Temperaturanstieg und Entmagnetisierung rahmenloser Torquemotoren

1. Ein kontraintuitives Phänomen: Warum ist langsamer gefährlicher?

Viele Ingenieure gehen davon aus, dass ein Motor umso heißer wird, je schneller er läuft. Aber in der Welt von Bei rahmenlosen Torquemotoren ist diese Logik genau umgekehrt.

Ein rahmenloser Torquemotor hat kein Gehäuse, keine Lager und keine Abtriebswelle. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Leistungskern, der aus einem „nackten Rotor + Stator“ besteht, der direkt in eine mechanische Struktur eingebettet ist. Es ist in äußerst beengten Hohlräumen wie Robotergelenken, kollaborativen Roboterarmen und Drehtischen mit Direktantrieb untergebracht, wo die Wärmeableitungsbedingungen weitaus schlechter sind als bei herkömmlichen Motoren mit Gehäuse. Und sein häufigstes Betriebsszenario – gemeinsames Halten bei niedriger Geschwindigkeit und hohe Drehmomentabgabe – ist genau der Arbeitszustand, der die Magnete am ehesten zum „Kochen“ bringt.

Der Grund ist einfach: Bei niedriger Drehzahl ist die Gegen-EMK sehr gering, sodass der Antrieb kontinuierlich einen großen Strom abgeben muss, um das Drehmoment aufrechtzuerhalten. Der Kupferverlust ist proportional zum Quadrat des Stroms, und diese Wärme sammelt sich vollständig in den Statorwicklungen, während die Magnete am Rotor fast keinen direkten Weg zur Wärmeableitung haben. Das Ergebnis ist, dass die Magnete umso heißer sind, je niedriger die Geschwindigkeit ist. Bei einem 5-km-Dauerlauftest eines humanoiden Roboters betrug die Gelenktemperatur 80 °C und näherte sich damit bereits der Hochtemperatur-Versagensgrenze der meisten Fette.

Der Temperaturanstieg ist kein isoliertes Problem. Es gefährdet gleichzeitig die Wicklungsisolierung (beschleunigte Alterung), die Lagerschmierung (Leistungsabfall) und, was am kritischsten ist, die Permanentmagnete selbst. Sobald eine irreversible Entmagnetisierung auftritt, wird die Drehmomentfähigkeit des Motors dauerhaft beeinträchtigt.

2. Die zwei Gesichter der Entmagnetisierung: eines, das „zurückkommt“, eines, das niemals zurückkommt

NdFeB (Neodym-Eisen-Bor) ist derzeit das gängige Magnetmaterial für rahmenlose Torquemotoren. Seine Curie-Temperatur liegt bei etwa 310–370 °C, was weit außerhalb des Betriebsbereichs des Motors zu liegen scheint. Aber was wirklich bestimmt, wie lange ein Magnet verwendet werden kann, ist nicht die Curie-Temperatur, sondern der Temperaturkoeffizient der Koerzitivkraft – typischerweise zwischen -0,55 %/°C und -0,65 %/°C.

Die Bedeutung dieses Koeffizienten besteht darin, dass bei jedem Temperaturanstieg um 1 °C die Fähigkeit des Magneten, einem externen Entmagnetisierungsfeld zu widerstehen, um 0,55 % bis 0,65 % abnimmt. Von 20°C bis 80°C hat die Koerzitivkraft bereits etwa 36 % verloren. Bei 100 °C beträgt der Verlust nahezu die Hälfte. Wenn die Koerzitivkraft unter das durch die Ankerreaktion erzeugte Entmagnetisierungsfeld fällt, wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen dauerhaft beschädigt.

Die Entmagnetisierung lässt sich in zwei Kategorien einteilen:

Die reversible Entmagnetisierung  ist ein „Fehlalarm“. Wenn die Temperatur steigt, nimmt die Magnetkraft ab; Wenn die Temperatur sinkt, erholt es sich. Der Motor zeigt „höheren Strom im heißen Zustand, Erholung im kalten Zustand“. Das scheint in Ordnung zu sein, aber in Wirklichkeit schwebt er bereits am kritischen Rand.

irreversible Entmagnetisierung .  Das eigentliche Problem ist die Wenn die Temperatur die zulässige Temperatur des Magneten überschreitet oder wenn bei hoher Temperatur ein ausreichend starkes Umkehrmagnetfeld überlagert wird, wird ein Teil der magnetischen Domänenausrichtung dauerhaft beschädigt und die Magnetkraft kann sich auch nach Rückkehr der Temperatur auf den Normalwert nicht vollständig erholen.

