'قاتل دمای بالا' موتورهای گشتاور بدون قاب: خطر مغناطیسی زدایی آهنربا چقدر جدی است؟

در سناریوهای کنترل حرکت با عملکرد بالا مانند اتصالات ربات، بازوهای رباتیک مشترک و میزهای چرخشی مستقیم، موتورهای گشتاور بدون قاب به طور فزاینده ای رایج می شوند. آنها فاقد محفظه، بدون یاتاقان هستند - اساساً یک هسته قدرت 'روتور برهنه + استاتور' که مستقیماً در ساختار مکانیکی تعبیه شده است و چگالی گشتاور بالا، استحکام بالا و ردپای فشرده را ارائه می دهد.

با این حال، بسیاری از مهندسان یک خطر بالقوه را در طول انتخاب و استفاده نادیده می گیرند:  مغناطیس زدایی غیرقابل برگشت آهنرباهای دائمی در دماهای بالا . هنگامی که مغناطیس زدایی اتفاق می افتد، موتور افت گشتاور، افزایش گرمایش را تجربه می کند و حتی ممکن است کل مفصل 'ضعیف' شود.

I. آهنرباهای یک موتور گشتاور بدون قاب چیست؟

موتورهای گشتاور فریم لس معمولاً موتورهای سنکرون آهنربای دائمی هستند که دارای آهنرباهای دائمی با کارایی بالا - که معمولاً به عنوان ' آهنربا ' نامیده می شوند - روی سطح روتور یا داخل آن نصب می شوند.

ماده اصلی آهنربا که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد  نئودیمیم-آهن-بور (NdFeB) است ، زیرا به دلیل عملکرد مغناطیسی استثنایی آن، قادر به ایجاد شار با شکاف هوا در حجم بسیار کم است - ایده آل برای موتورهای گشتاور بدون قاب که به چگالی گشتاور بسیار بالایی نیاز دارند.

اما NdFeB یک ضعف ذاتی دارد:  مقاومت نسبتاً ضعیف در برابر حرارت.

II. چگونه مغناطیس زدایی در دمای بالا رخ می دهد؟

مغناطیس آهنرباهای دائمی واقعاً 'دائمی' نیست. وقتی دما تا حد معینی افزایش می یابد، هم ترازی حوزه های مغناطیسی داخل آهنربا ناپایدار می شود و قدرت مغناطیسی به تدریج کاهش می یابد.

مغناطیس زدایی به دو نوع تقسیم می شود:

1. مغناطیس زدایی برگشت پذیر

با افزایش دما، قدرت مغناطیسی به طور موقت کاهش می یابد، اما با کاهش دما بهبود می یابد. این نوع قبلاً در طراحی موتور مورد توجه قرار گرفته است و معمولاً تا زمانی که از محدودیت ها فراتر نرود مشکلی ایجاد نمی کند.

2. مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر

اگر دما از حد تحمل آهنربا بیشتر شود، یا اگر یک میدان مغناطیسی قوی در دماهای بالا اعمال شود، برخی از حوزه های مغناطیسی برای همیشه مختل می شوند و حتی پس از بازگشت دما به حالت عادی، مغناطیس نمی تواند به طور کامل بازیابی شود. این  مغناطیس زدایی دائمی است  که ما بیشتر نگران آن هستیم.

برای آهنرباهای معمولی NdFeB، دمای بحرانی برای مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر معمولاً بین  80 درجه سانتیگراد و 150 درجه سانتیگراد بسته به درجه آهنربا است. در موتورهای گشتاور فریم لس، به دلیل ساختار فشرده و اتلاف حرارت ضعیف، دمای محلی در حین کار به راحتی می تواند از این محدوده فراتر رود.

III. چرا موتورهای گشتاور بدون قاب بیشتر در معرض مغناطیس زدایی در دمای بالا هستند؟

در مقایسه با موتورهای خانگی سنتی، موتورهای گشتاور بدون قاب دارای چندین 'تله دمای بالا' هستند:

1. ساختار فشرده، مسیرهای اتلاف حرارت ضعیف

موتورهای فریم لس مستقیماً در ساختار مکانیکی با سطح تماس محدود بین استاتور و محفظه تعبیه شده اند که استخراج گرما را دشوار می کند. بسیاری از مفاصل روباتیک دارای فضاهای بسته هستند و تنها به همرفت طبیعی یا هدایت حرارتی ساده متکی هستند که باعث افزایش دمای داخلی می شود.

2. چگالی گشتاور بالا یعنی چگالی جریان بالا

برای ارائه گشتاور بالا در یک حجم محدود، موتورهای گشتاور بدون قاب اغلب در چگالی جریان بالا کار می کنند. تلفات مس متناسب با مجذور جریان است و گرمای قابل توجهی تولید می کند.

3. شرایط اضافه بار مکرر

در طول راه اندازی، توقف های اضطراری، حفاظت از برخورد، و سناریوهای نگهداری بار، جریان موتور می تواند به طور لحظه ای به 2 تا 3 برابر مقدار نامی برسد و باعث افزایش سریع دما شود.

4. آهنرباها مستقیماً در معرض منابع گرمایی مجاور قرار می گیرند

آهنرباهای روتور در مجاورت سیم پیچ های استاتور قرار دارند. گرما از استاتور تابش می شود و از طریق شکاف هوا به روتور هدایت می شود و دمای آهنربا ممکن است به دمای سیم پیچ نزدیک شود یا حتی از آن فراتر رود.

