Der „Hochtemperatur-Attentäter“ rahmenloser Torquemotoren: Wie groß ist das Risiko einer Magnetentmagnetisierung?

In Hochleistungs-Bewegungssteuerungsszenarien wie Robotergelenken, kollaborativen Roboterarmen und direkt angetriebenen Drehtischen Rahmenlose Torquemotoren werden immer häufiger eingesetzt. Sie haben kein Gehäuse, keine Lager – im Wesentlichen einen „nackten Rotor + Stator“-Leistungskern, der direkt in die mechanische Struktur eingebettet ist und eine hohe Drehmomentdichte, hohe Steifigkeit und eine kompakte Stellfläche bietet.

Allerdings übersehen viele Ingenieure bei Auswahl und Einsatz ein potenzielles Risiko:  die irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagnete bei hohen Temperaturen . Sobald die Entmagnetisierung erfolgt, erfährt der Motor einen Drehmomentabfall, eine erhöhte Erwärmung und kann sogar dazu führen, dass die gesamte Verbindung „schwach“ wird.

I. Was sind die Magnete in einem rahmenlosen Torquemotor?

Bei rahmenlosen Torquemotoren handelt es sich in der Regel um Permanentmagnet-Synchronmotoren mit leistungsstarken Permanentmagneten – allgemein als „Magnete“ bezeichnet – die auf oder innerhalb der Rotoroberfläche montiert sind.

Das heute am häufigsten verwendete Magnetmaterial ist  Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) , das aufgrund seiner außergewöhnlichen magnetischen Leistung einen hohen Luftspaltfluss in einem sehr kleinen Volumen erzeugen kann – ideal für rahmenlose Torquemotoren, die eine extrem hohe Drehmomentdichte erfordern.

Aber NdFeB hat eine inhärente Schwäche:  eine relativ schlechte Hitzebeständigkeit.

II. Wie erfolgt die Hochtemperaturentmagnetisierung?

Der Magnetismus von Permanentmagneten ist nicht wirklich „permanent“. Wenn die Temperatur auf ein bestimmtes Niveau ansteigt, wird die Ausrichtung der magnetischen Domänen im Inneren des Magneten instabil und die magnetische Stärke nimmt allmählich ab.

Die Entmagnetisierung wird in zwei Arten unterteilt:

1. Reversible Entmagnetisierung

Die magnetische Stärke nimmt vorübergehend ab, wenn die Temperatur steigt, erholt sich jedoch wieder, wenn die Temperatur sinkt. Dieser Typ ist bereits im Motordesign berücksichtigt und stellt in der Regel kein Problem dar, solange die Grenzwerte nicht überschritten werden.

2. Irreversible Entmagnetisierung

Wenn die Temperatur die Toleranzgrenze des Magneten überschreitet oder wenn bei hohen Temperaturen ein starkes Entmagnetisierungsfeld angelegt wird, werden einige magnetische Domänen dauerhaft gestört und der Magnetismus kann sich auch nach Rückkehr der Temperatur auf den Normalwert nicht vollständig erholen. Dies ist die  dauerhafte Entmagnetisierung,  die uns am meisten Sorgen bereitet.

Bei gewöhnlichen NdFeB-Magneten liegt die kritische Temperatur für die irreversible Entmagnetisierung typischerweise zwischen  80 °C und 150 °C , abhängig von der Magnetsorte. Bei rahmenlosen Torquemotoren kann es aufgrund der kompakten Bauweise und der schlechten Wärmeableitung im Betrieb leicht zu lokalen Temperaturen kommen, die diesen Bereich überschreiten.

III. Warum sind rahmenlose Torquemotoren anfälliger für Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen?

Im Vergleich zu herkömmlichen Gehäusemotoren verfügen rahmenlose Torquemotoren über mehrere „Hochtemperaturfallen“:

1. Kompakte Struktur, schlechte Wärmeableitungswege

Rahmenlose Motoren sind direkt in die mechanische Struktur eingebettet, wobei die Kontaktfläche zwischen Stator und Gehäuse begrenzt ist, was die Wärmeableitung erschwert. Viele Robotergelenke haben geschlossene Räume und basieren nur auf natürlicher Konvektion oder einfacher Wärmeleitung, was zu einem Anstieg der Innentemperaturen führt.

2. Hohe Drehmomentdichte bedeutet hohe Stromdichte

Um ein hohes Drehmoment innerhalb eines begrenzten Volumens zu liefern, arbeiten rahmenlose Torquemotoren häufig mit hohen Stromdichten. Kupferverluste sind proportional zum Quadrat des Stroms und erzeugen erhebliche Wärme.

3. Häufige Überlastbedingungen

Bei Anlauf-, Not-Aus-, Kollisionsschutz- und Lasthalteszenarien können die Motorströme kurzzeitig das Zwei- bis Dreifache des Nennwerts erreichen, was zu einem schnellen Temperaturanstieg führt.

4. Magnete sind direkt nahegelegenen Wärmequellen ausgesetzt

Die Rotormagnete befinden sich in unmittelbarer Nähe der Statorwicklungen. Die Wärme vom Stator wird abgestrahlt und über den Luftspalt zum Rotor geleitet, und die Magnettemperatur kann sich der Wicklungstemperatur annähern oder diese sogar überschreiten.

