'قاتل درجات الحرارة العالية' لمحركات عزم الدوران بدون إطار: ما مدى خطورة خطر إزالة مغنطة المغناطيس؟

في سيناريوهات التحكم في الحركة عالية الأداء مثل مفاصل الروبوت، والأذرع الآلية التعاونية، والطاولات الدوارة ذات الدفع المباشر، محركات عزم الدوران بدون إطار شائعة بشكل متزايد. أصبحت لا تحتوي على مبيت أو محامل - وهي في الأساس قلب طاقة 'الدوار العاري + الجزء الثابت' الذي تم دمجه مباشرة في الهيكل الميكانيكي، مما يوفر كثافة عزم دوران عالية، وصلابة عالية، وبصمة مدمجة.

ومع ذلك، يتجاهل العديد من المهندسين المخاطر المحتملة أثناء الاختيار والاستخدام:  إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه للمغناطيس الدائم عند درجات حرارة عالية . بمجرد حدوث إزالة المغناطيسية، يتعرض المحرك لانخفاض في عزم الدوران، وزيادة في التسخين، وقد يؤدي حتى إلى ترك المفصل بأكمله ''ضعيفًا'.'

I. ما هي المغناطيسات الموجودة في محرك عزم الدوران بدون إطار؟

محركات عزم الدوران بدون إطار هي عادةً محركات متزامنة ذات مغناطيس دائم، مع مغناطيس دائم عالي الأداء - يشار إليه عادة باسم 'المغناطيس' - مثبت على سطح الدوار أو داخله.

المادة المغناطيسية السائدة المستخدمة اليوم هي  النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) ، بسبب أدائها المغناطيسي الاستثنائي، القادرة على توليد تدفق عالي لفجوة الهواء في حجم صغير جدًا - مثالية لمحركات عزم الدوران بدون إطار والتي تتطلب كثافة عزم دوران عالية للغاية.

لكن ندفيب لديه نقطة ضعف متأصلة:  مقاومة الحرارة الضعيفة نسبيًا.

ثانيا. كيف تحدث إزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية؟

إن مغناطيسية المغناطيس الدائم ليست 'دائمة' حقًا. فعندما ترتفع درجة الحرارة إلى مستوى معين، تصبح محاذاة المجالات المغناطيسية داخل المغناطيس غير مستقرة، وتتناقص القوة المغناطيسية تدريجيًا.

تنقسم إزالة المغناطيسية إلى نوعين:

1. إزالة المغناطيسية القابلة للعكس

تتناقص القوة المغناطيسية مؤقتًا مع ارتفاع درجة الحرارة، ولكنها تتعافى عندما تنخفض درجة الحرارة. تم أخذ هذا النوع في الاعتبار بالفعل في تصميم المحرك وعادةً لا يمثل مشكلة طالما لم يتم تجاوز الحدود.

2. إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه

إذا تجاوزت درجة الحرارة الحد المسموح به للمغناطيس، أو إذا تم تطبيق مجال قوي لإزالة المغناطيسية في درجات حرارة عالية، فإن بعض المجالات المغناطيسية تتعطل بشكل دائم، ولا يمكن للمغناطيسية أن تتعافى بالكامل حتى بعد عودة درجة الحرارة إلى وضعها الطبيعي. هذه هي  عملية إزالة المغناطيسية الدائمة  التي نهتم بها كثيرًا.

بالنسبة لمغناطيس NdFeB العادي، تتراوح درجة الحرارة الحرجة لإزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه عادةً بين  80 درجة مئوية و150 درجة مئوية ، اعتمادًا على درجة المغناطيس. في محركات عزم الدوران بدون إطار، نظرًا لبنيتها المدمجة وسوء تبديد الحرارة، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة المحلية هذا النطاق بسهولة أثناء التشغيل.

ثالثا. لماذا تكون محركات عزم الدوران بدون إطار أكثر عرضة لإزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية؟

بالمقارنة مع المحركات التقليدية، تحتوي محركات عزم الدوران بدون إطار على العديد من 'مصائد درجات الحرارة العالية':

1. هيكل مدمج، مسارات تبديد الحرارة سيئة

يتم دمج المحركات بدون إطار مباشرة في الهيكل الميكانيكي، مع مساحة اتصال محدودة بين الجزء الثابت والجسم، مما يجعل استخلاص الحرارة أمرًا صعبًا. تحتوي العديد من المفاصل الآلية على مساحات مغلقة وتعتمد فقط على الحمل الحراري الطبيعي أو التوصيل الحراري البسيط، مما يتسبب في ارتفاع درجات الحرارة الداخلية.

2. كثافة عزم الدوران العالية تعني كثافة تيار عالية

لتوفير عزم دوران عالي ضمن حجم محدود، غالبًا ما تعمل محركات عزم الدوران بدون إطار بكثافة تيار عالية. تتناسب خسائر النحاس مع مربع التيار، مما يولد حرارة كبيرة.

3. ظروف التحميل الزائد المتكررة

أثناء بدء التشغيل، والتوقف في حالات الطوارئ، والحماية من الاصطدام، وسيناريوهات حمل الأحمال، يمكن أن تصل تيارات المحرك للحظات إلى 2-3 أضعاف القيمة المقدرة، مما يتسبب في ارتفاع سريع في درجة الحرارة.

4. يتعرض المغناطيس مباشرة لمصادر الحرارة القريبة

تكون مغناطيسات الجزء المتحرك على مقربة من ملفات الجزء الثابت. تشع الحرارة من الجزء الثابت ويتم توصيلها عبر فجوة الهواء إلى الجزء الدوار، وقد تقترب درجة حرارة المغناطيس من درجة حرارة الملف أو حتى تتجاوزها.

