如何为伺服电机选择NdFeB磁体

伺服电机要求磁体提供高转矩密度、精确定位、低转子惯量、性能稳定、在反复加速和减速下运行可靠。

烧结钕铁硼磁体广泛用于交流伺服电机、永磁同步电机、机器人关节、数控设备、自动化系统和精密运动控制应用。

然而，选择伺服电动机磁体涉及的不仅仅是选择最高的NdFeB等级。工程师必须考虑:

• 所需扭矩和功率
• 最大磁铁温度
• 抗退磁性
• 转子转速
• 磁铁形状和尺寸
• 气隙设计
• 磁化方向
• 涡流损耗
• 涂层和防腐
• 装配和保持方法
• 尺寸一致性
• 生产成本和供应稳定性

正确的磁体是在实际的电、热和机械操作条件下提供稳定的电机性能的等级和几何形状。

快速回答: 您应该如何为伺服电机选择NdFeB磁体？

要为伺服电机选择NdFeB磁体:

1. 确定所需的扭矩，速度和功率。
2. 确定磁铁的最高温度，而不仅仅是电机外壳。
3. 选择足够的剩磁和内禀矫顽力。
4. 在电机的最大反向磁场下评估磁体。
5. 为转子结构选择圆弧、段、块或环几何。
6. 定义磁化方向和磁极配置。
7. 控制气隙、尺寸和转子同心度。
8. 评估工作频率下的涡流损耗。
9. 选择合适的涂层、粘合剂和机械保持力。
10. 在热、电和超速条件下验证整个转子。

N52不会自动成为伺服电机的最佳等级。在高温或大电流应用中，具有较高内禀矫顽力的牌号-例如H，SH，UH或EH-可能会提供更好的长期可靠性。

为什么在伺服电机中使用NdFeB磁体？

与许多其它永磁体材料相比，NdFeB磁体提供高的磁能密度。

它们的优点包括:

• 高剩量
• 高最大能量乘积
• 紧凑体积中的强磁场
• 高扭矩尺寸比
• 降低转子重量
• 减小电机尺寸
• 快速动态响应
• 提高功率密度
• 正确设计时的良好效率

这些特性在需要精确控制、结构紧凑以及速度或方向快速变化的伺服系统中特别有价值。

典型应用包括:

• 工业机器人
• 协作机器人
• 数控机床
• 自动化生产设备
• 包装机
• 半导体设备
• 精密定位系统
• 医疗设备
• 纺织机械
• Agv和amr
• 高速主轴
• 智能运动控制系统

最重要的选择因素

1.启动电机性能要求

在选择磁铁等级之前，请定义电机的操作目标。

重要参数包括:

• 额定扭矩
• 峰值扭矩
• 额定转速
• 最大速度
• 连续功率
• 峰值电流
• 过载持续时间
• 工作电压
• 占空比
• 要求的效率
• 转矩脉动限制
• 转子惯量目标
• 预期使用寿命

在中等转矩下连续运行的伺服电机具有与在快速加速期间反复提供高峰值电流的电机不同的磁性要求。

峰值电流产生更强的电枢反应场。如果磁体不具有足够的矫顽力，则该相反的场可能引起部分不可逆的退磁。

因此，应在连续和最坏情况下的瞬态条件下对磁体进行评估。

2.不要单独通过BHmax选择等级

钕铁硼牌号通常由以下名称标识:

• N35
• N42
• N48
• N50
• N52
• N42H
• N48H
• N42SH
• N38UH
• N35EH

数字与材料的最大能量乘积有关，而字母如H，SH，UH和EH表示逐渐提高的矫顽力和温度能力。

更高的数值等级可以在室温下提供更大的磁输出，但是它不一定提供对热或退磁的最佳抗性。

伺服电机的选择应比较:

• 剩量，Br
• 矫顽力，Hcb
• 内禀矫顽力，Hcj
• 最大能量乘积，BHmax
• 可逆温度系数
• 实际温度下的退磁曲线
• 预期不可逆通量损失

对于要求苛刻的电动机，最高工作温度下的退磁曲线比单独的室温等级名称更有用。

3.选择正确的温度等级

伺服电动机磁体周围的温度可以高于在壳体外部测量的温度。

热量可能来自:

