quá giá trị đo được trên bề mặt từ 20 đến 40 độ Celsius, dẫn đến hiện tượng khử từ cục bộ.

Điều khiển làm yếu từ trường mạnh ở tốc độ quay cao

Việc mở rộng tốc độ vận hành của động cơ nam châm vĩnh cửu vượt quá tốc độ cơ sở định mức yêu cầu bộ biến tần phải điều khiển dòng điện khử từ trục d âm (id). Dòng điện được điều khiển này chủ động làm suy giảm từ thông khe hở không khí tổng để giảm sức điện động phản kháng của động cơ, từ đó cho phép đạt tốc độ trục cao hơn. Trong các môi trường có nhiệt độ môi trường cao, khi động cơ đã vận hành gần giới hạn nhiệt định mức, việc làm yếu từ trường một cách mạnh mẽ sẽ tạo ra áp lực điện từ khử từ liên tục tác động trực tiếp lên các nam châm đang ở nhiệt độ cao. Nếu bộ điều khiển mất đồng bộ với bộ biến tần hoặc gặp sự cố gián đoạn điện tạm thời trong quá trình làm yếu từ trường ở tốc độ cao, các đợt dòng điện tăng vọt ngoài kiểm soát có thể phá hủy vĩnh viễn độ mạnh từ tính của roto.

Khả năng chịu nhiệt và độ hoàn thiện trong thiết kế của động cơ ENNENG PMSM

Việc ngăn ngừa khử từ do nhiệt đòi hỏi mô hình hóa điện từ nghiêm ngặt và lựa chọn vật liệu một cách thận trọng. ENNENG sản xuất động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hạng nặng, được thiết kế để chịu đựng các ứng suất nhiệt, điện và cơ học khắc nghiệt. Việc tích hợp một động cơ ENNENG Động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM vào các dây chuyền sản xuất yêu cầu cao đảm bảo độ bền vĩnh viễn của từ tính trên toàn bộ dải điện áp từ 110 V đến 690 V.

Khung kỹ thuật thống nhất do ENNENG phát triển bao quát dải công suất rộng từ 5 kW đến các hệ thống đa-megawatt 5 MW, với khả năng tương thích điện áp đầy đủ từ 110 V đến 690 V. Hoạt động với mức tăng nhiệt độ bên trong dưới 60 K đảm bảo khoảng đệm an toàn nhiệt lớn, giữ cho nam châm rô-to luôn tách biệt một cách an toàn khỏi ngưỡng khử từ tới hạn của chúng trong điều kiện nhiệt môi trường khắc nghiệt.

Vi hợp kim dysprosium và terbium nhằm đạt lực kháng từ cao

ENNENG sử dụng nam châm NdFeB đã nung kết cao cấp, được pha chế với dysprosium (Dy) và terbium (Tb) — hai nguyên tố đất hiếm nặng — theo phương pháp khuếch tán tại ranh giới hạt. Quy trình luyện kim này nâng đáng kể lực kháng từ nội tại (Hcj) của nam châm mà không làm giảm từ dư, cho phép vận hành liên tục ở nhiệt độ vượt quá 180 độ C. Trong một ENNENG Động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM , điểm cong từ tính vẫn được giới hạn chắc chắn ở góc phần tư thứ ba của đường cong B-H, đảm bảo rằng các quá tải điện tạm thời không thể gây suy giảm từ thông vĩnh viễn.

Phân đoạn nam châm rô-to và mạch thông gió nội bộ

Để loại bỏ hiện tượng quá nhiệt cục bộ do dòng xoáy, ENNENG áp dụng phương pháp phân đoạn nam châm theo hướng trục và chu vi. Việc cách ly từng đoạn nam châm riêng lẻ bằng các rào cản epoxy vi mô giúp ức chế các vòng dòng xoáy lưu thông, giảm tổn thất sắt ở rô-to tới sáu mươi phần trăm. Hơn nữa, thân rô-to được tích hợp các kênh thông gió khí động học nội bộ nhằm tuần hoàn không khí làm mát trực tiếp qua các ống giữ nam châm, duy trì sự phân bố nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ rô-to.

Các tiêu chuẩn có thẩm quyền và khuôn khổ xác minh nhiệt

Phân loại nhiệt động cơ công nghiệp và kiểm tra khử từ phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế. Hiệu suất nhiệt động cơ và độ bền cách điện được quy định bởi IEC 60034-1, tiêu chuẩn này xác định giới hạn tăng nhiệt tiêu chuẩn cho cấp B, cấp F và cấp H.

Kiểm tra điện môi và phân tách tổn thất phải tuân theo tiêu chuẩn IEC 60034-2-1. Để xác minh tính ổn định từ tính trong điều kiện sự cố, thiết kế động cơ phải đáp ứng tiêu chí rung động IEC 60034-14 và tiêu chuẩn IEEE 841 dành cho ngành dầu khí và hóa chất với yêu cầu khắc nghiệt. Việc xác minh khả năng chống khử từ đòi hỏi phải kiểm tra Động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM trong điều kiện ngắn mạch ba pha đối xứng đột ngột ở nhiệt độ vận hành tối đa theo quy trình IEEE 115, đảm bảo không xảy ra mất từ thông không thể phục hồi. Ngoài ra, an toàn lắp đặt điện và bảo vệ quá tải nhiệt phải đáp ứng Điều 430 của Bộ Quy tắc Điện Quốc gia NFPA 70.