Die irreversible Entmagnetisierung hat auch die Formen „partielle“ und „gesamte“ Entmagnetisierung. Eine teilweise Entmagnetisierung beginnt oft an den Ecken des Magneten – Wirbelströme konzentrieren sich an den Ecken, wo die kritische Temperatur zuerst überschritten wird. Es äußert sich in einem Abfall der Gegen-EMF-Konstante KE um 3–5 %; Bei gleicher Drehzahl ist ein höherer Strom erforderlich, um das Drehmoment aufrechtzuerhalten, die Temperatur steigt weiter und es entsteht ein Teufelskreis. Die Gesamtentmagnetisierung ist die Folge davon, dass die Gesamtmaschine über längere Zeit eine Temperatur von über 120 °C erreicht und der KE um mehr als 10 % sinkt. Der Motor muss „10 % mehr Gas geben“, um die gleiche Arbeit zu leisten, und gerät in eine „thermisch-magnetische“ Todesspirale mit positiver Rückkopplung.

Bei häufig verwendeten NdFeB-Magneten liegt die kritische Temperatur für die irreversible Entmagnetisierung je nach Magnetsorte üblicherweise zwischen 80 °C und 150 °C. Hochtemperaturqualitäten können die Schwelle auf nahezu 150 °C oder sogar höher drücken, aber der Preis ist ein Kompromiss zwischen magnetischer Leistung und Kosten.

3. Woher kommt die Wärme und wo bleibt sie hängen?

Die Wärmequellen gehäuseloser Torquemotoren sind komplexer als die herkömmlicher Motoren und lassen sich grob in vier Kategorien einteilen:

Kupferverlust  ist der grundlegendste. Der durch den Wicklungswiderstand bei Dauerstrom erzeugte I⊃2;R-Verlust ist proportional zum Quadrat des Stroms. Das Problem besteht darin, dass rahmenlose Motoren im Streben nach einer hohen Drehmomentdichte häufig Konstruktionen mit hohem Nutfüllfaktor und dünnem Draht verwenden, sodass der Wicklungswiderstand selbst relativ groß ist. Selbst ein kleiner Strom erzeugt eine beträchtliche Grundlinienwärme und bildet eine positive Rückkopplungsschleife aus „Erwärmung → Widerstandsanstieg → mehr Erwärmung“.

der Eisenverlust besonders ausgeprägt.  Bei Konstruktionen mit hoher Polzahl ist Die bei rahmenlosen Torquemotoren häufig verwendeten 16- bis 32-poligen Designs sorgen dafür, dass die Wechselfrequenz des Magnetfelds viel höher ist als bei gewöhnlichen Servomotoren. Schon bei geringer Drehzahl und ohne Last sind die Hysterese- und Wirbelstromverluste im Eisenkern erheblich.

Rotorwirbelstromverluste  sind eine leicht zu übersehende versteckte Wärmequelle. Der Stator-Cogging-Effekt und die PWM-Trägerharmonischen induzieren Wirbelströme auf der Oberfläche der Rotormagnete. Diese Wärme wird direkt im Inneren der Magnete erzeugt und kann kaum nach außen abgeleitet werden.

Zusätzliche Verluste, die durch die Kontrollstrategie verursacht werden,  sind die am meisten verborgene Kategorie. FOC-Feldausrichtungsfehler, kontinuierliche Aktivierung der Hochfrequenzeinspeisung mit Nullgeschwindigkeit und kontinuierliche Korrekturströme, die durch falsche PID-Parameter verursacht werden – diese „unsichtbaren Ströme“ erzeugen kontinuierlich Kupferverluste, selbst unter Leerlaufbedingungen, was die Hauptursache dafür ist, dass viele Ingenieure feststellen, dass „es auch im Leerlauf heiß ist“.

Nach Überlagerung dieser vier Wärmepfade liegt die tatsächliche Magnettemperatur in der Regel 8–12 °C höher als die Gehäuseoberflächentemperatur. Wenn Sie mit einem Infrarot-Thermometer auf der Gehäuseoberfläche 70 °C ablesen, kann es durchaus sein, dass die Magnete die rote 80 °C-Linie erreicht haben.

4. Drei harte Linien bei der Auswahl

Sobald der Mechanismus des Temperaturanstiegs verstanden ist, wird die Logik der Auswahl klar. Die Temperaturauswahl für rahmenlose Torquemotoren lässt sich in drei harte Linien zusammenfassen, die drei unterschiedlichen Schutzzielniveaus entsprechen.