• 定子铜损
• 铁损
• 转子涡流损耗
• 轴承
• 环境温度高
• 反复加速
• 过载操作
• 有限通风
• 相邻制动或驱动部件

常见的钕铁硼温度课程通常大致描述如下:

这些值是一般材料类别参考，不能保证每个磁体的工作极限。

实际温度能力还取决于:

• 磁铁厚度
• 长度与厚度之比
• 磁路负载线
• 对立领域
• 气隙
• 总成结构
• 冷却条件
• 要求的不可逆损失极限

等级应通过磁路分析和在最高磁体温度下的测试来确认。

4.优先考虑抗退磁

在下列情况下，伺服电机可能会将磁体暴露在强的反向磁场中:

• 峰值电流操作
• 电机失速
• 快速加速
• 短路条件
• 弱磁操作
• 高温过载
• 控制器故障

固有矫顽力不足可能导致:

• 永久磁通损失
• 降低扭矩
• 增加电流需求
• 电杆强度不均匀
• 转矩脉动
• 较高的温度
• 失去控制精度

电机在部分退磁后可能会继续运行，但其性能和效率可能会下降。

工程团队应分析磁体在最坏情况下的温度和退磁场下的工作点。

5.选择正确的磁铁形状

常见的伺服电机磁铁形状包括:

弧形磁铁

电弧磁体广泛用于圆柱形转子中。

优点包括:

• 转子周围的良好配合
• 有效利用径向空间
• 合适的气隙磁通分布
• 柔性极弧设计

重要参数包括内半径、外半径、弧角、轴向长度、厚度和磁化方向。

矩形或块状磁铁

块状磁体可用于分段表面安装或嵌入式转子结构中。

优点包括:

• 更简单的磁铁制造
• 灵活的细分
• 可能降低工具复杂性
• 更容易的原型设计

转子或套筒必须准确定位每个块。

环形磁铁

单件式或多极环形磁体可以支持紧凑的转子设计并且减少单独的组装步骤。

然而，大型高性能烧结NdFeB环可能更难以制造、磁化和尺寸控制。

内部永磁段

内置式永磁电机将磁体放置在转子槽内。

这种结构可以提供:

• 强大的机械保持力
• 磁阻转矩
• 改进的高速能力
• 更大的弱磁灵活性

它还需要仔细控制桥的厚度、漏通量和局部退磁风险。

6.定义磁化方向

磁化方向必须与转子的磁路相匹配。

可能的方向包括:

• 径向磁化
• 径向磁化
• 平行或贯穿厚度磁化
• 多极磁化
• 自定义角度磁化

对于弧形磁体，不能仅从其形状来假定磁化方向。

图纸应清楚显示:

• 北极和南极
• 磁化方向
• 极点序列
• 转子安装方向
• 参考基准
• 可接受的极角偏差

不正确的磁化可能会降低扭矩，增加齿槽效应，或使转子无法正确组装。

7.优化极弧和磁铁分割

极弧比和分割会影响:

• 平均扭矩
• 齿槽转矩
• 转矩脉动
• 反电动势波形
• 谐波含量
• 涡流损耗
• 转子装配成本

分割大磁体可以帮助减少磁体涡流，特别是在高速电机或具有高电气频率的电机中。

可能的解决方案包括:

• 轴向分割
• 圆周分割
• 绝缘磁体段
• 偏斜磁体布置
• 优化极弧
• 修改后的磁铁边缘

更多的区段可以减少某些损失，但是增加了组装复杂性、尺寸变化和生产成本。

电磁仿真应确定分段是否为预期电机提供足够的性能优势。

8.控制气隙和尺寸公差

气隙对伺服电机的性能有重要影响。

更小且更一致的气隙可以支持:

• 更高的气隙磁通密度
• 更大的扭矩潜力
• 更好的电机效率
• 更可预测的控制

但是，过小的间隙可能会增加机械接触的风险，因为:

• 转子偏心
• 轴跳动
• 轴承公差
• 热膨胀
• 磁铁厚度变化
• 粘合剂变化
• 套筒厚度
• 装配错误

重要的磁铁尺寸可能包括:

