Nárůst teploty a demagnetizace bezrámových momentových motorů

1. Kontraintuitivní fenomén: Proč je pomalejší nebezpečnější?

Pro mnoho inženýrů je intuice taková, že čím rychleji motor běží, tím se zahřívá. Ale ve světě bezrámové momentové motory , tato logika je přesně obrácená.

Bezrámový momentový motor nemá skříň, ložiska a výstupní hřídel. Jedná se v podstatě o výkonové jádro sestávající z 'holého rotoru + statoru' zabudovaného přímo do mechanické konstrukce. Je zabalen do extrémně stísněných dutin, jako jsou klouby robotů, kolaborativní robotická ramena a otočné stoly s přímým pohonem, kde jsou podmínky pro odvod tepla mnohem horší než u konvenčních motorů. A jeho nejběžnější provozní scénář – nízkorychlostní držení kloubu a výstup s vysokým kroutícím momentem – jsou přesně ty pracovní podmínky, které s největší pravděpodobností „uvaří“ magnety.

Důvod je jednoduchý: při nízkých otáčkách je zpětná EMF velmi nízká, takže měnič musí nepřetržitě vydávat velký proud, aby se udržel točivý moment. Ztráta mědi je úměrná druhé mocnině proudu a toto teplo se všechno akumuluje ve vinutí statoru, zatímco magnety na rotoru nemají téměř žádnou přímou cestu pro odvod tepla. Výsledkem je, že čím nižší rychlost, tím teplejší jsou magnety. V pětikilometrovém testu souvislou chůzí humanoidního robota naměřila teplota kloubu 80 °C, což se již přiblížilo limitu selhání většiny maziv při vysokých teplotách.

Nárůst teploty není ojedinělý problém. Současně ohrožuje izolaci vinutí (zrychlené stárnutí), mazání ložisek (snížení výkonu) a především samotné permanentní magnety. Jakmile dojde k nevratné demagnetizaci, momentová schopnost motoru se trvale sníží.

2. Dvě tváře demagnetizace: Jedna, která se 'vrátí', jedna, která se nikdy nevrátí

NdFeB (neodym železo bor) je v současnosti hlavním magnetem pro bezrámové momentové motory. Jeho Curieova teplota je asi 310–370 °C, což se zdá být daleko od provozního rozsahu motoru. Ale to, co skutečně určuje, jak dlouho lze magnet používat, není Curieova teplota, ale teplotní koeficient koercitivity – obvykle mezi -0,55 %/°C a –0,65 %/°C.

Význam tohoto koeficientu spočívá v tom, že s každým zvýšením teploty o 1 °C klesá schopnost magnetu odolávat vnějšímu demagnetizačnímu poli o 0,55 % až 0,65 %. Od 20°C do 80°C koercivita již ztratila asi 36%. Při 100°C se ztráta blíží polovině. Když koercivita klesne pod demagnetizační pole generované reakcí kotvy, je vyrovnání magnetické domény trvale poškozeno.

Demagnetizace spadá do dvou kategorií:

Reverzibilní demagnetizace  je 'falešný poplach'. Když teplota stoupá, magnetická síla klesá; když teplota klesne, obnoví se. Motor vykazuje 'vyšší proud za tepla, zotavení za studena'. Vypadá to dobře, ale ve skutečnosti se už vznáší na kritické hraně.

nevratná demagnetizace .  Skutečným problémem je Když teplota překročí to, co magnet vydrží, nebo když je při vysoké teplotě superponováno dostatečně silné reverzní magnetické pole, část zarovnání magnetické domény je trvale poškozena a magnetická síla se nemůže plně zotavit ani poté, co se teplota vrátí k normálu.

Nevratná demagnetizace má také tvary 'částečné' a 'celkové'. Částečná demagnetizace často začíná v rozích magnetu – vířivé proudy se soustřeďují v rozích, kde je nejdříve porušena kritická teplota. Projevuje se jako 3%–5% pokles zpětné EMF konstanty KE; při stejné rychlosti je potřeba vyšší proud pro udržení točivého momentu, teplota dále stoupá a vytváří se začarovaný kruh. Celková demagnetizace je důsledkem dlouhodobého překročení teploty celého stroje 120°C s poklesem KE o více než 10%. Motor musí 'přidat 10% plyn', aby provedl stejnou práci a vstoupil do 'tepelně-magnetické' spirály smrti s pozitivní zpětnou vazbou.

U běžně používaných magnetů NdFeB je kritická teplota pro nevratnou demagnetizaci obvykle mezi 80 °C a 150 °C, v závislosti na jakosti magnetu. Vysokoteplotní třídy mohou posunout prahovou hodnotu blízko 150 °C nebo dokonce výše, ale cena je kompromisem mezi magnetickým výkonem a cenou.

