El 'asesino de alta temperatura' de los motores de torsión sin marco: ¿Qué tan grave es el riesgo de desmagnetización del imán?

En escenarios de control de movimiento de alto rendimiento, como articulaciones de robots, brazos robóticos colaborativos y mesas giratorias de accionamiento directo, Los motores torque sin marco son cada vez más comunes. No tienen carcasa ni cojinetes; esencialmente, un núcleo de potencia de 'rotor desnudo + estator' que está integrado directamente en la estructura mecánica, lo que proporciona una alta densidad de par, alta rigidez y un tamaño compacto.

Sin embargo, muchos ingenieros pasan por alto un riesgo potencial durante la selección y el uso:  la desmagnetización irreversible de los imanes permanentes a altas temperaturas . Una vez que se produce la desmagnetización, el motor experimenta una caída de par, un aumento de calentamiento e incluso puede dejar toda la articulación 'débil'.

I. ¿Cuáles son los imanes en un motor torque sin marco?

Los motores de torsión sin marco suelen ser motores síncronos de imanes permanentes, con imanes permanentes de alto rendimiento, comúnmente conocidos como 'imanes', montados sobre o dentro de la superficie del rotor.

El material magnético principal que se utiliza hoy en día es  el neodimio-hierro-boro (NdFeB) , debido a su rendimiento magnético excepcional, capaz de generar un alto flujo de entrehierro en un volumen muy pequeño, ideal para motores de torsión sin marco que exigen una densidad de torsión extremadamente alta.

Pero el NdFeB tiene una debilidad inherente:  una resistencia al calor relativamente pobre..

II. ¿Cómo se produce la desmagnetización a alta temperatura?

El magnetismo de los imanes permanentes no es verdaderamente 'permanente'. Cuando la temperatura aumenta hasta cierto nivel, la alineación de los dominios magnéticos dentro del imán se vuelve inestable y la fuerza magnética disminuye gradualmente.

La desmagnetización se divide en dos tipos:

1. Desmagnetización reversible

La fuerza magnética disminuye temporalmente a medida que aumenta la temperatura, pero se recupera cuando la temperatura baja. Este tipo ya se tiene en cuenta en el diseño del motor y normalmente no supone un problema siempre que no se excedan los límites.

2. Desmagnetización irreversible

Si la temperatura excede el límite de tolerancia del imán, o si se aplica un fuerte campo desmagnetizador a altas temperaturas, algunos dominios magnéticos se alteran permanentemente y el magnetismo no puede recuperarse por completo incluso después de que la temperatura vuelve a la normalidad. Ésta es la  desmagnetización permanente  que más nos preocupa.

Para los imanes de NdFeB ordinarios, la temperatura crítica para una desmagnetización irreversible suele estar entre  80 °C y 150 °C , según el grado del imán. En los motores de torsión sin marco, debido a su estructura compacta y mala disipación de calor, las temperaturas locales pueden exceder fácilmente este rango durante el funcionamiento.

III. ¿Por qué los motores torque sin marco son más susceptibles a la desmagnetización a alta temperatura?

En comparación con los motores con carcasa tradicional, los motores de torsión sin marco tienen varias 'trampas de alta temperatura':

1. Estructura compacta, rutas de disipación de calor deficientes.

Los motores sin marco están integrados directamente en la estructura mecánica, con un área de contacto limitada entre el estator y la carcasa, lo que dificulta la extracción de calor. Muchas articulaciones robóticas tienen espacios cerrados y dependen únicamente de la convección natural o de la simple conducción térmica, lo que provoca que las temperaturas internas aumenten.

2. Una alta densidad de par significa una alta densidad de corriente

Para ofrecer un par elevado en un volumen limitado, los motores de par sin marco suelen funcionar con altas densidades de corriente. Las pérdidas del cobre son proporcionales al cuadrado de la corriente, generando un calor significativo.

3. Condiciones de sobrecarga frecuentes

Durante el arranque, las paradas de emergencia, la protección contra colisiones y los escenarios de retención de carga, las corrientes del motor pueden alcanzar momentáneamente de 2 a 3 veces el valor nominal, lo que provoca rápidos aumentos de temperatura.