IV. عواقب مغناطیس زدایی در دمای بالا

هنگامی که مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر رخ می دهد، موتور یک سری مشکلات را نشان می دهد:

•  ثابت گشتاور کاهش می یابد : برای جریان یکسان، گشتاور خروجی کاهش می یابد.

• Back-EMF کاهش می یابد : منحنی مشخصه موتور تغییر می کند و دقت کنترل را کاهش می دهد.

• جریان برای حفظ گشتاور بیشتر افزایش می یابد : منجر به گرمایش بیشتر - یک چرخه معیوب.

• بازده سیستم کاهش می یابد : مصرف انرژی بیشتر، بدتر شدن عمر باتری یا مصرف کلی انرژی.

• سفتی مفصل ضعیف می شود : برای ربات ها، دقت موقعیت یابی و ظرفیت بار هر دو تحت تأثیر قرار می گیرند.

آنچه بدتر می کند این است که این تخریب تدریجی و غیرقابل برگشت است. کاربران ممکن است فقط متوجه شوند که 'موتور احساس می‌کند قدرت کمتری دارد' در طول زمان، بدون اینکه قادر به شناسایی یک عیب آشکار باشند.

V. چگونه می توان خطر مغناطیس زدایی در دمای بالا را کاهش داد؟

خبر خوب این است که از طریق انتخاب، طراحی و استراتژی های کنترل مناسب، می توان خطر را به میزان قابل توجهی کاهش داد.

1. آهنرباهایی با درجه حرارت بالاتر انتخاب کنید

آهنرباهای NdFeB در درجه‌های دمایی متفاوتی وجود دارند، معمولاً N، M، H، SH، UH، EH، و غیره. به عنوان مثال:

•  سری N: حداکثر دمای عملیاتی 80 درجه سانتی گراد

• سری H: 120 درجه سانتی گراد

• سری SH: 150 درجه سانتی گراد

•  سری UH: 180 درجه سانتیگراد

•  سری EH: 200 درجه سانتی گراد

برای موتورهای گشتاور بدون قاب، به ویژه در کاربردهای اتصال رباتیک، توصیه می شود حداقل  درجه SH یا بالاتر و در صورت امکان، UH یا EH انتخاب شود.

2. به 'منحنی مغناطیس زدایی' و نقطه زانو توجه کنید

در طول طراحی موتور، نقطه کار آهنربا باید به خوبی از 'نقطه زانو' در منحنی مغناطیس زدایی فاصله داشته باشد. تحت حداکثر دمای کار و حداکثر جریان مغناطیس زدایی، آهنربا همچنان باید در منطقه ایمن کار کند. هنگام انتخاب، از سازنده بخواهید منحنی های مغناطیس زدایی و داده های شبیه سازی را در دماهای مختلف ارائه دهد.

3. افزایش مدیریت حرارتی

• از گریس حرارتی یا پدهای حرارتی بین استاتور و محفظه استفاده کنید.

• مسیرهای اتلاف حرارت مناسب را طراحی کنید و در صورت لزوم هوای اجباری یا خنک کننده مایع را اضافه کنید.

• سنسورهای دما را در داخل موتور یا نزدیک سیم پیچ ها قرار دهید.

• از کارکرد طولانی مدت موتور در محیط های با دمای بالا اجتناب کنید.

4. مدت زمان جریان و اضافه بار را کنترل کنید

حداکثر جریان و مدت زمان را از طریق درایو برای جلوگیری از اضافه بار طولانی مدت محدود کنید. برای کاربردهایی که نیاز به گشتاور نگهدارنده پایدار دارند، کاهش جریان نگهدارنده یا استفاده از ترمزهای مکانیکی را به عنوان کمک در نظر بگیرید.

5. از ترکیب 'stall + جریان بالا' اجتناب کنید

در حین توقف، EMF برگشتی صفر است و تمام جریان به گرما تبدیل می شود - این یکی از سناریوهای پرخطر برای مغناطیس زدایی است. طراحی سیستم باید از شرایط توقف طولانی مدت جلوگیری کند یا حفاظت از استال را اجرا کند.

6. به طور منظم وضعیت موتور را کنترل کنید

با نظارت بر پارامترهایی مانند ثابت back-EMF، جریان بدون بار و افزایش دما، می توانید به طور غیرمستقیم تعیین کنید که آیا مغناطیس زدایی رخ داده است یا خیر. سیستم‌های پیشرفته می‌توانند تخمین حالت آنلاین مبتنی بر مدل را ترکیب کنند.

VI. خلاصه

مغناطیس زدایی آهنرباها در دمای بالا در موتورهای گشتاور بدون قاب یک خطر 'نامرئی اما مرگبار' است. این به اندازه شفت شکسته یا سیم پیچ سوخته آشکار نیست، اما به طور پنهانی گشتاور و دقت موتور را از بین می برد.

برای کاربردهایی مانند روباتیک، میزهای چرخشی CNC و اتصالات درایو مستقیم،  صرف کمی بیشتر روی آهنرباهای درجه حرارت بالا در حین انتخاب، ایجاد حاشیه حرارتی اضافی در طراحی و افزودن یک محافظ اضافه بار دیگر در کنترل،  اغلب می تواند از کاهش قابل توجه عملکرد و مشکلات پس از فروش در جاده جلوگیری کند.