3. Odkud teplo pochází a kde se zachycuje?

Zdroje tepla bezrámových momentových motorů jsou složitější než u konvenčních motorů a lze je zhruba seskupit do čtyř kategorií:

Ztráta mědi  je nejzákladnější. Ztráta I⊃2;R generovaná odporem vinutí pod trvalým proudem je úměrná druhé mocnině proudu. Problém je v tom, že ve snaze o vysokou hustotu točivého momentu bezrámové motory často používají konstrukce s vysokým faktorem plnění štěrbiny a tenkým drátem, takže samotný odpor vinutí je relativně velký. I malý proud produkuje značné základní teplo a vytváří kladnou zpětnovazební smyčku 'zahřívání → zvýšení odporu → větší zahřívání.'

Ztráta železa  je zvláště výrazná u konstrukcí s vysokým počtem pólů. Běžně používané 16–32 pólové konstrukce v bezrámových momentových motorech způsobují, že střídavá frekvence magnetického pole je mnohem vyšší než u běžných servomotorů. I při nízkých otáčkách a bez zatížení jsou hystereze a ztráty vířivými proudy v železném jádru již značné.

Ztráta vířivých proudů rotoru  je snadno přehlédnutelný skrytý zdroj tepla. Efekt statoru a harmonické nosné PWM indukují vířivé proudy na povrchu magnetů rotoru. Toto teplo je generováno přímo uvnitř magnetů a nemá téměř žádnou cestu k vedení ven.

Dodatečné ztráty způsobené strategií řízení  jsou nejskrytější kategorií. Chyba orientace pole FOC, nepřetržitá aktivace vysokofrekvenčního injekce s nulovou rychlostí a nepřetržité korekční proudy způsobené nesprávnými parametry PID – tyto 'neviditelné proudy' nepřetržitě generují ztráty mědi i za podmínek bez zátěže, což je hlavní příčina mnoha inženýrů, kteří zjistili, že 'je také horká bez zátěže'

Po superponování těchto čtyř tepelných drah je skutečná teplota magnetu obvykle o 8–12 °C vyšší než teplota povrchu pouzdra. Když infračerveným teploměrem odečtete na povrchu pouzdra 70 °C, magnety se mohly dostat na červenou čáru 80 °C.

4. Tři pevné linie ve výběru

Jakmile pochopíme mechanismus zvyšování teploty, logika výběru se vyjasní. Výběr teploty pro bezrámové momentové motory lze shrnout do tří pevných linií, které odpovídají třem různým úrovním cílů ochrany.

První řádek: sklon magnetu určuje 'spodní řádek'

Magnety NdFeB jsou rozděleny do několika úrovní podle vnitřní koercitivity, přičemž teplotní odolnost se postupně zvyšuje:

Řada N je standardní třída vhodná pro aplikace při pokojové teplotě s teplotní odolností cca 80°C. Řada H odolává 120 °C, řada SH 150 °C a řada UH 180 °C. Od N do UH se přidávají těžké prvky vzácných zemin Dy a Tb, aby se zlepšil teplotní koeficient koercitivity, ale náklady také rostou 1,5 až 3krát.

Pro typické aplikace bezrámových momentových motorů – klouby robotů a kolaborativní robotická ramena – je doporučeným výchozím bodem třída SH nebo vyšší . Důvodem je, že bezrámové motory mají ze své podstaty drsné podmínky pro odvod tepla a 'skrytý rozdíl' mezi provozní teplotou magnetu a teplotou pouzdra může dosáhnout 15 °C. Řada N může na papíře vypadat dostatečně, ale ve skutečném provozu může snadno překročit hranici. První generace motoru s kolenním kloubem humanoidního robota například neověřila demagnetizaci za podmínek pádu. Po opakovaných pádech utrpěly magnety nevratnou demagnetizaci a výstupní točivý moment trvale poklesl o více než 15 %.

Druhý řádek: třída izolace určuje 'strop'

Třída izolace vinutí je dalším teplotním omezením a často dosáhne svého limitu dříve než magnety. Izolace třídy F má jmenovitou teplotu 155 °C, což je v současnosti hlavní konfigurace pro bezrámové momentové motory. Izolace třídy B (130°C) se objevuje u některých cenově citlivých nebo extrémně prostorově omezených výrobků.

Mezi teplotou magnetu a teplotou vinutí existuje tepelná vazba: teplo vinutí je vedeno přes jádro statoru k rotoru a nakonec ovlivňuje magnety. Proto limit 155°C izolace vinutí ve skutečnosti nastavuje nepřímý strop také pro teplotu magnetu. Technická ověřovací logika spočívá v tom, že v teplotně ustáleném stavu nesmí teplota vinutí překročit limit třídy izolace, zatímco teplota magnetu nesmí překročit jeho kritickou teplotu pro demagnetizaci – ta se obvykle stává úzkým hrdlem dříve.

