'Højtemperaturmorderen' af rammeløse momentmotorer: Hvor alvorlig er risikoen for magnetafmagnetisering?

I scenarier med højtydende bevægelseskontrol, såsom robotled, kollaborative robotarme og direkte drevne roterende borde, rammeløse momentmotorer bliver mere og mere almindelige. De har intet hus, ingen lejer – i det væsentlige en 'bar rotor + stator' kraftkerne, der er indlejret direkte i den mekaniske struktur, hvilket giver høj momenttæthed, høj stivhed og et kompakt fodaftryk.

Imidlertid overser mange ingeniører en potentiel risiko under udvælgelse og brug:  irreversibel afmagnetisering af permanentmagneterne ved høje temperaturer . Når først afmagnetisering opstår, oplever motoren momentfald, øget opvarmning og kan endda efterlade hele leddet 'svagt'.

I. Hvad er magneterne i en rammeløs momentmotor?

Rammeløse drejningsmomentmotorer er typisk synkronmotorer med permanent magnet, med højtydende permanente magneter - almindeligvis omtalt som 'magneter' - monteret på eller inde i rotorens overflade.

Det almindelige magnetmateriale, der bruges i dag, er  neodym-jern-bor (NdFeB) , på grund af dets exceptionelle magnetiske ydeevne, der er i stand til at generere høj luftgab-flux i et meget lille volumen - ideelt til rammeløse momentmotorer, der kræver ekstrem høj momenttæthed.

Men NdFeB har en iboende svaghed:  relativt dårlig varmemodstand.

II. Hvordan opstår højtemperatur afmagnetisering?

Magnetismen af ​​permanente magneter er ikke rigtig 'permanent.' Når temperaturen stiger til et vist niveau, bliver justeringen af ​​magnetiske domæner inde i magneten ustabil, og den magnetiske styrke falder gradvist.

Afmagnetisering er opdelt i to typer:

1. Reversibel afmagnetisering

Magnetisk styrke falder midlertidigt, når temperaturen stiger, men genopretter sig, når temperaturen falder. Denne type er allerede taget med i motordesign og er normalt ikke et problem, så længe grænserne ikke overskrides.

2. Irreversibel afmagnetisering

Hvis temperaturen overstiger magnetens tolerancegrænse, eller hvis der påføres et stærkt afmagnetiseringsfelt ved høje temperaturer, bliver nogle magnetiske domæner permanent forstyrret, og magnetismen kan ikke komme sig helt, selv efter at temperaturen vender tilbage til normal. Dette er den  permanente afmagnetisering,  vi er mest bekymrede over.

For almindelige NdFeB-magneter er den kritiske temperatur for irreversibel afmagnetisering typisk mellem  80°C og 150°C , afhængigt af magnetkvaliteten. I rammeløse momentmotorer kan lokale temperaturer på grund af deres kompakte struktur og dårlige varmeafledning nemt overstige dette område under drift.

III. Hvorfor er rammeløse momentmotorer mere modtagelige for højtemperaturafmagnetisering?

Sammenlignet med traditionelle motorer har rammeløse momentmotorer adskillige 'højtemperaturfælder':

1. Kompakt struktur, dårlige varmeafledningsveje

Rammeløse motorer er indlejret direkte i den mekaniske struktur med begrænset kontaktareal mellem statoren og huset, hvilket gør varmeudvinding vanskelig. Mange robotforbindelser har lukkede rum og er kun afhængige af naturlig konvektion eller simpel termisk ledning, hvilket får interne temperaturer til at stige.

2. Høj momenttæthed betyder høj strømtæthed

For at levere højt drejningsmoment inden for et begrænset volumen arbejder rammeløse drejningsmomentmotorer ofte ved høje strømtætheder. Kobbertab er proportionale med kvadratet af strømmen, hvilket genererer betydelig varme.

3. Hyppige overbelastningsforhold

Under opstart, nødstop, kollisionsbeskyttelse og lastholdende scenarier kan motorstrømme momentant nå 2-3 gange den nominelle værdi, hvilket forårsager hurtige temperaturstigninger.

4. Magneter er direkte udsat for nærliggende varmekilder

Rotormagneterne er i umiddelbar nærhed af statorviklingerne. Varme fra statoren udstråles og ledes hen over luftgabet til rotoren, og magnettemperaturen kan nærme sig eller endda overstige viklingstemperaturen.