IV. Folgen der Hochtemperaturentmagnetisierung

Sobald eine irreversible Entmagnetisierung auftritt, weist der Motor eine Reihe von Problemen auf:

•  Die Drehmomentkonstante nimmt ab : Bei gleichem Strom sinkt das Ausgangsdrehmoment.

• Die Gegen-EMK nimmt ab : Die Motorkennlinie ändert sich, wodurch die Regelgenauigkeit verringert wird.

• Der Strom steigt weiter an, um das Drehmoment aufrechtzuerhalten : Dies führt zu mehr Erwärmung – ein Teufelskreis.

• Die Systemeffizienz nimmt ab : Höherer Energieverbrauch, schlechtere Batterielebensdauer oder Gesamtstromverbrauch.

• Die Gelenksteifigkeit lässt nach : Bei Robotern werden sowohl die Positionierungsgenauigkeit als auch die Belastbarkeit beeinträchtigt.

Was es noch schlimmer macht, ist, dass dieser Abbau allmählich und irreversibel erfolgt. Benutzer bemerken möglicherweise nur mit der Zeit, dass sich „der Motor weniger leistungsstark anfühlt“, ohne dass sie einen offensichtlichen Fehler identifizieren können.

V. Wie kann das Risiko einer Hochtemperatur-Entmagnetisierung des Magneten verringert werden?

Die gute Nachricht ist, dass das Risiko durch die richtige Auswahl, Gestaltung und Kontrollstrategien erheblich gemindert werden kann.

1. Wählen Sie Magnete mit höheren Temperaturklassen

NdFeB-Magnete gibt es in verschiedenen Temperaturklassen, üblicherweise N, M, H, SH, UH, EH usw. Je weiter der Buchstabe im Alphabet steht, desto höher ist die Temperaturbeständigkeit. Zum Beispiel:

•  N-Serie: maximale Betriebstemperatur 80°C

• H-Serie: 120°C

• SH-Serie: 150°C

•  UH-Serie: 180°C

•  EH-Serie: 200°C

Für rahmenlose Torquemotoren, insbesondere in Robotergelenkanwendungen, wird empfohlen, mindestens  die SH-Klasse oder höher und nach Möglichkeit UH oder EH auszuwählen.

2. Achten Sie auf die „Entmagnetisierungskurve“ und den Kniepunkt

Bei der Motorkonstruktion sollte der Arbeitspunkt des Magneten weit vom „Kniepunkt“ der Entmagnetisierungskurve entfernt bleiben. Bei maximaler Betriebstemperatur und maximalem Entmagnetisierungsstrom sollte der Magnet immer noch im sicheren Bereich arbeiten. Bitten Sie den Hersteller bei der Auswahl um die Bereitstellung von Entmagnetisierungskurven und Simulationsdaten bei verschiedenen Temperaturen.

3. Verbessern Sie das Wärmemanagement

• Verwenden Sie Wärmeleitpaste oder Wärmeleitpads zwischen Stator und Gehäuse.

• Entwerfen Sie geeignete Wärmeableitungspfade und fügen Sie bei Bedarf Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlung hinzu.

• Platzieren Sie Temperatursensoren im Inneren des Motors oder in der Nähe der Wicklungen.

• Vermeiden Sie einen längeren Volllastbetrieb des Motors in Umgebungen mit hohen Temperaturen.

4. Kontrollstrom und Überlastdauer

Begrenzen Sie den Spitzenstrom und die Dauer über den Antrieb, um eine längere Überlastung zu vermeiden. Bei Anwendungen, die ein anhaltendes Haltemoment erfordern, sollten Sie eine Reduzierung des Haltestroms oder den Einsatz mechanischer Bremsen als Unterstützung in Betracht ziehen.

5. Vermeiden Sie die Kombination „Störung + hoher Strom“.

Während des Strömungsabrisses ist die Gegen-EMK Null und der gesamte Strom wird in Wärme umgewandelt – dies ist eines der Szenarien mit dem höchsten Entmagnetisierungsrisiko. Beim Systemdesign sollten längere Strömungsabrisse vermieden oder ein Strömungsabrissschutz implementiert werden.

6. Überwachen Sie regelmäßig den Motorzustand

Durch die Überwachung von Parametern wie Gegen-EMK-Konstante, Leerlaufstrom und Temperaturanstieg können Sie indirekt feststellen, ob eine Entmagnetisierung stattgefunden hat. High-End-Systeme können eine modellbasierte Online-Zustandsschätzung integrieren.

VI. Zusammenfassung

Die Hochtemperatur-Entmagnetisierung von Magneten in rahmenlosen Torquemotoren ist ein „unsichtbares, aber tödliches“ Risiko. Es ist nicht so offensichtlich wie eine gebrochene Welle oder verbrannte Wicklungen, aber es raubt dem Motor heimlich Drehmoment und Präzision.

Bei Anwendungen wie Robotik, CNC-Drehtischen und Direktantriebsgelenken können häufig erhebliche Leistungseinbußen und spätere Kundendienstprobleme vermieden werden  , wenn bei der Auswahl etwas mehr für Hochtemperaturmagnete ausgegeben wird, bei der Konstruktion ein zusätzlicher thermischer Spielraum gelassen wird und bei der Steuerung ein weiterer Überlastschutz hinzugefügt wird  .