Raamita pöördemomendimootorite 'kõrge temperatuuriga palgamõrvar': kui tõsine on magneti demagnetiseerimise oht?

Suure jõudlusega liikumisjuhtimise stsenaariumide puhul, nagu robotliigendid, koostööl töötavad robotkäed ja otseajamiga pöördlauad, raamita pöördemomendiga mootorid muutuvad üha tavalisemaks. Neil pole korpust ega laagreid – sisuliselt 'paljas rootor + staator' toitesüdamik, mis on manustatud otse mehaanilisse konstruktsiooni, tagades suure pöördemomenditiheduse, suure jäikuse ja kompaktse jalajälje.

Kuid paljud insenerid eiravad valiku ja kasutamise ajal potentsiaalset ohtu:  püsimagnetite pöördumatu demagnetiseerimine kõrgel temperatuuril . Kui demagnetiseerimine toimub, langeb mootori pöördemoment, kuumenemine suureneb ja kogu liigend võib isegi 'nõrgaks' jääda.

I. Mis on raamita pöördemomendiga mootori magnetid?

Raamita pöördemomendiga mootorid on tavaliselt püsimagnetitega sünkroonmootorid, mille rootori pinnale või sisse on paigaldatud suure jõudlusega püsimagnetid (mida tavaliselt nimetatakse 'magnetiteks').

Tänapäeval kasutatav peamine magnetmaterjal on  neodüüm-raud-boor (NdFeB) , kuna selle erakordne magnetiline jõudlus on võimeline tekitama suure õhupilu voogu väga väikeses mahus – ideaalne raamita pöördemomendiga mootoritele, mis nõuavad väga suurt pöördemomenditihedust.

Kuid NdFeB-l on omane nõrkus:  suhteliselt halb kuumakindlus.

II. Kuidas toimub kõrgtemperatuuriline demagnetiseerumine?

Püsimagnetite magnetism ei ole tõeliselt 'püsiv'. Kui temperatuur tõuseb teatud tasemeni, muutub magnetdomeenide joondamine magnetis ebastabiilseks ja magnettugevus väheneb järk-järgult.

Demagnetiseerimine jaguneb kahte tüüpi:

1. Pööratav demagnetiseerimine

Magnettugevus temperatuuri tõustes ajutiselt väheneb, kuid temperatuuri langedes taastub. Seda tüüpi on mootoriehituses juba arvestatud ja see ei ole tavaliselt probleem, kuni piire ei ületata.

2. Pöördumatu demagnetiseerimine

Kui temperatuur ületab magneti taluvuspiiri või kui kõrgetel temperatuuridel rakendatakse tugevat demagnetiseerivat välja, on mõned magnetdomeenid püsivalt häiritud ja magnetism ei saa täielikult taastuda isegi pärast temperatuuri normaliseerumist. See on  püsiv demagnetiseerimine,  mille pärast oleme kõige rohkem mures.

Tavaliste NdFeB magnetite puhul on pöördumatu demagnetiseerimise kriitiline temperatuur tavaliselt vahemikus  80 °C kuni 150 °C , sõltuvalt magneti kvaliteedist. Raamita pöördemomendiga mootorites võivad nende kompaktse struktuuri ja halva soojuse hajumise tõttu kohalikud temperatuurid töötamise ajal kergesti ületada selle vahemiku.

III. Miks on raamita pöördemomendiga mootorid kõrge temperatuuriga demagnetiseerimise suhtes vastuvõtlikumad?

Võrreldes traditsiooniliste korpusega mootoritega on raamita pöördemomendiga mootoritel mitu 'kõrge temperatuuri lõksu':

1. Kompaktne struktuur, halvad soojuse hajumise teed

Raamita mootorid on manustatud otse mehaanilisse konstruktsiooni, staatori ja korpuse vaheline kontaktpind on piiratud, mis muudab soojuse eraldamise keeruliseks. Paljudel robotliigenditel on suletud ruumid ja need tuginevad ainult loomulikule konvektsioonile või lihtsale soojusjuhtivusele, mis põhjustab sisetemperatuuri tõusu.

2. Suur pöördemomendi tihedus tähendab suurt voolutihedust

Suure pöördemomendi tagamiseks piiratud mahus töötavad raamita pöördemomendiga mootorid sageli suure voolutihedusega. Vase kaod on võrdelised voolu ruuduga, tekitades märkimisväärset soojust.

3. Sagedased ülekoormustingimused

Käivitamise, hädaseiskamise, kokkupõrkekaitse ja koormuse hoidmise stsenaariumide ajal võivad mootori voolud jõuda hetkeks 2–3 korda nimiväärtusest, põhjustades kiiret temperatuuri tõusu.