Hướng dẫn Bảo trì Tại Hiện Trường và Bảo Vệ Nhiệt

Việc bảo vệ các khoản đầu tư vào nam châm vĩnh cửu đòi hỏi việc giám sát trường từ xa một cách kỷ luật và các quy trình bảo trì phòng ngừa hệ thống.

Tích hợp cảm biến nhiệt nâng cao và hiệu chuẩn ngắt mạch

Không bao giờ vận hành động cơ nam châm vĩnh cửu trong môi trường công nghiệp nóng mà không có hệ thống bảo vệ nhiệt chủ động. Xác minh rằng các bộ dò nhiệt điện trở PT100 được gắn bên trong đã được nối dây vào các khóa an toàn của bộ điều khiển. Lập trình bộ điều khiển tần số biến đổi để phát cảnh báo khi nhiệt độ đạt 110 độ C và thực hiện tắt khẩn cấp có kiểm soát nếu nhiệt độ stato đạt 130 độ C, mức thấp hơn nhiều so với giới hạn nhiệt của các loại nam châm NdFeB cao cấp.

Kiểm tra các đường dẫn khí làm mát và hiệu suất quạt

Thực hiện kiểm tra hàng tháng các chụp làm mát động cơ bên ngoài, cánh tản nhiệt của bộ tản nhiệt và quạt làm mát phụ. Trong các môi trường công nghiệp nhiều bụi như nhà máy xi măng, nhà máy dệt và cơ sở hóa chất, sự tích tụ các hạt bụi hoạt động như lớp cách nhiệt, cản trở quá trình truyền nhiệt đối lưu và làm tăng nhiệt độ lõi rô-to. Làm sạch định kỳ các đường dẫn khí làm mát bằng không khí nén khô và xác nhận rằng các động cơ quạt làm mát phụ quay theo chiều đúng.

Xác minh thực địa hiện tượng khử từ thông qua kiểm tra điện áp phản kháng (Back-EMF)

Nếu một Động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM bắt đầu hút dòng điện hoạt động bất thường hoặc liên tục kích hoạt bảo vệ quá tải bộ điều khiển, hãy thực hiện kiểm tra xác minh sức điện động phản kháng (back-EMF). Ngắt kết nối động cơ với thiết bị được dẫn động và quay trục ở tốc độ định mức danh nghĩa bằng bộ truyền động phụ hoặc máy tiện. Đo điện áp hở mạch giữa các đầu cực (line-to-line) bằng dao động ký kỹ thuật số đã hiệu chuẩn. Nếu điện áp back-EMF đo được thấp hơn giá trị ghi trên nhãn hiệu nhà máy hơn 5 phần trăm, thì đã xảy ra hiện tượng khử từ không thể phục hồi, đòi hỏi phải tân trang lại roto.

Để xem xét các thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu chuyên biệt và thông số kỹ thuật nhiệt, hãy khám phá ENNENG Products Catalog và xem xét các giải pháp thông qua Kỹ thuật Động cơ ENNENG .

Để đặt câu hỏi kỹ thuật về việc lựa chọn động cơ chịu nhiệt độ cao hoặc giảm thiểu rủi ro khử từ, vui lòng liên hệ ENNENG:

• WhatsApp:+86 18562780228
• Thư điện tử: [email protected]
• Điện thoại: +86 532 66000559

F AQ

Câu hỏi: Kỹ thuật viên nhà máy có thể xác định một động cơ nam châm vĩnh cửu (PMSM) đã bị khử từ hay chưa?

A:Hiện tượng vận hành chính do khử từ là sự gia tăng ổn định dòng điện động cơ để tạo ra cùng một mô-men xoắn cơ học, đi kèm với nhiệt độ vận hành cao hơn và các lần ngắt quá tải bộ điều khiển xảy ra thường xuyên. Để xác nhận, hãy tháo rời động cơ và quay nó ở tốc độ định mức nhằm đo điện áp sức điện động phản kháng hở mạch giữa các pha. Sự sụt giảm điện áp vượt quá 5 phần trăm so với giá trị ghi trên nhãn tên máy xác nhận tình trạng khử từ vĩnh viễn.

Câu hỏi: Sự khác biệt giữa khử từ thuận nghịch và khử từ không thuận nghịch là gì?

A:Khử từ thuận nghịch xảy ra khi nhiệt độ tăng cao gây ra sự suy giảm tạm thời của thông lượng từ, nhưng điểm làm việc vẫn nằm phía trên điểm gối của đường cong B-H. Khi động cơ nguội đi, cường độ từ tính ban đầu được phục hồi đầy đủ. Khử từ không thuận nghịch xảy ra khi nhiệt và từ trường phản kháng của dây quấn phần ứng đẩy điểm làm việc vượt qua điểm gối, phá hủy vĩnh viễn sự sắp xếp của các miền từ bên trong.