Aumento de temperatura y desmagnetización de motores de torsión sin marco

1. Un fenómeno contrario a la intuición: ¿por qué ser más lento es más peligroso?

Para muchos ingenieros, la intuición es que cuanto más rápido funciona un motor, más se calienta. Pero en el mundo de En los motores torque sin marco , esta lógica es exactamente la inversa.

Un motor de torsión sin marco no tiene carcasa, cojinetes ni eje de salida. Es esencialmente un núcleo de potencia que consta de un 'rotor desnudo + estator' integrado directamente en una estructura mecánica. Está empaquetado en cavidades extremadamente estrechas, como articulaciones de robots, brazos de robots colaborativos y mesas giratorias de accionamiento directo, donde las condiciones de disipación de calor son mucho peores que las de los motores con carcasa convencional. Y su escenario operativo más común (sujeción de juntas a baja velocidad y salida de alto torque) es precisamente la condición de trabajo con mayor probabilidad de 'cocinar' los imanes.

La razón es simple: a baja velocidad, la fuerza contraelectromotriz es muy baja, por lo que el variador debe generar continuamente una gran corriente para mantener el par. La pérdida de cobre es proporcional al cuadrado de la corriente, y todo este calor se acumula en los devanados del estator, mientras que los imanes del rotor casi no tienen una ruta directa de disipación de calor. El resultado es que cuanto menor es la velocidad, más calientes son los imanes. En una prueba de caminata continua de 5 km de un robot humanoide, la temperatura de la articulación midió 80°C, acercándose ya al límite de falla por alta temperatura de la mayoría de las grasas.

El aumento de temperatura no es un problema aislado. Simultáneamente amenaza el aislamiento del devanado (envejecimiento acelerado), la lubricación de los cojinetes (degradación del rendimiento) y, lo que es más crítico, los propios imanes permanentes. Una vez que se produce una desmagnetización irreversible, la capacidad de torsión del motor se degrada permanentemente.

2. Las dos caras de la desmagnetización: una que 'regresa' y otra que nunca volverá

NdFeB (neodimio hierro boro) es actualmente el material magnético principal para motores de torsión sin marco. Su temperatura Curie es de aproximadamente 310 a 370 °C, lo que parece estar muy lejos del rango de funcionamiento del motor. Pero lo que realmente determina cuánto tiempo se puede utilizar un imán no es la temperatura de Curie, sino el coeficiente de coercitividad de la temperatura, normalmente entre -0,55%/°C y -0,65%/°C.

El significado de este coeficiente es que por cada aumento de 1°C en la temperatura, la capacidad del imán para resistir un campo desmagnetizador externo cae entre un 0,55% y un 0,65%. De 20°C a 80°C, la coercitividad ya ha perdido alrededor del 36%. A 100°C, la pérdida es cercana a la mitad. Cuando la coercitividad cae por debajo del campo desmagnetizante generado por la reacción de la armadura, la alineación del dominio magnético se daña permanentemente.

La desmagnetización se divide en dos categorías:

La desmagnetización reversible  es una 'falsa alarma'. Cuando la temperatura aumenta, la fuerza magnética disminuye; cuando la temperatura baja, se recupera. El motor muestra 'corriente más alta cuando está caliente, recuperación cuando está frío'. Parece estar bien, pero en realidad ya está rondando el límite crítico.

La desmagnetización irreversible  es el verdadero problema. Cuando la temperatura excede lo que el imán puede soportar, o cuando se superpone un campo magnético inverso suficientemente fuerte a alta temperatura, parte de la alineación del dominio magnético se daña permanentemente y la fuerza magnética no puede recuperarse por completo incluso después de que la temperatura vuelve a la normalidad.

La desmagnetización irreversible también tiene formas 'parciales' y 'totales'. La desmagnetización parcial a menudo comienza en las esquinas del imán: las corrientes parásitas se concentran en las esquinas, donde se supera primero la temperatura crítica. Se manifiesta como una caída del 3% al 5% en la constante KE de los FEM inversos; a la misma velocidad, se requiere mayor corriente para mantener el par, la temperatura aumenta aún más y se forma un círculo vicioso. La desmagnetización general es la consecuencia de que toda la máquina supere los 120 °C durante un tiempo prolongado, con una caída de KE de más del 10 %. El motor debe 'añadir un 10% de aceleración' para realizar el mismo trabajo, entrando en una espiral mortal de retroalimentación positiva 'térmica-magnética'.

Para los imanes de NdFeB de uso común, la temperatura crítica para una desmagnetización irreversible suele estar entre 80 °C y 150 °C, dependiendo del grado del imán. Los grados de alta temperatura pueden acercar el umbral a 150°C o incluso más, pero el precio es una compensación entre el rendimiento magnético y el costo.

3. ¿De dónde viene el calor y dónde queda atrapado?

