افزایش دما و مغناطیس زدایی موتورهای گشتاور بدون قاب

1. یک پدیده ضد شهودی: چرا آهسته تر خطرناک تر است؟

برای بسیاری از مهندسان، شهود این است که هرچه یک موتور سریعتر کار کند، گرمتر می شود. اما در دنیای موتورهای گشتاور بدون فریم ، این منطق دقیقاً معکوس است.

یک موتور گشتاور بدون قاب فاقد محفظه، بدون یاتاقان و بدون شفت خروجی است. این در اصل یک هسته قدرت متشکل از 'روتور برهنه + استاتور' است که مستقیماً در یک ساختار مکانیکی تعبیه شده است. این دستگاه در حفره‌های بسیار تنگی مانند اتصالات ربات، بازوهای ربات مشترک و میزهای چرخشی مستقیم قرار می‌گیرد، جایی که شرایط اتلاف گرما به مراتب بدتر از موتورهای معمولی است. و رایج‌ترین سناریوی عملیاتی آن - نگه داشتن اتصال با سرعت کم و خروجی گشتاور بالا - دقیقاً شرایط کاری است که به احتمال زیاد آهن‌رباها را «پخت» می‌کند.

دلیل آن ساده است: در سرعت کم، EMF عقب بسیار کم است، بنابراین درایو باید به طور مداوم جریان زیادی را برای حفظ گشتاور تولید کند. تلفات مس متناسب با مجذور جریان است و این گرما همگی در سیم‌پیچ‌های استاتور جمع می‌شود، در حالی که آهن‌رباهای روی روتور تقریباً هیچ مسیر مستقیم اتلاف گرما ندارند. نتیجه این است که هر چه سرعت کمتر باشد، آهنربا داغتر می شود. در آزمایش پیاده‌روی مداوم 5 کیلومتری یک ربات انسان‌نما، دمای مفصل 80 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شد که در حال حاضر به مرز شکست در دمای بالا برای اکثر گریس‌ها نزدیک شده است.

افزایش دما یک مشکل مجزا نیست. این به طور همزمان عایق سیم پیچ (تسریع پیری)، روانکاری یاتاقان (کاهش عملکرد)، و مهمتر از همه، خود آهنرباهای دائمی را تهدید می کند. هنگامی که مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر رخ می دهد، قابلیت گشتاور موتور برای همیشه کاهش می یابد.

2. دو چهره مغناطیس زدایی: یکی که 'برمی گردد' یکی که هرگز نخواهد شد

NdFeB (نئودیمیم آهن بور) در حال حاضر ماده اصلی آهنربا برای موتورهای گشتاور بدون قاب است. دمای کوری آن حدود 310 تا 370 درجه سانتیگراد است که دور از محدوده عملکرد موتور به نظر می رسد. اما آنچه واقعاً تعیین می‌کند چه مدت می‌توان از آهنربا استفاده کرد، دمای کوری نیست، بلکه ضریب دمایی فشار است - معمولاً بین -0.55٪/°C و -0.65٪/°C.

معنای این ضریب این است که به ازای هر 1 درجه سانتیگراد افزایش دما، توانایی آهنربا برای مقاومت در برابر میدان مغناطیسی زدایی خارجی با 0.55٪ کاهش می یابد و به 0.65٪ می رسد. از 20 درجه سانتیگراد تا 80 درجه سانتیگراد، اجبار در حال حاضر حدود 36٪ از دست داده است. در دمای 100 درجه سانتی گراد، تلفات نزدیک به نصف است. هنگامی که اجبار به زیر میدان مغناطیسی زدایی ایجاد شده توسط واکنش آرمیچر می رسد، هم ترازی حوزه مغناطیسی برای همیشه آسیب می بیند.

مغناطیس زدایی به دو دسته تقسیم می شود:

مغناطیس زدایی برگشت پذیر  یک 'هشدار کاذب' است. هنگامی که دما افزایش می یابد، نیروی مغناطیسی کاهش می یابد. هنگامی که دما کاهش می یابد، بهبود می یابد. موتور 'جریان بیشتر در گرما بازیابی' را نشان می دهد. به نظر خوب می رسد، اما در واقعیت در لبه بحرانی شناور است.

مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر  مشکل واقعی است. هنگامی که دما از آن چیزی بیشتر شود که آهنربا می تواند تحمل کند، یا زمانی که یک میدان مغناطیسی معکوس به اندازه کافی قوی در دمای بالا قرار می گیرد، بخشی از هم ترازی حوزه مغناطیسی برای همیشه آسیب می بیند و نیروی مغناطیسی حتی پس از بازگشت دما به حالت عادی نمی تواند به طور کامل بازیابی شود.

مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر نیز دارای اشکال 'جزئی' و 'کلی' است. مغناطیس زدایی جزئی اغلب از گوشه های آهنربا شروع می شود - جریان های گردابی در گوشه ها متمرکز می شوند، جایی که ابتدا دمای بحرانی شکسته می شود. این به صورت افت 3 تا 5 درصدی در KE ثابت پشت EMF ظاهر می شود. در همان سرعت، جریان بیشتری برای حفظ گشتاور مورد نیاز است، دما بیشتر می‌شود و یک چرخه معیوب شکل می‌گیرد. مغناطیس زدایی کلی نتیجه فراتر از دمای 120 درجه سانتیگراد کل دستگاه برای مدت طولانی است که KE بیش از 10 درصد کاهش می یابد. موتور برای انجام همان کار باید '10٪ دریچه گاز اضافه کند' و وارد یک مارپیچ مرگ با بازخورد مثبت 'حرارتی- مغناطیسی' شود.

برای آهنرباهای متداول NdFeB، دمای بحرانی برای مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر معمولاً بین 80 درجه سانتیگراد و 150 درجه سانتیگراد بسته به درجه آهنربا است. درجه های دمای بالا می توانند آستانه را به 150 درجه سانتیگراد یا حتی بالاتر برسانند، اما این قیمت تعادلی بین عملکرد مغناطیسی و هزینه است.

3. گرما از کجا می آید و از کجا به دام می افتد؟

منابع حرارتی موتورهای گشتاور بدون فریم پیچیده تر از موتورهای معمولی هستند و تقریباً می توان آنها را به چهار دسته تقسیم کرد:

از دست دادن مس  اساسی ترین است. تلفات I⊃2;R حاصل از مقاومت سیم پیچ تحت جریان پیوسته با مجذور جریان متناسب است. مشکل این است که موتورهای بدون فریم به دنبال چگالی گشتاور بالا، اغلب از طرح‌هایی با ضریب پر کردن شکاف بالا و سیم نازک استفاده می‌کنند، بنابراین خود مقاومت سیم‌پیچ نسبتاً بزرگ است. حتی یک جریان کوچک گرمای پایه قابل توجهی تولید می کند و یک حلقه بازخورد مثبت از 'گرمایش → افزایش مقاومت → گرمایش بیشتر' را تشکیل می دهد.

از دست دادن آهن  به ویژه در طرح های با تعداد قطب های بالا برجسته است. طرح های متداول 16-32 قطبی در موتورهای گشتاور بدون قاب، فرکانس متناوب میدان مغناطیسی را بسیار بیشتر از سروو موتورهای معمولی می کند. حتی در سرعت کم و بدون بار، تلفات هیسترزیس و جریان گردابی در هسته آهنی قابل توجه است.

از دست دادن جریان گردابی روتور  یک منبع گرمای پنهان است که به راحتی نادیده گرفته می شود. اثر چسبندگی استاتور و هارمونیک های حامل PWM جریان های گردابی را در سطح آهنرباهای روتور القا می کنند. این گرما مستقیماً در داخل آهنرباها تولید می شود و تقریباً هیچ مسیری برای هدایت به بیرون ندارد.

زیان های اضافی معرفی شده توسط استراتژی کنترل،  پنهان ترین دسته هستند. خطای جهت‌گیری میدان FOC، فعال‌سازی مداوم تزریق فرکانس بالا با سرعت صفر، و جریان‌های اصلاحی پیوسته ناشی از پارامترهای PID نامناسب - این 'جریان‌های نامرئی' به طور مداوم باعث تلفات مس می‌شوند حتی در شرایط بدون بار، که دلیل اصلی بسیاری از مهندسان است که 'در بدون بار نیز گرم است.'

پس از قرار گرفتن این چهار مسیر حرارتی، دمای واقعی آهنربا معمولاً 8 تا 12 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای سطح محفظه است. وقتی با دماسنج مادون قرمز دمای 70 درجه سانتیگراد را روی سطح محفظه می خوانید، آهنرباها ممکن است روی خط قرمز 80 درجه سانتیگراد قرار گرفته باشند.

4. سه خط سخت در انتخاب

هنگامی که مکانیسم افزایش دما درک شود، منطق انتخاب روشن می شود. انتخاب دما برای موتورهای گشتاور بدون فریم را می توان در سه خط سخت، مربوط به سه سطح مختلف هدف حفاظتی خلاصه کرد.