رابعا. عواقب إزالة المغناطيسية في درجات الحرارة العالية

بمجرد حدوث إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه، يظهر المحرك سلسلة من المشاكل:

•  انخفاض ثابت عزم الدوران : بالنسبة للتيار نفسه، ينخفض ​​عزم الدوران الناتج.

• انخفاض EMF الخلفي : يتغير منحنى خاصية المحرك، مما يقلل من دقة التحكم.

• يزداد التيار بشكل أكبر للحفاظ على عزم الدوران : مما يؤدي إلى مزيد من التسخين - وهي حلقة مفرغة.

• انخفاض كفاءة النظام : زيادة استهلاك الطاقة، أو تدهور عمر البطارية، أو استهلاك الطاقة بشكل عام.

• تضعف صلابة المفاصل : بالنسبة للروبوتات، تتأثر دقة تحديد المواقع وسعة التحميل.

وما يزيد الأمر سوءًا هو أن هذا التدهور تدريجي ولا رجعة فيه. قد يلاحظ المستخدمون فقط أن 'المحرك يبدو أقل قوة' مع مرور الوقت، دون أن يتمكنوا من تحديد خطأ واضح.

V. كيف يمكن تقليل مخاطر إزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية للمغناطيس؟

والخبر السار هو أنه من خلال الاختيار السليم، والتصميم، واستراتيجيات التحكم، يمكن تخفيف المخاطر بشكل كبير.

1. اختر المغناطيس ذو درجات الحرارة الأعلى

يأتي مغناطيس NdFeB في درجات حرارة مختلفة، عادةً N، M، H، SH، UH، EH، وما إلى ذلك. كلما زاد الحرف الأبجدي، زادت قدرة درجة الحرارة. على سبيل المثال:

•  سلسلة N: درجة حرارة التشغيل القصوى 80 درجة مئوية

• سلسلة H: 120 درجة مئوية

• سلسلة SH: 150 درجة مئوية

•  سلسلة UH: 180 درجة مئوية

•  سلسلة EH: 200 درجة مئوية

بالنسبة لمحركات عزم الدوران بدون إطار، خاصة في تطبيقات المفاصل الآلية، يوصى باختيار  درجة SH على الأقل أو أعلى ، وحيثما أمكن، UH أو EH.

2. انتبه إلى 'منحنى إزالة المغناطيسية' ونقطة الركبة

أثناء تصميم المحرك، يجب أن تظل نقطة تشغيل المغناطيس بعيدة تمامًا عن 'نقطة الركبة' على منحنى إزالة المغناطيسية. في ظل درجة حرارة التشغيل القصوى والحد الأقصى لتيار إزالة المغناطيسية، يجب أن يظل المغناطيس يعمل في المنطقة الآمنة. عند الاختيار، اطلب من الشركة المصنعة توفير منحنيات إزالة المغناطيسية وبيانات المحاكاة في درجات حرارة مختلفة.

3. تعزيز الإدارة الحرارية

• استخدم الشحم الحراري أو الوسادات الحرارية بين الجزء الثابت والمبيت.

• تصميم مسارات مناسبة لتبديد الحرارة، وإضافة الهواء القسري أو التبريد السائل إذا لزم الأمر.

• ضع أجهزة استشعار درجة الحرارة داخل المحرك أو بالقرب من اللفات.

• تجنب التشغيل الكامل للمحرك لفترة طويلة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

4. التحكم في مدة التيار والحمل الزائد

قم بالحد من ذروة التيار والمدة عبر محرك الأقراص لتجنب التحميل الزائد لفترة طويلة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب عزم دوران ثابتًا، فكر في تقليل تيار التثبيت أو استخدام الفرامل الميكانيكية كمساعدة.

5. تجنب الجمع بين 'المماطلة + التيار العالي'.

أثناء التوقف، يكون المجال المغناطيسي الخلفي صفرًا، ويتم تحويل كل التيار إلى حرارة - وهذا أحد السيناريوهات الأكثر خطورة لإزالة المغناطيسية. يجب أن يتجنب تصميم النظام ظروف التوقف الطويلة أو تنفيذ الحماية من المماطلة.

6. مراقبة حالة المحرك بانتظام

من خلال مراقبة المعلمات مثل ثابت EMF الخلفي، وتيار عدم التحميل، وارتفاع درجة الحرارة، يمكنك تحديد ما إذا كانت إزالة المغناطيسية قد حدثت بشكل غير مباشر. يمكن للأنظمة المتطورة أن تتضمن تقدير الحالة عبر الإنترنت القائم على النموذج.

سادسا. ملخص

تعتبر إزالة مغنطة المغناطيس عند درجة حرارة عالية في محركات عزم الدوران بدون إطار خطرًا 'غير مرئي ولكنه مميت'. إنه ليس واضحًا مثل العمود المكسور أو اللفات المحترقة، ومع ذلك فهو يسلب المحرك من عزم الدوران والدقة بشكل خفي.

بالنسبة لتطبيقات مثل الروبوتات، والطاولات الدوارة CNC، ومفاصل الدفع المباشر،  فإن إنفاق المزيد قليلاً على مغناطيسات ذات درجة حرارة عالية أثناء الاختيار، وترك هامش حراري إضافي في التصميم، وإضافة حماية إضافية من الحمل الزائد في التحكم  يمكن أن يمنع في كثير من الأحيان تدهور الأداء بشكل كبير ومشاكل ما بعد البيع على الطريق.