Die erste Zeile: Die Qualität des Magneten bestimmt das „Endergebnis“.

NdFeB-Magnete werden nach der intrinsischen Koerzitivfeldstärke in mehrere Güteklassen eingeteilt, wobei die Temperaturbeständigkeit schrittweise ansteigt:

Die N-Serie ist die Standardqualität, die für Raumtemperaturanwendungen geeignet ist und eine Temperaturbeständigkeit von etwa 80 °C aufweist. Die H-Serie hält 120 °C stand, die SH-Serie 150 °C und die UH-Serie 180 °C. Von N bis UH werden schwere Seltenerdelemente Dy und Tb hinzugefügt, um den Temperaturkoeffizienten der Koerzitivfeldstärke zu verbessern, allerdings steigen auch die Kosten um den Faktor 1,5 bis 3.

Für typische rahmenlose Torquemotoranwendungen – Robotergelenke und kollaborative Roboterarme – ist die SH-Klasse oder höher der empfohlene Ausgangspunkt . Der Grund dafür ist, dass rahmenlose Motoren von Natur aus schwierige Wärmeableitungsbedingungen aufweisen und der „verborgene Unterschied“ zwischen der Betriebstemperatur des Magneten und der Gehäusetemperatur bis zu 15 °C betragen kann. Auf dem Papier sieht die N-Serie vielleicht ausreichend aus, im tatsächlichen Betrieb kann sie jedoch leicht die Grenze überschreiten. Der Kniegelenkmotor der ersten Generation eines humanoiden Roboters beispielsweise konnte die Entmagnetisierung unter Stallbedingungen nicht verifizieren. Nach wiederholten Sturzstößen kam es zu einer irreversiblen Entmagnetisierung der Magnete und das Abtriebsdrehmoment sank dauerhaft um mehr als 15 %.

Die zweite Zeile: Die Dämmklasse bestimmt die „Decke“.

Die Isolationsklasse der Wicklung stellt eine weitere Temperaturbeschränkung dar und stößt oft früher an ihre Grenzen als die Magnete. Die Isolierung der Klasse F hat eine Nenntemperatur von 155 °C, was derzeit die gängige Konfiguration für rahmenlose Torquemotoren ist. Isolierung der Klasse B (130 °C) kommt in einigen kostensensiblen oder extrem platzbeschränkten Produkten vor.

Es besteht eine thermische Kopplung zwischen Magnettemperatur und Wicklungstemperatur: Die Wicklungswärme wird durch den Statorkern zum Rotor geleitet und wirkt sich letztendlich auf die Magnete aus. Daher legt die Wicklungsisolationsgrenze von 155 °C tatsächlich auch eine indirekte Obergrenze für die Magnettemperatur fest. Die technische Verifizierungslogik besteht darin, dass im thermischen Beharrungszustand die Wicklungstemperatur den Grenzwert der Isolationsklasse nicht überschreiten darf, während die Magnettemperatur ihre kritische Entmagnetisierungstemperatur nicht überschreiten darf – letztere wird normalerweise früher zum Engpass.

In der industriellen Praxis wird die maximale Dauerbetriebstemperatur von NdFeB-Magneten der SH-Klasse normalerweise auf 120 °C festgelegt. Oberhalb dieses Wertes gerät der Motor in den Risikobereich der Entmagnetisierung.

Die dritte Zeile: Stromgrenze bestimmt die „dynamische Grenze“

Neben der stationären Temperatur gibt es einen weiteren dynamischen Faktor, der oft übersehen wird:  die Gefahr der Entmagnetisierung bei Spitzenstrom.

Torquemotoren haben ein Spitzendrehmoment und ein Stillstandsdrehmoment. Das Spitzendrehmoment ist das kurzzeitige Anlaufdrehmoment, das normalerweise nur 10–15 Sekunden anhält; Das Stillstandsdrehmoment ist der Wert, der kontinuierlich abgegeben werden kann. Wenn der Spitzenstrom zu groß ist, kann das durch die Ankerreaktion erzeugte Entmagnetisierungsfeld unter Hochtemperaturbedingungen direkt eine irreversible Entmagnetisierung auslösen.

Der maximale Strom eines Direktantriebs-Torquemotors, der durch die Entmagnetisierung von Permanentmagneten begrenzt wird, ist sein „Entmagnetisierungsgrenzpunkt“. Bei einigen Produkten wird das Drehmoment nach der Verwendung von Hochleistungsmagneten nur durch den maximalen Temperaturanstieg begrenzt, und das Spitzendrehmoment kann stark erhöht werden. Wenn die Magnetqualität jedoch nicht ausreicht, wird als erste Einschränkung die Entmagnetisierung ausgelöst.

