'Vysokoteplotní zabiják' bezrámových momentových motorů: Jak vážné je riziko demagnetizace magnetu?

Ve vysoce výkonných scénářích řízení pohybu, jako jsou klouby robotů, kolaborativní robotická ramena a otočné stoly s přímým pohonem, bezrámové momentové motory jsou stále běžnější. Nemají žádné pouzdro, žádná ložiska – v podstatě výkonové jádro „holý rotor + stator“, které je zapuštěno přímo do mechanické konstrukce, poskytuje vysokou hustotu točivého momentu, vysokou tuhost a kompaktní půdorys.

Mnoho inženýrů však při výběru a použití přehlíží potenciální riziko:  nevratnou demagnetizaci permanentních magnetů při vysokých teplotách . Jakmile dojde k demagnetizaci, motor zaznamená pokles točivého momentu, zvýšené zahřívání a může dokonce zanechat celý kloub 'slabý'.

I. Jaké jsou magnety v bezrámovém momentovém motoru?

Bezrámové momentové motory jsou typicky synchronní motory s permanentními magnety s vysoce výkonnými permanentními magnety – běžně označovanými jako „magnety“ – namontovanými na povrchu rotoru nebo uvnitř něj.

Hlavním magnetem, který se dnes používá, je  neodym-železo-bor (NdFeB) , díky svému výjimečnému magnetickému výkonu, schopnému generovat vysoký tok vzduchové mezery ve velmi malém objemu – ideální pro bezrámové momentové motory, které vyžadují extrémně vysokou hustotu točivého momentu.

Ale NdFeB má vlastní slabinu:  relativně špatnou tepelnou odolnost.

II. Jak dochází k vysokoteplotní demagnetizaci?

Magnetismus permanentních magnetů není skutečně 'permanentní'. Když teplota stoupne na určitou úroveň, zarovnání magnetických domén uvnitř magnetu se stává nestabilním a magnetická síla postupně klesá.

Demagnetizace se dělí na dva typy:

1. Reverzibilní demagnetizace

Magnetická síla dočasně klesá, když teplota stoupá, ale obnovuje se, když teplota klesá. S tímto typem se již počítá v konstrukci motoru a obvykle nepředstavuje problém, pokud nejsou překročeny limity.

2. Nevratná demagnetizace

Pokud teplota překročí toleranční limit magnetu, nebo pokud je aplikováno silné demagnetizační pole při vysokých teplotách, některé magnetické domény jsou trvale narušeny a magnetismus se nemůže plně zotavit ani poté, co se teplota vrátí k normálu. Toto je  trvalá demagnetizace,  které se nejvíce obáváme.

Pro běžné NdFeB magnety je kritická teplota pro nevratnou demagnetizaci typicky mezi  80 °C a 150 °C , v závislosti na jakosti magnetu. U bezrámových momentových motorů mohou místní teploty díky jejich kompaktní konstrukci a špatnému odvodu tepla snadno překročit tento rozsah během provozu.

III. Proč jsou bezrámové momentové motory náchylnější k vysokoteplotní demagnetizaci?

Ve srovnání s tradičními uloženými motory mají bezrámové momentové motory několik 'vysokoteplotních pastí':

1. Kompaktní konstrukce, špatné cesty pro odvod tepla

Bezrámové motory jsou zabudovány přímo do mechanické konstrukce s omezenou kontaktní plochou mezi statorem a skříní, což ztěžuje odvod tepla. Mnoho robotických kloubů má uzavřený prostor a spoléhá se pouze na přirozenou konvekci nebo jednoduché vedení tepla, což způsobuje prudký nárůst vnitřních teplot.

2. Vysoká hustota točivého momentu znamená vysokou hustotu proudu

Pro zajištění vysokého točivého momentu v omezeném objemu často pracují bezrámové momentové motory s vysokou proudovou hustotou. Ztráty mědi jsou úměrné druhé mocnině proudu a generují značné teplo.

3. Časté stavy přetížení

Během spouštění, nouzových zastavení, ochrany před kolizí a zadržování zátěže mohou proudy motoru na okamžik dosáhnout 2–3násobku jmenovité hodnoty, což způsobí rychlý nárůst teploty.

4. Magnety jsou přímo vystaveny blízkým zdrojům tepla

Magnety rotoru jsou v těsné blízkosti vinutí statoru. Teplo ze statoru je vyzařováno a vedeno přes vzduchovou mezeru k rotoru a teplota magnetu se může přiblížit nebo dokonce překročit teplotu vinutí.

