Kehyksettömien momenttimoottorien lämpötilan nousu ja demagnetointi

1. Intuitiivinen ilmiö: miksi hitaampi on vaarallisempaa?

Monien insinöörien intuitio on, että mitä nopeammin moottori käy, sitä kuumemmaksi se tulee. Mutta maailmassa kehyksettömät vääntömomenttimoottorit , tämä logiikka on täsmälleen päinvastainen.

Kehyksettömässä vääntömomenttimoottorissa ei ole koteloa, laakereita eikä lähtöakselia. Se on pohjimmiltaan tehoydin, joka koostuu 'paljasta roottorista + staattorista', joka on upotettu suoraan mekaaniseen rakenteeseen. Se on pakattu äärimmäisen ahtaisiin onteloihin, kuten robottiliitoksiin, yhteiskäyttöisiin robottivarsiin ja suoravetoisiin pyöriviin pöytiin, joissa lämmönpoistoolosuhteet ovat paljon huonommat kuin perinteisissä koteloiduissa moottoreissa. Ja sen yleisin käyttöskenaario – hidas nivelen pito ja suuri vääntömomentti – on juuri se toimintatila, joka todennäköisimmin 'keittää' magneetteja.

Syy on yksinkertainen: alhaisella nopeudella taka-EMF on hyvin pieni, joten taajuusmuuttajan on jatkuvasti syötettävä suurta virtaa vääntömomentin ylläpitämiseksi. Kuparihäviö on verrannollinen virran neliöön, ja tämä lämpö kerääntyy kaikki staattorin käämiin, kun taas roottorin magneeteilla ei juuri ole suoraa lämmönpoistopolkua. Tuloksena on, että mitä pienempi nopeus, sitä kuumempia magneetit ovat. Humanoidirobotin 5 km:n jatkuvassa kävelytestissä nivelen lämpötila oli 80°C, mikä on jo lähellä useimpien rasvojen korkean lämpötilan vikarajaa.

Lämpötilan nousu ei ole yksittäinen ongelma. Se uhkaa samanaikaisesti käämien eristystä (kiihtynyt ikääntyminen), laakereiden voitelua (suorituskyvyn heikkeneminen) ja, mikä tärkeintä, itse kestomagneetteja. Kun palautumaton demagnetoituminen tapahtuu, moottorin vääntömomenttikyky heikkenee pysyvästi.

2. Demagnetisaation kaksi kasvoa: yksi, joka 'palaa' yksi, joka ei koskaan tule

NdFeB (neodyymirautaboori) on tällä hetkellä yleisin magneettimateriaali kehyksettömille momentimoottoreille. Sen Curie-lämpötila on noin 310–370 °C, mikä näyttää kaukana moottorin toiminta-alueelta. Mutta se, mikä todella määrää, kuinka kauan magneettia voidaan käyttää, ei ole Curie-lämpötila, vaan koersitiivisen lämpötilakerroin - tyypillisesti välillä -0,55 %/°C ja -0,65 %/°C.

Tämän kertoimen merkitys on, että jokaista 1°C lämpötilan nousua kohden magneetin kyky vastustaa ulkoista demagnetoivaa kenttää laskee 0,55 % - 0,65 %. 20 °C:sta 80 °C:seen koersitiivisuus on jo menettänyt noin 36 %. 100°C:ssa häviö on lähes puolet. Kun koersitiivisuus laskee ankkurireaktion synnyttämän demagnetisoivan kentän alapuolelle, magneettikentän kohdistus vaurioituu pysyvästi.

Demagnetointi jakautuu kahteen luokkaan:

Käännettävä demagnetointi  on 'väärä hälytys'. Kun lämpötila nousee, magneettinen voima pienenee; kun lämpötila laskee, se palautuu. Moottori näyttää 'suurempaa virtaa kuumana, palautumista kylmänä.' Näyttää hyvältä, mutta todellisuudessa se leijuu jo kriittisellä reunalla.

Peruuttamaton demagnetointi  on todellinen ongelma. Kun lämpötila ylittää magneetin kestävyyden tai kun riittävän voimakas käänteinen magneettikenttä on päällekkäin korkeassa lämpötilassa, osa magneettikentän kohdistuksesta vaurioituu pysyvästi, eikä magneettinen voima pysty täysin palautumaan edes lämpötilan palautuessa normaaliksi.