Las fuentes de calor de los motores torque sin marco son más complejas que las de los motores convencionales y se pueden agrupar aproximadamente en cuatro categorías:

La pérdida de cobre  es la más básica. La pérdida I⊃2;R generada por la resistencia del devanado bajo corriente continua es proporcional al cuadrado de la corriente. El problema es que, en la búsqueda de una alta densidad de par, los motores sin marco suelen utilizar diseños con un alto factor de llenado de ranura y alambre delgado, por lo que la resistencia del devanado en sí es relativamente grande. Incluso una corriente pequeña produce un calor base considerable y forma un circuito de retroalimentación positiva de 'calentamiento → aumento de resistencia → más calentamiento'.

La pérdida de hierro  es particularmente prominente en diseños con un alto número de polos. Los diseños de 16 a 32 polos comúnmente utilizados en motores de torsión sin marco hacen que la frecuencia alterna del campo magnético sea mucho más alta que la de los servomotores ordinarios. Incluso a baja velocidad y sin carga, las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo de hierro ya son considerables.

La pérdida por corrientes parásitas del rotor  es una fuente de calor oculta que fácilmente se pasa por alto. El efecto de engranaje del estator y los armónicos de la portadora PWM inducen corrientes parásitas en la superficie de los imanes del rotor. Este calor se genera directamente dentro de los imanes y casi no tiene camino para conducirse hacia afuera.

Las pérdidas adicionales introducidas por la estrategia de control  son la categoría más oculta. El error de orientación del campo FOC, la activación continua de la inyección de alta frecuencia a velocidad cero y las corrientes correctivas continuas causadas por parámetros PID inadecuados: estas 'corrientes invisibles' generan continuamente pérdidas de cobre incluso en condiciones sin carga, lo cual es la causa fundamental de que muchos ingenieros descubran que 'también está caliente sin carga'.

Una vez superpuestas estas cuatro rutas de calor, la temperatura real del imán suele ser entre 8 y 12 °C más alta que la temperatura de la superficie de la carcasa. Cuando se leen 70°C en la superficie de la carcasa con un termómetro infrarrojo, es posible que los imanes hayan pisado la línea roja de 80°C.

4. Tres líneas duras en la selección

Una vez que se comprende el mecanismo de aumento de temperatura, la lógica de la selección queda clara. La selección de temperatura para motores torque sin marco se puede resumir en tres líneas estrictas, correspondientes a tres niveles diferentes de objetivos de protección.

La primera línea: el grado del imán determina el 'resultado final'

Los imanes de NdFeB se dividen en varios niveles de calidad según su coercitividad intrínseca, y la resistencia a la temperatura aumenta paso a paso:

La serie N es el grado estándar, adecuado para aplicaciones a temperatura ambiente, con una resistencia a temperaturas de aproximadamente 80°C. La serie H resiste 120°C, la serie SH 150°C y la serie UH 180°C. De N a UH, se añaden elementos pesados ​​de tierras raras Dy y Tb para mejorar el coeficiente de temperatura de coercitividad, pero el coste también aumenta en un factor de 1,5 a 3.

Para aplicaciones típicas de motores de torsión sin marco (articulaciones de robots y brazos de robots colaborativos), el punto de partida recomendado es el grado SH o superior . La razón es que los motores sin marco tienen inherentemente duras condiciones de disipación de calor, y el 'diferencial oculto' entre la temperatura de funcionamiento del imán y la temperatura de la carcasa puede alcanzar los 15°C. La serie N puede parecer suficiente sobre el papel, pero en el funcionamiento real puede cruzar fácilmente la línea. El motor de primera generación de articulación de rodilla de un robot humanoide, por ejemplo, no verificó la desmagnetización en condiciones de pérdida. Después de repetidos impactos de caída, los imanes sufrieron una desmagnetización irreversible y el par de salida cayó permanentemente en más de un 15%.

La segunda línea: la clase de aislamiento determina el 'techo'

La clase de aislamiento del devanado es otra limitación de temperatura y, a menudo, alcanza su límite antes que los imanes. El aislamiento de clase F tiene una temperatura nominal de 155 °C, que es actualmente la configuración principal para los motores de torsión sin marco. El aislamiento de clase B (130°C) aparece en algunos productos sensibles al costo o con limitaciones de espacio extremas.

Existe un acoplamiento térmico entre la temperatura del imán y la temperatura del devanado: el calor del devanado se conduce a través del núcleo del estator hasta el rotor y, en última instancia, afecta a los imanes. Por lo tanto, el límite de aislamiento del devanado de 155 °C en realidad también establece un techo indirecto para la temperatura del imán. La lógica de verificación de ingeniería es que, en estado térmico estable, la temperatura del devanado no debe exceder el límite de clase de aislamiento, mientras que la temperatura del imán no debe exceder su temperatura crítica de desmagnetización; esta última generalmente se convierte antes en el cuello de botella.