V průmyslové praxi je maximální trvalá provozní teplota magnetů NdFeB třídy SH obvykle nastavena na 120 °C. Nad touto hodnotou se motor začne dostávat do oblasti rizika demagnetizace.

Třetí řádek: proudový limit určuje 'dynamickou hranici'

Kromě ustálené teploty existuje další dynamický faktor, který je často přehlížen:  riziko demagnetizace při špičkovém proudu.

Momentové motory mají špičkový točivý moment a moment zastavení. Špičkový točivý moment je počáteční točivý moment na krátkou dobu, obvykle trvající pouze 10–15 sekund; pádový moment je hodnota, která může být vydávána nepřetržitě. Když je špičkový proud příliš velký, demagnetizační pole generované reakcí kotvy může přímo spustit nevratnou demagnetizaci za podmínek vysoké teploty.

Maximální proud momentového motoru s přímým pohonem omezený demagnetizací permanentním magnetem je jeho 'mezním bodem demagnetizace'. U některých produktů je po použití vysoce výkonných magnetů točivý moment omezen pouze maximálním nárůstem teploty a špičkový točivý moment lze výrazně zvýšit. Pokud je však sklon magnetu nedostatečný, demagnetizace se stane prvním spuštěným omezením.

Při výběru je nutné ověřit nejen nárůst teploty při trvalém proudu, ale také to, zda proud při zastavení a přechodném přetížení překračuje při dané teplotě mez demagnetizace magnetu. Tato mez je obvykle dána demagnetizační křivkou dodavatele magnetu a musí být stanovena v kombinaci s výpočty reakce kotvy v konstrukci motoru.

5. Technické přístupy k chlazení

Podstatou regulace nárůstu teploty je vytvoření rovnováhy mezi tvorbou tepla a odvodem tepla. U bezrámových momentových motorů existuje několik vyspělých technických cest.

Zalévání  je v současnosti nejběžnějším prostředkem pro zlepšení odvodu tepla. TQ Robodrive využívá technologii zapouzdření a zalévání do epoxidu a společnost Kinco byla průkopníkem bezrámového procesu zalévání. Základní logikou obou je vyplnit vnitřní mezery motoru zalévacím materiálem s vysokou tepelnou vodivostí, aby se teplo vinutí rychleji odvádělo do jádra statoru a montážní příruby. Tepelná vodivost zalévacího materiálu může dosáhnout 1,4–1,6 W/mK, mnohem vyšší než u vzduchu.

Vodní chladicí kanály  jsou vhodné pro kompaktní spoje a další scénáře s vysokou hustotou tepelného toku. Do pouzdra nebo pouzdra statoru jsou vyříznuty spirálové kanály, kterými prochází chladicí kapalina, která může přímo snížit nárůst teploty o 40–60 °C. Nákladem je zvýšená složitost systému a požadavky na těsnění.

Optimalizace strategie řízení  je cesta s nulovými náklady na hardware. Rekalibrace nulového bodu magnetického pólu, optimalizace parametrů PID, řízení vysokofrekvenčního vstřikování s nulovou rychlostí a povolení řízení minimálního proudu může snížit statický přídržný proud o 50 %–80 % bez změny hardwaru. U systémů, které již mají problémy s vytápěním naprázdno, přináší optimalizace regulace často bezprostřednější výsledky než přidávání opatření pro odvod tepla.

Vestavěné teplotní senzory  jsou základem bezpečnosti. NTC (100k) a PT1000 jsou v současnosti standardní konfigurace měření teploty pro bezrámové momentové motory, které monitorují teplotu vinutí v reálném čase a spouštějí snížení výkonu nebo ochranu při přiblížení k limitu. Všimněte si však, že senzor měří teplotu vinutí, nikoli teplotu magnetu – rozdíl mezi těmito dvěma závisí na kvalitě návrhu cesty rozptylu tepla a při výběru je třeba ponechat dostatečnou bezpečnostní rezervu.

Závěr

Volba teploty pro bezrámové momentové motory je v podstatě rovnováha mezi třemi omezeními: stupeň magnetu určuje, jak vysoké teplotě můžete odolat, třída izolace definuje strop vinutí a limit proudu definuje hranici dynamických provozních podmínek. Tyto tři linky jsou vzájemně propojeny, a pokud je některá porušena, může to spustit řetězovou reakci od demagnetizace až po vyhoření.

Nejpragmatičtější přístup je:  ve fázi výběru předpokládejte nejtvrdší podmínky rozptylu tepla , posunout se o jeden stupeň magnetu, ponechat dostatečnou rezervu pro nárůst teploty a učinit ověření demagnetizace za podmínek zastavení a přetížení povinnou položkou. Koneckonců, demagnetizace je nevratná — nedá vám druhou šanci.