خط اول: درجه آهنربا 'خط پایین' را تعیین می کند

آهنرباهای NdFeB با توجه به نیروی اجباری ذاتی به سطوح درجه چندتایی تقسیم می شوند که مقاومت دما به صورت گام به گام افزایش می یابد:

سری N درجه استاندارد، مناسب برای کاربردهای دمای اتاق، با مقاومت دمایی حدود 80 درجه سانتیگراد است. سری H دمای 120 درجه سانتی گراد، سری SH 150 درجه سانتی گراد و سری UH 180 درجه سانتی گراد را تحمل می کند. از N تا UH، عناصر خاکی کمیاب Dy و Tb برای بهبود ضریب دمایی فشار اضافه می‌شوند، اما هزینه نیز با ضریب 1.5 تا 3 افزایش می‌یابد.

برای کاربردهای معمولی موتورهای گشتاور بدون قاب - مفاصل ربات و بازوهای ربات مشترک - درجه SH یا بالاتر نقطه شروع توصیه شده است . دلیل آن این است که موتورهای بدون فریم ذاتاً شرایط اتلاف گرمای سختی دارند و 'دیفرانسیل پنهان' بین دمای کارکرد آهنربا و دمای محفظه می تواند به 15 درجه سانتی گراد برسد. ممکن است سری N روی کاغذ کافی به نظر برسد، اما در عملکرد واقعی می تواند به راحتی از خط عبور کند. به عنوان مثال، موتور مفصل زانو نسل اول یک ربات انسان نما، مغناطیس زدایی را در شرایط استال تأیید نکرد. پس از ضربه های مکرر سقوط، آهنرباها دچار مغناطیس زدایی غیرقابل برگشت شدند و گشتاور خروجی به طور دائم بیش از 15 درصد کاهش یافت.

خط دوم: کلاس عایق 'سقف' را تعیین می کند.

کلاس عایق سیم پیچی یکی دیگر از محدودیت های دما است و اغلب زودتر از آهن ربا به حد خود می رسد. عایق کلاس F دارای دمای نامی 155 درجه سانتیگراد است که در حال حاضر پیکربندی اصلی برای موتورهای گشتاور بدون قاب است. عایق کلاس B (130 درجه سانتیگراد) در برخی از محصولات حساس به هزینه یا فضای بسیار محدود ظاهر می شود.

بین دمای آهنربا و دمای سیم پیچ اتصال حرارتی وجود دارد: گرمای سیم پیچ از طریق هسته استاتور به روتور هدایت می شود و در نهایت بر آهنرباها تأثیر می گذارد. بنابراین، محدودیت عایق سیم پیچ 155 درجه سانتیگراد در واقع سقف غیر مستقیمی را برای دمای آهنربا نیز تعیین می کند. منطق تأیید مهندسی این است که، در حالت پایدار حرارتی، دمای سیم‌پیچ نباید از حد کلاس عایق تجاوز کند، در حالی که دمای آهن‌ربا نباید از دمای بحرانی مغناطیس زدایی تجاوز کند – دومی معمولاً زودتر به گلوگاه تبدیل می‌شود.

در عمل صنعتی، حداکثر دمای کار مداوم آهنرباهای NdFeB SH معمولاً 120 درجه سانتیگراد تنظیم می شود. بالاتر از این مقدار، موتور شروع به ورود به محدوده خطر مغناطیس زدایی می کند.

خط سوم: محدودیت فعلی 'مرز پویا' را تعیین می کند.

علاوه بر دمای حالت پایدار، عامل دینامیکی دیگری نیز وجود دارد که اغلب نادیده گرفته می‌شود:  خطر مغناطیس زدایی تحت پیک جریان..

موتورهای گشتاور دارای حداکثر گشتاور و گشتاور استال هستند. حداکثر گشتاور، گشتاور شروع برای مدت کوتاهی است که معمولاً فقط 10 تا 15 ثانیه طول می کشد. گشتاور استال مقداری است که می تواند به طور مداوم خروجی شود. هنگامی که پیک جریان خیلی زیاد است، میدان مغناطیسی زدایی ایجاد شده توسط واکنش آرمیچر ممکن است مستقیماً باعث مغناطیس زدایی غیرقابل برگشت در شرایط دمای بالا شود.

حداکثر جریان یک موتور گشتاور مستقیم محرک محدود شده توسط مغناطیس زدایی با آهنربای دائم، «نقطه محدودیت مغناطیس زدایی» آن است. در برخی محصولات، پس از استفاده از آهنرباهای با کارایی بالا، گشتاور تنها با افزایش دما حداکثر محدود می شود و حداکثر گشتاور را می توان تا حد زیادی افزایش داد. اما اگر درجه آهنربا کافی نباشد، مغناطیس زدایی اولین محدودیتی است که ایجاد می شود.