• 径向厚度
• 圆弧角
• 内半径和外半径
• 轴向长度
• 弦长
• 平整度
• 并行性
• 轮廓公差
• 位置公差

对于高速伺服电机，磁体尺寸的严格控制还支持转子平衡并减少振动。

9.评估涡流损耗

虽然NdFeB磁体是永磁体，但是它们是导电的。时变磁场可以在它们内部感应涡流。

涡流损耗可能会随着以下情况而增加:

• 电机转速
• 电气频率
• 谐波含量
• 开槽效果
• PWM开关
• 磁铁体积
• 导电表面层

可能的后果包括:

• 磁铁加热
• 电机效率较低
• 较高的退磁风险
• 胶粘剂降解
• 热膨胀

涡流损耗有时可以通过磁体分段、分段之间的电绝缘、优化的定子设计或调整的控制策略来减少。

高速电机应在电磁和热仿真过程中评估此损耗。

10.选择合适的涂层

烧结的NdFeB含有铁，并且当暴露于湿气或侵蚀性环境时会腐蚀。

常见的保护系统包括:

• 镍-铜-镍
• 锌
• 环氧树脂
• 镍加环氧树脂
• 磷酸盐
• 铝基涂料
• 聚对二甲苯
• 定制涂料

涂层的选择取决于:

• 湿度
• 冷凝
• 盐暴露
• 冷却液或机油暴露
• 粘合剂相容性
• 工作温度
• 电气绝缘
• 尺寸公差
• 产品寿命

对于电机应用，还必须在磁体边缘和角落处保持涂层质量，在组装过程中更容易损坏。

在恶劣的环境中单独涂覆可能是不够的。还可能需要密封、封装或转子包复成型。

11.设计可靠的保留系统

旋转伺服电机中的磁体经历离心力、振动、热循环和电磁力。

可能的保留方法包括:

• 结构胶
• 不锈钢套筒
• 碳纤维绑扎
• Inconel或其他高强度套筒
• 转子槽
• 机械楔块
• 包复成型
• 封装

胶粘剂的选择应考虑:

• 抗剪强度
• 耐剥离性
• 最高温度
• 乏力
• 固化条件
• 转子材料
• 磁铁涂层
• 搭接层厚度
• 表面处理

对于高速转子，除非设计经过充分验证，否则粘合剂不应成为唯一的保持机制。

整个转子应进行机械应力分析和超速测试。

12。考虑转子平衡和高速安全

磁体重量、厚度或位置的微小差异会造成转子不平衡。

高速行驶时，不平衡可能导致:

• 振动
• 轴承磨损
• 噪声
• 定位精度降低
• 套筒应力
• 转子故障

质量控制应包括:

• 磁铁尺寸
• 单个磁铁重量
• 装配位置
• 胶粘剂数量
• 转子跳动
• 动态平衡
• 保持完整性

关键的高速应用也可能需要对套筒、粘合剂或转子结构进行无损检查。

13.指定磁一致性

伺服系统依赖于准确和可重复的扭矩输出。

磁铁性能的变化会导致:

• 磁极磁通不均匀
• 反电动势变化
• 转矩脉动
• 电流不平衡
• 控制-校准难度
• 电机与电机不一致

买方应定义以下方面的验收要求:

• 表面磁通密度
• 磁矩
• 磁通或磁链
• Br和Hcj
• 极角精度
• 极性
• 温度性能
• 批次一致性

必须就检查方法达成一致，因为磁测量取决于夹具、距离和测试设备。

14.比较总成本，而不仅仅是磁铁价格

价格最低的磁铁可能会增加电机总成本，如果它导致:

• 低扭矩
• 更高的电流
• 效率差
• 温度过高
• 退磁
• 转子不平衡
• 高拒绝率
• 装配困难
• 现场故障
• 电机重新设计

更好的比较包括:

最合适的磁体是以可接受的总成本提供可重复的电机性能的磁体。

按应用推荐的选择

此表提供了选择优先级，而不是最终成绩建议。必须评估完整的磁路和工作条件。

要包含在您的RFQ中的信息

请求自定义伺服电机磁铁时，请提供以下信息:

• 电机类型
• 表面安装或内置式磁铁转子
• 额定扭矩和峰值扭矩
• 额定和最大速度
• 额定电流和峰值电流
• 最大磁铁温度
• 占空比
• 极数
• 每个转子的磁铁数量
• 磁铁形状和尺寸
• 磁化方向
• 气隙尺寸
• 转子和定子图纸
• 涂层要求
• 粘合剂或保留方法
• 尺寸公差
• 余额要求
• 样品数量
• 年度需求
• 要求的检验报告
• 目标生产日期