IV. Důsledky vysokoteplotní demagnetizace

Jakmile dojde k nevratné demagnetizaci, motor vykazuje řadu problémů:

•  Konstanta krouticího momentu klesá : Při stejném proudu klesá výstupní krouticí moment.

• Back-EMF snižuje : Charakteristická křivka motoru se mění, což snižuje přesnost řízení.

• Proud se dále zvyšuje pro udržení točivého momentu : To vede k většímu zahřívání – začarovaný kruh.

• Účinnost systému klesá : Vyšší spotřeba energie, zhoršení životnosti baterie nebo celková spotřeba energie.

• Snižuje se tuhost kloubu : U robotů je ovlivněna přesnost polohování a nosnost.

Horší je, že tato degradace je postupná a nevratná. Uživatelé si mohou pouze všimnout, že 'motor se v průběhu času cítí méně výkonný', aniž by byli schopni identifikovat zjevnou závadu.

V. Jak snížit riziko vysokoteplotní demagnetizace magnetu?

Dobrou zprávou je, že správným výběrem, návrhem a kontrolními strategiemi lze riziko výrazně snížit.

1. Vyberte magnety s vyššími teplotními třídami

NdFeB magnety se dodávají v různých teplotních třídách, běžně N, M, H, SH, UH, EH atd. Čím dále je písmeno v abecedě, tím vyšší je teplotní schopnost. Například:

•  Řada N: maximální provozní teplota 80°C

• Řada H: 120 °C

• Řada SH: 150°C

•  Řada UH: 180°C

•  Řada EH: 200 °C

U bezrámových momentových motorů, zejména v aplikacích s robotickým kloubem, se doporučuje vybrat alespoň  třídu SH nebo vyšší , a kde je to možné, UH nebo EH.

2. Věnujte pozornost 'demagnetizační křivce' a kolennímu bodu

Během návrhu motoru by měl být pracovní bod magnetu dostatečně vzdálen od 'kolenního bodu' na demagnetizační křivce. Při maximální provozní teplotě a maximálním demagnetizačním proudu by měl magnet stále fungovat v bezpečné oblasti. Při výběru požádejte výrobce o poskytnutí demagnetizačních křivek a simulačních dat při různých teplotách.

3. Vylepšete řízení teploty

• Mezi stator a pouzdro použijte tepelnou pastu nebo tepelné podložky.

• Navrhněte správné cesty pro odvod tepla, v případě potřeby přidejte nucené chlazení vzduchem nebo kapalinou.

• Umístěte teplotní senzory do motoru nebo do blízkosti vinutí.

• Vyhněte se dlouhodobému provozu motoru při plném zatížení v prostředí s vysokou teplotou.

4. Řídicí proud a trvání přetížení

Omezte špičkový proud a dobu trvání prostřednictvím měniče, abyste předešli dlouhodobému přetížení. U aplikací vyžadujících trvalý přídržný moment zvažte snížení přídržného proudu nebo použití mechanických brzd jako pomoci.

5. Vyhněte se kombinaci 'blokování + vysoký proud'.

Během zastavení je zpětné EMF nulové a veškerý proud se přemění na teplo – to je jeden z nejrizikovějších scénářů demagnetizace. Konstrukce systému by se měla vyvarovat dlouhodobému zablokování nebo implementovat ochranu proti zablokování.

6. Pravidelně sledujte stav motoru

Sledováním parametrů, jako je konstanta zpětného EMF, proud naprázdno a nárůst teploty, můžete nepřímo určit, zda došlo k demagnetizaci. Špičkové systémy mohou zahrnovat online odhad stavu založený na modelu.

VI. Shrnutí

Vysokoteplotní demagnetizace magnetů v bezrámových momentových motorech je 'neviditelné, ale smrtelné' riziko. Není to tak zřejmé jako zlomená hřídel nebo spálená vinutí, přesto to kradmo obírá motor o točivý moment a přesnost.

U aplikací, jako je robotika, CNC otočné stoly a klouby s přímým pohonem,  utrácení o něco více za vysokoteplotní magnety během výběru, ponechání dodatečné tepelné rezervy v designu a přidání další ochrany proti přetížení v ovládání  může často zabránit výraznému snížení výkonu a poprodejním problémům.