4. Los imanes están expuestos directamente a fuentes de calor cercanas.

Los imanes del rotor están muy cerca de los devanados del estator. El calor del estator se irradia y conduce a través del entrehierro hasta el rotor, y la temperatura del imán puede acercarse o incluso superar la temperatura del devanado.

IV. Consecuencias de la desmagnetización a alta temperatura

Una vez que se produce una desmagnetización irreversible, el motor presenta una serie de problemas:

•  La constante de par disminuye : para la misma corriente, el par de salida disminuye.

• La contraEMF disminuye : la curva característica del motor cambia, lo que reduce la precisión del control.

• La corriente aumenta aún más para mantener el par : lo que genera más calentamiento: un círculo vicioso.

• La eficiencia del sistema disminuye : mayor consumo de energía, empeoramiento de la duración de la batería o del consumo general de energía.

• La rigidez de las articulaciones se debilita : en el caso de los robots, tanto la precisión de posicionamiento como la capacidad de carga se ven afectadas.

Lo que empeora las cosas es que esta degradación es gradual e irreversible. Es posible que los usuarios sólo noten que 'el motor se siente menos potente' con el tiempo, sin poder identificar una falla obvia.

V. ¿Cómo reducir el riesgo de desmagnetización del imán a alta temperatura?

La buena noticia es que mediante estrategias adecuadas de selección, diseño y control, el riesgo se puede mitigar significativamente.

1. Elija imanes con grados de temperatura más altos

Los imanes de NdFeB vienen en diferentes grados de temperatura, comúnmente N, M, H, SH, UH, EH, etc. Cuanto más alejada esté la letra del alfabeto, mayor será la capacidad de temperatura. Por ejemplo:

•  Serie N: temperatura máxima de funcionamiento 80°C

• Serie H: 120°C

• Serie SH: 150°C

•  Serie UH: 180°C

•  Serie EH: 200°C

Para motores de torsión sin marco, especialmente en aplicaciones de juntas robóticas, se recomienda seleccionar al menos  el grado SH o superior y, cuando sea posible, UH o EH.

2. Preste atención a la 'curva de desmagnetización' y al punto de inflexión

Durante el diseño del motor, el punto de operación del imán debe permanecer bastante alejado del 'punto de inflexión' en la curva de desmagnetización. Bajo una temperatura de funcionamiento máxima y una corriente desmagnetizante máxima, el imán aún debería funcionar en la región segura. Al seleccionar, solicite al fabricante que proporcione curvas de desmagnetización y datos de simulación a diferentes temperaturas.

3. Mejorar la gestión térmica

• Utilice grasa térmica o almohadillas térmicas entre el estator y la carcasa.

• Diseñe rutas de disipación de calor adecuadas, agregando aire forzado o refrigeración líquida si es necesario.

• Coloque sensores de temperatura dentro del motor o cerca de los devanados.

• Evite el funcionamiento prolongado del motor a plena carga en entornos de alta temperatura.

4. Controlar la corriente y la duración de la sobrecarga.

Limite la corriente máxima y la duración a través del variador para evitar una sobrecarga prolongada. Para aplicaciones que requieren un par de retención sostenido, considere reducir la corriente de retención o usar frenos mecánicos como asistencia.

5. Evite la combinación 'bloqueo + corriente alta'

Durante la parada, la fuerza contraelectromotriz es cero y toda la corriente se convierte en calor; este es uno de los escenarios de mayor riesgo para la desmagnetización. El diseño del sistema debe evitar condiciones de pérdida prolongada o implementar protección de pérdida.

6. Supervise periódicamente el estado del motor

Al monitorear parámetros como la constante de contraEMF, la corriente sin carga y el aumento de temperatura, puede determinar indirectamente si se ha producido una desmagnetización. Los sistemas de alta gama pueden incorporar estimaciones del estado en línea basadas en modelos.

VI. Resumen

La desmagnetización a alta temperatura de los imanes en motores de torsión sin marco es un riesgo 'invisible pero mortal'. No es tan obvio como un eje roto o devanados quemados, pero sigilosamente le roba al motor torque y precisión.

Para aplicaciones como robótica, mesas giratorias CNC y juntas de accionamiento directo,  gastar un poco más en imanes de alta temperatura durante la selección, dejar un margen térmico adicional en el diseño y agregar una protección de sobrecarga más en el control  a menudo puede evitar una degradación significativa del rendimiento y problemas posventa en el futuro.