IV. Konsekvenser af højtemperatur afmagnetisering

Når irreversibel afmagnetisering opstår, udviser motoren en række problemer:

•  Momentkonstant falder : For den samme strøm falder udgangsmomentet.

• Back-EMF falder : Motorkarakteristikken ændres, hvilket reducerer kontrolnøjagtigheden.

• Strømstyrken øges yderligere for at bevare drejningsmomentet : Fører til mere opvarmning - en ond cirkel.

• Systemeffektiviteten falder : Højere energiforbrug, forringet batterilevetid eller det samlede strømforbrug.

• Ledstivheden svækkes : For robotter påvirkes både positioneringsnøjagtighed og belastningskapacitet.

Hvad der gør det værre er, at denne nedbrydning er gradvis og irreversibel. Brugere bemærker måske kun, at 'motoren føles mindre kraftfuld' over tid uden at være i stand til at identificere en åbenlys fejl.

V. Hvordan reducerer man risikoen for magnetisk højtemperaturafmagnetisering?

Den gode nyhed er, at risikoen kan mindskes betydeligt gennem korrekt udvælgelse, design og kontrolstrategier.

1. Vælg magneter med højere temperaturgrader

NdFeB-magneter kommer i forskellige temperaturgrader, almindeligvis N, M, H, SH, UH, EH osv. Jo længere bogstavet er i alfabetet, jo højere temperaturkapacitet. For eksempel:

•  N-serien: maksimal driftstemperatur 80°C

• H-serien: 120°C

• SH-serien: 150°C

•  UH-serien: 180°C

•  EH-serien: 200°C

For rammeløse momentmotorer, især i robotforbindelsesapplikationer, anbefales det at vælge mindst  SH-kvalitet eller højere , og hvor det er muligt, UH eller EH.

2. Vær opmærksom på 'demagnetiseringskurven' og knæpunktet

Under motordesign skal magnetens driftspunkt holde sig langt væk fra 'knæpunktet' på afmagnetiseringskurven. Under maksimal driftstemperatur og maksimal afmagnetiseringsstrøm bør magneten stadig fungere i det sikre område. Når du vælger, skal du bede producenten om at levere afmagnetiseringskurver og simuleringsdata ved forskellige temperaturer.

3. Forbedre termisk styring

• Brug termisk fedt eller termiske puder mellem statoren og huset.

• Design korrekte varmeafledningsveje, tilføj tvungen luft- eller væskekøling, hvis det er nødvendigt.

• Placer temperaturfølere inde i motoren eller i nærheden af ​​viklingerne.

• Undgå langvarig drift af motoren med fuld belastning i miljøer med høje temperaturer.

4. Styr strøm og overbelastningsvarighed

Begræns spidsstrøm og varighed via drevet for at undgå langvarig overbelastning. For applikationer, der kræver vedvarende holdemoment, kan du overveje at reducere holdestrømmen eller bruge mekaniske bremser som hjælp.

5. Undgå kombinationen 'stall + højstrøm'.

Under stall er back-EMF nul, og al strøm konverteres til varme - dette er et af de højeste risikoscenarier for afmagnetisering. Systemdesign bør undgå langvarige stall-forhold eller implementere stall-beskyttelse.

6. Overvåg regelmæssigt motorens tilstand

Ved at overvåge parametre som back-EMF konstant, tomgangsstrøm og temperaturstigning, kan du indirekte afgøre, om der er sket afmagnetisering. Avancerede systemer kan inkorporere modelbaseret online statsestimat.

VI. Oversigt

Højtemperatur afmagnetisering af magneter i rammeløse momentmotorer er en 'usynlig, men dødelig' risiko. Det er ikke så tydeligt som en knækket aksel eller brændte viklinger, men alligevel frarøver det motoren drejningsmoment og præcision.

Til applikationer som f.eks. robotteknologi, CNC-drejeborde og direkte drevne samlinger  at bruge lidt mere på højtemperaturmagneter under udvælgelsen, efterlade ekstra termisk margin i designet og tilføje en ekstra overbelastningsbeskyttelse i kontrol . kan det ofte forhindre betydelig forringelse af ydeevnen og eftersalgsproblemer hen ad vejen