Peruuttamattomalla demagnetisoinnilla on myös 'osittais' ja 'kokonais' muotoja. Osittainen demagnetointi alkaa usein magneetin kulmista – pyörrevirrat keskittyvät kulmiin, joissa kriittinen lämpötila rikkoutuu ensin. Se ilmenee 3–5 %:n laskuna back-EMF-vakiossa KE; samalla nopeudella tarvitaan suurempaa virtaa vääntömomentin ylläpitämiseen, lämpötila nousee edelleen ja muodostuu noidankehä. Kokonaisdemagnetoituminen on seurausta siitä, että koko kone ylittää 120°C pitkään ja KE putoaa yli 10 %. Moottorin on 'lisättävä 10 % kaasua' tehdäkseen saman työn, päästäkseen 'lämpömagneettiseen' positiivisen palautteen kuolinspiraaliin.

Yleisesti käytettyjen NdFeB-magneettien kriittinen lämpötila palautumattomalle demagnetisoinnille on yleensä välillä 80°C - 150°C magneetin laadusta riippuen. Korkean lämpötilan arvot voivat nostaa kynnyksen lähelle 150 °C tai jopa korkeammalle, mutta hinta on kompromissi magneettisen suorituskyvyn ja kustannusten välillä.

3. Mistä lämpö tulee ja mihin se jää loukkuun?

Kehyksettömien vääntömomenttimoottorien lämmönlähteet ovat monimutkaisempia kuin perinteisten moottoreiden, ja ne voidaan karkeasti ryhmitellä neljään luokkaan:

Kuparihäviö  on alkeellisinta. Käämitysvastuksen aiheuttama I⊃2;R häviö jatkuvassa virrassa on verrannollinen virran neliöön. Ongelmana on, että suuren vääntömomenttitiheyden saavuttamiseksi kehyksettömät moottorit käyttävät usein malleja, joissa on korkea rakotäyttökerroin ja ohut lanka, joten itse käämitysvastus on suhteellisen suuri. Pienikin virta tuottaa huomattavaa peruslämpöä ja muodostaa positiivisen takaisinkytkentäsilmukan 'lämpenemisestä → vastuksen kasvusta → lisää kuumenemista'.

Rautahäviö  on erityisen näkyvää malleissa, joissa on korkea napaluku. Yleisesti käytetyt 16–32-napaiset kehyksettömien vääntömomenttimoottoreiden mallit tekevät magneettikentän vaihtotaajuudesta paljon korkeamman kuin tavallisissa servomoottoreissa. Hystereesi- ja pyörrevirtahäviöt rautasydämessä ovat jo alhaisella nopeudella ja ilman kuormitusta huomattavia.

Roottorin pyörrevirtahäviö  on helposti huomiotta jäävä piilotettu lämmönlähde. Staattorin hammastusvaikutus ja PWM-kantoaallon harmoniset indusoivat pyörrevirtoja roottorimagneettien pinnalle. Tämä lämpö syntyy suoraan magneettien sisällä, eikä sillä ole juuri mitään reittiä johtaa ulospäin.

Ohjausstrategian aiheuttamat lisähäviöt  ovat salatuin luokka. FOC-kentän suuntausvirhe, nollanopeuksisen suurtaajuisen ruiskutuksen jatkuva aktivointi ja jatkuvat korjaavat virrat, jotka johtuvat vääristä PID-parametreista – nämä 'näkymättömät virrat' tuottavat jatkuvasti kuparihäviöitä jopa kuormittamattomissa olosuhteissa, mikä on suurin syy siihen, että monet insinöörit ovat havainneet, että 'se on myös kuuma ilman kuormitusta'.

Kun nämä neljä lämpöpolkua on päällekkäin, todellinen magneetin lämpötila on yleensä 8–12°C korkeampi kuin kotelon pinnan lämpötila. Kun luet 70°C:n kotelon pinnasta infrapunalämpömittarilla, magneetit ovat saattaneet astua 80°C:n punaiselle viivalle.

4. Kolme kovaa viivaa valinnassa

Kun lämpötilan nousumekanismi on ymmärretty, valinnan logiikka tulee selväksi. Kehyksettömien vääntömomenttimoottorien lämpötilan valinta voidaan tiivistää kolmeen kovaan riviin, jotka vastaavat kolmea eri suojaustasoa.