Bei der Auswahl muss nicht nur der Temperaturanstieg bei Dauerstrom überprüft werden, sondern auch, ob der Strom bei Stillstand und vorübergehender Überlastung die Entmagnetisierungsgrenze des Magneten bei dieser Temperatur überschreitet. Dieser Grenzwert wird normalerweise durch die Entmagnetisierungskurve des Magnetlieferanten vorgegeben und muss in Kombination mit Ankerreaktionsberechnungen bei der Motorkonstruktion ermittelt werden.

5. Technische Ansätze zur Kühlung

Der Kern der Temperaturanstiegskontrolle besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeabfuhr herzustellen. Für rahmenlose Torquemotoren gibt es mehrere ausgereifte technische Wege.

Verguss  ist derzeit die gängigste Methode zur Verbesserung der Wärmeableitung. TQ Robodrive verwendet Epoxidverkapselungs- und Vergusstechnologie, und Kinco war Vorreiter bei einem rahmenlosen Vergussverfahren. Die Kernlogik beider Verfahren besteht darin, die inneren Lücken des Motors mit Vergussmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu füllen, damit die Wicklungswärme schneller zum Statorkern und Montageflansch geleitet wird. Die Wärmeleitfähigkeit von Vergussmaterial kann 1,4–1,6 W/mK erreichen und liegt damit weit über der von Luft.

Wasserkühlkanäle  eignen sich für kompakte Verbindungen und andere Szenarien mit hoher Wärmestromdichte. In die Statorhülse oder das Gehäuse werden spiralförmige Kanäle geschnitten, durch die Kühlmittel geleitet wird, wodurch der Temperaturanstieg direkt um 40–60 °C reduziert werden kann. Die Kosten hierfür sind eine erhöhte Systemkomplexität und erhöhte Dichtungsanforderungen.

Die Optimierung der Steuerungsstrategie  ist ein Weg ohne Hardwarekosten. Durch die Neukalibrierung des Nullpunkts des Magnetpols, die Optimierung der PID-Parameter, die Verwaltung der Hochfrequenzeinspeisung bei Nullgeschwindigkeit und die Aktivierung der Minimalstromsteuerung kann der statische Haltestrom um 50–80 % reduziert werden, ohne dass die Hardware geändert werden muss. Bei Systemen, die bereits Probleme mit der Leerlauferwärmung haben, führt eine Steuerungsoptimierung häufig zu unmittelbareren Ergebnissen als das Hinzufügen von Wärmeableitungsmaßnahmen.

Eingebaute Temperatursensoren  sorgen für Sicherheit. NTC (100k) und PT1000 sind derzeit die Standard-Temperaturmesskonfigurationen für gehäuselose Torquemotoren, die die Wicklungstemperatur in Echtzeit überwachen und bei Annäherung an den Grenzwert eine Leistungsreduzierung oder einen Schutz auslösen. Beachten Sie jedoch, dass der Sensor die Wicklungstemperatur und nicht die Magnettemperatur misst – der Unterschied zwischen beiden hängt von der Designqualität des Wärmeableitungspfads ab und bei der Auswahl muss ein ausreichender Sicherheitsspielraum gelassen werden.

Abschluss

Die Temperaturauswahl für rahmenlose Torquemotoren ist im Wesentlichen ein Gleichgewicht zwischen drei Einschränkungen: Die Magnetsorte bestimmt, wie hoch die Temperatur ist, die Sie aushalten können, die Isolationsklasse definiert die Wicklungsobergrenze und die Stromgrenze definiert die Grenze der dynamischen Betriebsbedingungen. Die drei Leitungen sind miteinander gekoppelt, und wenn eine Leitung durchbrochen wird, kann dies eine Kettenreaktion von der Entmagnetisierung bis zum Durchbrennen auslösen.

Der pragmatischste Ansatz besteht darin,  in der Auswahlphase von den härtesten Wärmeableitungsbedingungen auszugehen , einen Magnetgrad höher zu steigen, ausreichend Spielraum für den Temperaturanstieg zu lassen und die Überprüfung der Entmagnetisierung unter Strömungsabriss- und Überlastbedingungen zu einem obligatorischen Element zu machen. Schließlich ist die Entmagnetisierung irreversibel – Sie erhalten keine zweite Chance.