如果未选择磁铁等级，请提供电机工作条件和磁路设计。然后，磁体供应商可以推荐用于模拟和样品验证的候选等级。

伺服电机磁铁规格示例

应用程序:工业机器人伺服电机
转子类型:表面安装永磁转子
磁铁形状:烧结钕铁硼圆弧段
候选人等级:___
最大磁铁温度:___ °C
最大速度:___ rpm
峰值电流和持续时间:___ A持续 ___ 秒
尺寸:根据批准的图纸
磁化方向:径向/平行/定制
涂层:___
尺寸公差:___
磁性要求:Br ___; Hcj ___; 助焊剂 ___
保留方法:粘合剂加套管/绑带
检查:尺寸、极性、焊剂、涂层和外观
样品数量:___ 件
年度需求:___ 件

为什么使用AIM Magnet？

AIM Magnet开发用于伺服电机，高速电机，工业机器人和智能运动系统的定制NdFeB磁体和转子磁性组件。

工程支持可以包括:

• 钕铁硼牌号选择
• 高温磁铁推荐
• 弧形和段磁铁定制
• 磁化方向设计
• 配极支架
• 尺寸公差审查
• 涂层选择
• 磁体分割
• 转子总成开发
• 磁性-性能检查
• 原型和批量生产支持

电机磁铁项目应该从运行条件和转子设计开始-不仅仅是对N52弧形磁铁的要求。

向AIM Magnet发送您的转子图纸，最大磁铁温度，速度，峰值电流，磁极配置和工程审查的年度需求。

常见问题

哪个NdFeB等级最适合伺服电机？

没有一个最好的成绩。正确的选择取决于扭矩，气隙，磁铁尺寸，最高温度和相反的磁场。高温或大电流电动机通常需要更大的固有矫顽力，而不是最高的室温能量乘积。

N52适用于伺服电机吗？

N52可适用于在受控温度和退磁场下运行的紧凑型电机。它可能不适用于暴露于高温，磁场减弱或强峰值电流退磁的电动机。

N，H，SH和UH磁铁有什么区别？

这些字母通常代表不同的矫顽力和温度类别。H、SH和UH等级的抗高温退磁能力逐渐增强，但必须从供应商的数据表和退磁曲线中确认确切的性能。

弧形磁铁比块状磁铁好吗？

弧形磁体配合圆柱形转子并且可以提供合适的气隙场，而块状磁体可以简化制造和分割。更好的选择取决于转子设计，成本和电磁性能。

为什么伺服电机磁铁是分段的？

分段可以减少磁体涡流损耗并提供设计灵活性。它还可能增加装配复杂性，因此应通过仿真确认其值。

推荐什么涂层？

镍-铜-镍和环氧树脂是常见的选择。正确的涂层取决于腐蚀暴露、温度、粘合剂、绝缘要求和尺寸公差。

粘合剂可以单独固定高速电机磁铁吗？

在某些经过验证的设计中可能就足够了，但是高速转子通常需要额外的套筒，绑扎，狭槽或机械保持系统。

如何防止永久退磁？

选择足够的固有矫顽力，分析磁体的负载线，控制温度，避免过多的反向磁场，并在峰值电流和故障条件下验证电机。

批量生产前应完成哪些测试？

推荐的验证包括尺寸检查、磁性能测试、极性验证、涂层检查、热循环、峰值电流测试、超速测试、动平衡和完整的电机性能测试。

结论

选择用于伺服电机的NdFeB磁体需要的不仅仅是选择最强的可用材料。

一个可靠的选择过程应该评估:

• 扭矩和速度
• 最大磁铁温度
• 内禀矫顽力
• 退磁曲线
• 磁铁几何形状
• 电杆排列
• 气隙公差
• 涡流损耗
• 涂层
• 粘合剂和机械保持力
• 转子平衡
• 批次一致性

正确的磁铁应在电动机的实际热，电和高速运行条件下保持稳定的磁通，转矩和机械完整性。

在批量生产之前，原型评估，电磁仿真，热分析和完整的转子测试至关重要。