Ensimmäinen rivi: magneettiluokka määrittää 'alarivin'

NdFeB-magneetit on jaettu useisiin luokkatasoihin sisäisen koersitiivin mukaan, lämpötilan kestävyyden kasvaessa askel askeleelta:

N-sarja on vakioluokka, joka soveltuu huoneenlämpöisiin sovelluksiin ja kestää noin 80°C lämpötilaa. H-sarja kestää 120°C, SH-sarja 150°C ja UH-sarja 180°C. N:stä UH:hen lisätään raskaita harvinaisten maametallien alkuaineita Dy ja Tb parantamaan koersitiivisen lämpötilakerrointa, mutta myös hinta nousee 1,5-3-kertaiseksi.

Tyypillisissä kehyksissä vääntömomenttimoottorisovelluksissa – robottiliitokset ja yhteiskäyttöiset robottivarret – SH-luokka tai korkeampi on suositeltava lähtökohta . Syynä on se, että kehyksettömillä moottoreilla on luonnostaan ​​ankarat lämmönpoistoolosuhteet ja 'piilotettu ero' magneetin käyttölämpötilan ja kotelon lämpötilan välillä voi olla 15°C. N-sarja saattaa näyttää paperilla riittävältä, mutta todellisessa käytössä se voi helposti ylittää rajan. Esimerkiksi humanoidirobotin ensimmäisen sukupolven polvinivelmoottori ei varmistanut demagnetoitumista pysähtymisolosuhteissa. Toistuvien putoamisiskujen jälkeen magneetit kärsivät palautumattomasta demagnetoitumisesta ja ulostulomomentti putosi pysyvästi yli 15 %.

Toinen rivi: eristysluokka määrittää 'katon'

Käämien eristysluokka on toinen lämpötilarajoitus, ja se saavuttaa usein rajansa aikaisemmin kuin magneetit. Luokan F eristyksen nimellislämpötila on 155 °C, mikä on tällä hetkellä yleisin konfiguraatio kehyksettömille vääntömomenttimoottoreille. Luokan B eristys (130 °C) esiintyy joissakin kustannusherkissä tai erittäin tiukkaissa tuotteissa.

Magneetin lämpötilan ja käämin lämpötilan välillä on lämpökytkentä: käämin lämpö johdetaan staattorin sydämen kautta roottoriin ja vaikuttaa lopulta magneetteihin. Siksi käämin eristysraja 155°C asettaa itse asiassa epäsuoran katon myös magneetin lämpötilalle. Teknisen varmennuslogiikka on, että lämpövakaassa tilassa käämin lämpötila ei saa ylittää eristysluokan rajaa, kun taas magneetin lämpötila ei saa ylittää demagnetisaatiokriittistä lämpötilaansa - jälkimmäinen tulee yleensä pullonkaulaksi aikaisemmin.

Teollisuuskäytännössä NdFeB SH -luokan magneettien jatkuvan käyttölämpötilan enimmäislämpötila on yleensä 120°C. Tämän arvon yläpuolella moottori alkaa siirtyä demagnetisoitumisriskialueelle.

Kolmas rivi: virtaraja määrittää 'dynaamisen rajan'

Vakiintuneen tilan lämpötilan lisäksi on toinen dynaaminen tekijä, joka usein unohdetaan:  demagnetoitumisriski huippuvirran aikana.

Momenttimoottoreilla on huippuvääntömomentti ja pysähtymismomentti. Huippuvääntömomentti on lyhytaikainen käynnistysmomentti, joka kestää yleensä vain 10–15 sekuntia; jumitusmomentti on arvo, joka voidaan lähettää jatkuvasti. Kun huippuvirta on liian suuri, ankkurireaktion synnyttämä demagnetointikenttä voi suoraan laukaista palautumattoman demagnetisaation korkean lämpötilan olosuhteissa.

Kestomagneettien demagnetoinnin rajoittama suoravetomomenttimoottorin maksimivirta on sen 'demagnetoinnin rajapiste'. Joissakin tuotteissa tehokkaiden magneettien käytön jälkeen vääntömomenttia rajoittaa vain maksimilämpötilan nousu, ja huippuvääntömomenttia voidaan lisätä huomattavasti. Mutta jos magneetin taso on riittämätön, demagnetisoinnista tulee ensimmäinen laukaistu rajoitus.