4. Magnetid puutuvad vahetult kokku läheduses asuvate soojusallikatega

Rootori magnetid on staatori mähiste vahetus läheduses. Soojus staatorist kiirgub ja juhitakse läbi õhupilu rootorile ning magneti temperatuur võib läheneda mähise temperatuurile või isegi ületada seda.

IV. Kõrgtemperatuurilise demagnetiseerimise tagajärjed

Kui pöördumatu demagnetiseerimine toimub, ilmneb mootoril rida probleeme:

•  Pöördemomendi konstant väheneb : Sama voolu korral väljundmoment langeb.

• Tagasi-EMF väheneb : Mootori karakteristikukõver muutub, vähendades juhtimise täpsust.

• Pöördemomendi säilitamiseks suureneb vool veelgi : see viib rohkem kuumenemiseni – nõiaring.

• Süsteemi efektiivsus väheneb : suurem energiatarbimine, halveneb aku kasutusiga või üldine energiatarve.

• Liigeste jäikus nõrgeneb : robotite puhul mõjutavad nii positsioneerimistäpsust kui ka kandevõimet.

Asja teeb hullemaks see, et see lagunemine on järkjärguline ja pöördumatu. Kasutajad võivad ainult märgata, et 'mootor tundub vähem võimas' aja jooksul, ilma et nad suudaksid ilmset viga tuvastada.

V. Kuidas vähendada magneti kõrgtemperatuurse demagnetiseerimise ohtu?

Hea uudis on see, et õige valiku, kavandamise ja kontrollistrateegiate abil saab riski oluliselt maandada.

1. Valige kõrgema temperatuuriklassiga magnetid

NdFeB magnetid on erineva temperatuuriklassiga, tavaliselt N, M, H, SH, UH, EH jne. Mida kaugemal on täht tähestikus, seda kõrgem on temperatuuri võime. Näiteks:

•  N-seeria: maksimaalne töötemperatuur 80°C

• H-seeria: 120°C

• SH-seeria: 150°C

•  UH seeria: 180°C

•  EH-seeria: 200°C

Raamita pöördemomendiga mootorite puhul, eriti robotliigendirakendustes, on soovitatav valida vähemalt  SH-klass või kõrgem ning võimalusel UH või EH.

2. Pöörake tähelepanu 'demagnetiseerimiskõverale' ja põlvepunktile

Mootori projekteerimise ajal peaks magneti tööpunkt jääma demagnetiseerimiskõvera 'põlvepunktist' kaugele. Maksimaalse töötemperatuuri ja maksimaalse demagnetiseerimisvoolu korral peaks magnet siiski töötama ohutus piirkonnas. Valides paluge tootjal esitada demagnetiseerimiskõverad ja simulatsiooniandmed erinevatel temperatuuridel.

3. Täiustage soojusjuhtimist

• Staatori ja korpuse vahel kasutage termomääret või termopatju.

• Projekteerige korralikud soojuse hajumise teed, lisades vajadusel sundõhk- või vedelikjahutust.

• Asetage temperatuuriandurid mootori sisse või mähiste lähedusse.

• Vältige mootori pikaajalist täiskoormusega töötamist kõrge temperatuuriga keskkondades.

4. Kontrolli voolu ja ülekoormuse kestust

Pikaajalise ülekoormuse vältimiseks piirake ajami kaudu tippvoolu ja kestust. Rakenduste puhul, mis nõuavad püsivat pöördemomenti, kaaluge hoidevoolu vähendamist või mehaaniliste pidurite kasutamist.

5. Vältige kombinatsiooni 'seiskumine + suur vool'.

Seiskumise ajal on tagasi-EMF null ja kogu vool muundatakse soojuseks – see on üks suurima riskiga demagnetiseerimise stsenaariume. Süsteemi projekteerimisel tuleks vältida pikaajalisi seiskumistingimusi või rakendada varisemiskaitset.

6. Jälgige regulaarselt mootori seisukorda

Jälgides selliseid parameetreid nagu tagasi-EMF konstant, tühivooluvool ja temperatuuri tõus, saate kaudselt kindlaks teha, kas demagnetiseerimine on toimunud. Tipptasemel süsteemid võivad hõlmata mudelipõhist online-oleku hindamist.

VI. Kokkuvõte

Magnetite kõrgel temperatuuril demagnetiseerimine raamita pöördemomendiga mootorites on 'nähtamatu, kuid surmav' risk. See ei ole nii ilmne kui purunenud võll või põlenud mähised, kuid see röövib mootorilt vargsi pöördemomenti ja täpsust.

Selliste rakenduste puhul nagu robootika, CNC-pöördlauad ja otseajamiga liigendid,  kui kulutate valiku ajal kõrge temperatuuriga magnetitele veidi rohkem, jättes disainile täiendava soojusvaru ja lisades kontrollile veel ühe ülekoormuskaitse,  võib sageli ära hoida jõudluse märkimisväärset halvenemist ja müügijärgseid probleeme.