در طول انتخاب، لازم است نه تنها افزایش دما تحت جریان مداوم، بلکه همچنین بررسی اینکه آیا جریان در شرایط توقف و اضافه بار گذرا از حد مغناطیس زدایی آهنربا در آن دما فراتر می رود، بررسی شود. این حد معمولاً توسط منحنی مغناطیس زدایی تامین کننده آهنربا داده می شود و باید در ترکیب با محاسبات واکنش آرمیچر در طراحی موتور تعیین شود.

5. رویکردهای مهندسی به خنک سازی

ماهیت کنترل افزایش دما ایجاد تعادل بین تولید گرما و حذف گرما است. برای موتورهای گشتاور بدون قاب، چندین مسیر مهندسی بالغ وجود دارد.

گلدان  در حال حاضر اصلی ترین وسیله برای افزایش اتلاف گرما است. TQ Robodrive از فن‌آوری کپسوله‌سازی اپوکسی و گلدان استفاده می‌کند و Kinco پیشگام فرآیند گلدان بدون قاب بود. منطق اصلی هر دو این است که شکاف های داخلی موتور را با مواد گلدان با رسانایی حرارتی بالا پر کنید، به طوری که گرمای سیم پیچ سریعتر به هسته استاتور و فلنج نصب می شود. رسانایی حرارتی مواد گلدان می تواند به 1.4-1.6 W/mK برسد که بسیار بیشتر از هوا است.

کانال های خنک کننده آب  برای اتصالات فشرده و سناریوهای دیگر با چگالی شار حرارتی بالا مناسب هستند. کانال های مارپیچ در آستین یا محفظه استاتور بریده می شوند و مایع خنک کننده از آنها عبور می کند که می تواند مستقیماً افزایش دما را 40 تا 60 درجه سانتیگراد کاهش دهد. هزینه افزایش پیچیدگی سیستم و الزامات آب بندی است.

بهینه سازی استراتژی کنترل  یک مسیر بدون هزینه سخت افزاری است. تنظیم مجدد نقطه صفر قطب مغناطیسی، بهینه سازی پارامترهای PID، مدیریت تزریق فرکانس بالا با سرعت صفر، و فعال کردن کنترل حداقل جریان می تواند جریان ثابت نگهدارنده را 50٪ تا 80٪ بدون تغییر سخت افزار کاهش دهد. برای سیستم‌هایی که قبلاً مشکلات گرمایش بدون بار دارند، بهینه‌سازی کنترل اغلب نتایج فوری‌تری نسبت به اضافه کردن اقدامات اتلاف گرما ایجاد می‌کند.

سنسورهای دمای داخلی  نکته اصلی ایمنی هستند. NTC (100k) و PT1000 در حال حاضر پیکربندی‌های استاندارد اندازه‌گیری دما برای موتورهای گشتاور بدون قاب هستند که دمای سیم‌پیچ را در زمان واقعی نظارت می‌کنند و هنگام نزدیک شدن به حد مجاز، باعث کاهش یا محافظت می‌شوند. اما توجه داشته باشید که سنسور دمای سیم‌پیچ را اندازه‌گیری می‌کند، نه دمای آهن‌ربا - تفاوت بین این دو به کیفیت طراحی مسیر اتلاف گرما بستگی دارد و حاشیه ایمنی کافی باید در طول انتخاب باقی بماند.

نتیجه گیری

انتخاب دما برای موتورهای گشتاور بدون قاب اساساً تعادل بین سه محدودیت است: درجه آهنربا تعیین می کند که درجه حرارت بالا را می توانید تحمل کنید، کلاس عایق سقف سیم پیچ را تعیین می کند و حد جریان مرز شرایط عملکرد دینامیکی را تعیین می کند. این سه خط با یکدیگر جفت می شوند و اگر یکی از آنها شکسته شود، می تواند یک واکنش زنجیره ای از مغناطیس زدایی تا فرسودگی را ایجاد کند.

عملی ترین رویکرد این است:  در مرحله انتخاب، سخت ترین شرایط اتلاف گرما را در نظر بگیرید ، یک درجه آهنربا به سمت بالا حرکت کنید، حاشیه افزایش دما زیاد بگذارید، و تأیید مغناطیس زدایی در شرایط توقف و اضافه بار را یک مورد اجباری کنید. به هر حال، مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر است - این به شما فرصتی دوباره نمی دهد.