Valinnan aikana on tarpeen varmistaa jatkuvan virran lämpötilan nousun lisäksi myös se, ylittääkö virta jumi- ja transienttiylikuormitusolosuhteissa magneetin demagnetointirajan kyseisessä lämpötilassa. Tämä raja annetaan yleensä magneetin toimittajan demagnetointikäyrästä ja se on määritettävä yhdessä moottorin suunnittelussa olevien ankkurireaktiolaskelmien kanssa.

5. Tekniset lähestymistavat jäähdytykseen

Lämpötilan nousun ohjauksen ydin on tasapainottaa lämmöntuotannon ja lämmönpoiston välillä. Kehyksettömille momentimoottoreille on olemassa useita kehittyneitä teknisiä polkuja.

Ruukku  on tällä hetkellä yleisin keino parantaa lämmönpoistoa. TQ Robodrive käyttää epoksikapselointia ja upotustekniikkaa, ja Kinco oli edelläkävijä kehyksettömässä ruukutusprosessissa. Molempien ydinlogiikka on täyttää moottorin sisäiset raot korkean lämmönjohtavuuden omaavalla valumateriaalilla, jotta käämityksen lämpö johdetaan nopeammin staattorin sydämeen ja asennuslaippaan. Ruukkumateriaalin lämmönjohtavuus voi olla 1,4–1,6 W/mK, paljon korkeampi kuin ilman.

Vesijäähdytyskanavat  sopivat kompakteihin liitoksiin ja muihin skenaarioihin, joissa lämpövuon tiheys on korkea. Staattorin holkkiin tai koteloon leikataan kierrekanavat ja niiden läpi johdetaan jäähdytysnestettä, joka voi suoraan vähentää lämpötilan nousua 40–60°C. Kustannukset ovat järjestelmän monimutkaisempia ja tiivistysvaatimuksia.

Ohjausstrategian optimointi  on polku ilman laitteistokustannuksia. Magneettisen navan nollapisteen uudelleenkalibrointi, PID-parametrien optimointi, nollanopeuksisen suurtaajuisen injektion hallinta ja minimivirran säätö voivat vähentää staattista pitovirtaa 50–80 % laitteistoa muuttamatta. Järjestelmissä, joissa on jo tyhjäkäyntiongelmia, ohjauksen optimointi tuottaa usein välittömiä tuloksia kuin lämmönpoistotoimenpiteiden lisääminen.

Sisäänrakennetut lämpötila-anturit  ovat turvallisuuden ydin. NTC (100k) ja PT1000 ovat tällä hetkellä kehyksettömien vääntömomenttimoottoreiden vakiolämpötilan mittauskokoonpanot, jotka valvovat käämin lämpötilaa reaaliajassa ja laukaisevat vähennyksen tai suojauksen, kun raja lähestyy. Huomaa kuitenkin, että anturi mittaa käämin lämpötilaa, ei magneetin lämpötilaa – näiden kahden välinen ero riippuu lämmönpoistoreitin suunnittelusta, ja valinnan aikana on jätettävä riittävä turvamarginaali.

Johtopäätös

Kehyksettömien vääntömomenttimoottoreiden lämpötilan valinta on pohjimmiltaan tasapaino kolmen rajoitteen välillä: magneettiluokka määrittää, kuinka korkeaa lämpötilaa voit kestää, eristysluokka määrittää käämikaton ja virtaraja määrittää dynaamisten käyttöolosuhteiden rajan. Kolme linjaa on kytketty toisiinsa, ja jos jokin rikotaan, se voi laukaista ketjureaktion demagnetoitumisesta loppuunpalamiseen.

Käytännöllisin lähestymistapa on:  valintavaiheessa oletetaan ankarimmat lämmönhajoamisolosuhteet , siirrytään magneettiluokkaa ylöspäin, jätetään riittävä lämpötilan nousumarginaali ja tehdään demagnetoinnin todentamisesta pakollinen kohta jumi- ja ylikuormitusolosuhteissa. Loppujen lopuksi demagnetointi on peruuttamatonta - se ei anna sinulle toista mahdollisuutta.