En la práctica industrial, la temperatura máxima de funcionamiento continuo de los imanes de grado NdFeB SH suele establecerse en 120 °C. Por encima de este valor, el motor comienza a entrar en el rango de riesgo de desmagnetización.

La tercera línea: el límite actual determina el 'límite dinámico'

Además de la temperatura en estado estacionario, existe otro factor dinámico que a menudo se pasa por alto:  el riesgo de desmagnetización en condiciones de corriente máxima..

Los motores de torsión tienen un par máximo y un par de parada. El par máximo es el par de arranque durante un período breve, que normalmente dura sólo entre 10 y 15 segundos; El par de parada es el valor que se puede generar de forma continua. Cuando la corriente máxima es demasiado grande, el campo desmagnetizador generado por la reacción de la armadura puede desencadenar directamente una desmagnetización irreversible en condiciones de alta temperatura.

La corriente máxima de un motor de torsión de accionamiento directo limitada por la desmagnetización del imán permanente es su 'punto límite de desmagnetización'. En algunos productos, después de utilizar imanes de alto rendimiento, la torsión está limitada sólo por el aumento máximo de temperatura, y la torsión máxima puede aumentar considerablemente. Pero si la calidad del imán es insuficiente, la primera limitación que se activa es la desmagnetización.

Durante la selección, es necesario verificar no sólo el aumento de temperatura bajo corriente continua, sino también si la corriente bajo condiciones de bloqueo y sobrecarga transitoria excede el límite de desmagnetización del imán a esa temperatura. Este límite generalmente viene dado por la curva de desmagnetización del proveedor del imán y debe determinarse en combinación con los cálculos de reacción del inducido en el diseño del motor.

5. Enfoques de ingeniería para el enfriamiento

La esencia del control del aumento de temperatura es establecer un equilibrio entre la generación y eliminación de calor. Para los motores torque sin marco, existen varios caminos de ingeniería maduros.

Actualmente, el encapsulado  es el medio más común para mejorar la disipación del calor. TQ Robodrive utiliza tecnología de encapsulado y encapsulado de epoxi, y Kinco fue pionero en un proceso de encapsulado sin marco. La lógica central de ambos es llenar los espacios internos del motor con material de encapsulado de alta conductividad térmica, de modo que el calor del devanado se conduzca más rápidamente al núcleo del estator y a la brida de montaje. La conductividad térmica del material para macetas puede alcanzar entre 1,4 y 1,6 W/mK, mucho más que la del aire.

Los canales de refrigeración por agua  son adecuados para juntas compactas y otros escenarios con alta densidad de flujo de calor. Se cortan canales helicoidales en el manguito o carcasa del estator y se pasa refrigerante a través de ellos, lo que puede reducir directamente el aumento de temperatura entre 40 y 60 °C. El costo es una mayor complejidad del sistema y requisitos de sellado.

La optimización de la estrategia de control  es un camino sin costo de hardware. Recalibrar el punto cero del polo magnético, optimizar los parámetros PID, gestionar la inyección de alta frecuencia a velocidad cero y habilitar el control de corriente mínima pueden reducir la corriente de mantenimiento estática entre un 50% y un 80% sin cambiar el hardware. Para sistemas que ya tienen problemas de calentamiento sin carga, la optimización del control a menudo produce resultados más inmediatos que agregar medidas de disipación de calor.

Los sensores de temperatura incorporados  son el resultado final de la seguridad. NTC (100k) y PT1000 son actualmente las configuraciones de medición de temperatura estándar para motores de torque sin marco, monitoreando la temperatura del devanado en tiempo real y activando la reducción o protección cuando se acerca al límite. Pero tenga en cuenta que el sensor mide la temperatura del devanado, no la temperatura del imán; la diferencia entre los dos depende de la calidad del diseño de la ruta de disipación de calor y se debe dejar un margen de seguridad suficiente durante la selección.

Conclusión

La selección de temperatura para motores de torsión sin marco es esencialmente un equilibrio entre tres limitaciones: el grado del imán determina qué tan alta temperatura se puede soportar, la clase de aislamiento define el techo del devanado y el límite de corriente define el límite de las condiciones dinámicas de funcionamiento. Las tres líneas están acopladas entre sí y, si alguna de ellas se rompe, se puede desencadenar una reacción en cadena que va desde la desmagnetización hasta el agotamiento.

El enfoque más pragmático es:  en la etapa de selección, asumir las condiciones más duras de disipación de calor , subir un grado de imán, dejar un amplio margen de aumento de temperatura y hacer que la verificación de desmagnetización en condiciones de pérdida y sobrecarga sea un elemento obligatorio. Después de todo, la desmagnetización es irreversible: no le dará una segunda oportunidad.