Kehyksettömien momenttimoottorien 'korkean lämpötilan salamurhaaja': kuinka vakava on magneetin demagnetoitumisen riski?

Tehokkaissa liikkeenohjausskenaarioissa, kuten robottinivelissä, yhteistoiminnallisissa robottikäsivarsissa ja suoravetoisissa pyörivissä pöydissä, kehyksettömät vääntömomenttimoottorit ovat yleistymässä. Niissä ei ole koteloa, ei laakereita – lähinnä 'paljas roottori + staattori' voimasydän, joka on upotettu suoraan mekaaniseen rakenteeseen, mikä takaa korkean vääntömomenttitiheyden, suuren jäykkyyden ja kompaktin jalanjäljen.

Monet insinöörit jättävät kuitenkin huomioimatta mahdollisen riskin valinnassa ja käytössä:  kestomagneettien peruuttamaton demagnetoituminen korkeissa lämpötiloissa . Kun demagnetoituminen tapahtuu, moottori kokee vääntömomentin laskun, kuumenemisen lisääntyneen ja saattaa jopa jättää koko liitoksen 'heikoksi'.

I. Mitkä ovat magneetit kehyksessä vääntömomenttimoottorissa?

Kehyksettomat vääntömomenttimoottorit ovat tyypillisesti kestomagneettisynkronimoottoreita, joissa on korkean suorituskyvyn kestomagneetit - joita kutsutaan yleisesti 'magneeteiksi' - asennettuna roottorin pinnalle tai sen sisään.

Nykyään käytetty päämagneettimateriaali on  neodyymi-rauta-boori (NdFeB) , koska sen poikkeuksellisen magneettinen suorituskyky pystyy tuottamaan suuren ilmavälivuon erittäin pienessä tilavuudessa – ihanteellinen kehyksttömälle vääntömomenttimoottoreille, jotka vaativat erittäin suurta vääntömomenttitiheyttä.

Mutta NdFeB:llä on luontainen heikkous:  suhteellisen huono lämmönkestävyys.

II. Kuinka korkean lämpötilan demagnetoituminen tapahtuu?

Kestomagneettien magnetismi ei ole todella 'pysyvää'. Kun lämpötila nousee tietylle tasolle, magneetin sisällä olevien magneettialueiden kohdistus muuttuu epävakaaksi ja magneettinen voimakkuus laskee vähitellen.

Demagnetointi on jaettu kahteen tyyppiin:

1. Reversiibeli demagnetointi

Magneettinen voimakkuus pienenee tilapäisesti lämpötilan noustessa, mutta palautuu lämpötilan laskiessa. Tämä tyyppi on jo otettu huomioon moottorin suunnittelussa, eikä se yleensä ole ongelma, kunhan rajoja ei ylitetä.

2. Irreversiibeli demagnetointi

Jos lämpötila ylittää magneetin toleranssirajan tai jos voimakas demagnetoiva kenttä kohdistuu korkeissa lämpötiloissa, jotkin magneettialueet häiriintyvät pysyvästi, eikä magnetismi voi täysin palautua edes lämpötilan palautuessa normaaliksi. Tämä on  pysyvä demagnetointi  , josta olemme eniten huolissamme.

Tavallisille NdFeB-magneeteille kriittinen lämpötila palautumattomalle demagnetisaatiolle on tyypillisesti välillä  80 °C - 150 °C magneetin laadusta riippuen. Kehyksettömien vääntömomenttimoottoreiden kompaktin rakenteen ja huonon lämmönpoiston vuoksi paikalliset lämpötilat voivat helposti ylittää tämän alueen käytön aikana.

III. Miksi kehyksettömät vääntömomenttimoottorit ovat alttiimpia korkean lämpötilan demagnetoitumiselle?

Perinteisiin koteloituihin moottoreihin verrattuna kehyksettömissä momentimoottoreissa on useita 'korkean lämpötilan erottimia':

1. Kompakti rakenne, huonot lämmönpoistoreitit

Kehyksettomat moottorit on upotettu suoraan mekaaniseen rakenteeseen, ja staattorin ja kotelon välinen kosketuspinta-ala on rajoitettu, mikä vaikeuttaa lämmönpoistoa. Monissa robottiliitoksissa on suljettuja tiloja ja ne perustuvat vain luonnolliseen konvektioon tai yksinkertaiseen lämmönjohtamiseen, mikä aiheuttaa sisäisten lämpötilojen piikkien.

2. Suuri vääntömomenttiheys tarkoittaa suurta virrantiheyttä

Suuren vääntömomentin tuottamiseksi rajoitetulla tilavuudella kehyksettömät vääntömomenttimoottorit toimivat usein suurilla virrantiheyksillä. Kuparihäviöt ovat verrannollisia virran neliöön, jolloin syntyy merkittävää lämpöä.

3. Toistuvat ylikuormitusolosuhteet

Käynnistyksen, hätäpysäytysten, törmäyssuojauksen ja kuormanpitoskenaarioiden aikana moottorin virrat voivat hetkellisesti nousta 2–3 kertaa nimellisarvoon, mikä aiheuttaa nopeita lämpötilan nousuja.

4. Magneetit ovat suoraan alttiina lähellä oleville lämmönlähteille

Roottorin magneetit ovat lähellä staattorin käämiä. Staattorin lämpö säteilee ja johdetaan ilmaraon kautta roottoriin ja magneetin lämpötila voi lähestyä käämin lämpötilaa tai jopa ylittää sen.

IV. Korkean lämpötilan demagnetisaation seuraukset

Kun peruuttamaton demagnetoituminen tapahtuu, moottorissa on sarja ongelmia:

•  Vääntömomenttivakio pienenee : Samalla virralla lähtömomentti laskee.

• Back-EMF pienenee : Moottorin ominaiskäyrä muuttuu, mikä heikentää ohjaustarkkuutta.

• Virta kasvaa edelleen vääntömomentin ylläpitämiseksi : Johtaa lisää kuumenemiseen - noidankehä.

• Järjestelmän tehokkuus laskee : Korkeampi energiankulutus, akun käyttöiän heikkeneminen tai kokonaisvirrankulutus.

• Nivelten jäykkyys heikkenee : Robottien kohdalla se vaikuttaa sekä paikannustarkkuuteen että kuormituskykyyn.

Pahempaa on se, että tämä rappeutuminen on asteittaista ja peruuttamatonta. Käyttäjät saattavat vain huomata, että 'moottori tuntuu vähemmän tehokkaalta' ajan myötä, ilman että he pystyvät tunnistamaan ilmeistä vikaa.

V. Kuinka vähentää magneettien korkean lämpötilan demagnetisaation riskiä?

Hyvä uutinen on, että oikealla valinnalla, suunnittelulla ja ohjausstrategioilla riskiä voidaan pienentää merkittävästi.

1. Valitse magneetit, joiden lämpötila on korkeampi

NdFeB-magneetteja on eri lämpötilaluokissa, yleensä N, M, H, SH, UH, EH jne. Mitä kauempana kirjain on aakkosessa, sitä korkeampi lämpötilakyky. Esimerkiksi:

•  N-sarja: maksimi käyttölämpötila 80°C

• H-sarja: 120°C

• SH-sarja: 150°C

•  UH-sarja: 180°C

•  EH-sarja: 200°C

Kehyksettömille momentimoottoreille, erityisesti robottiliitossovelluksille, on suositeltavaa valita vähintään  SH-luokka tai korkeampi ja mahdollisuuksien mukaan UH tai EH.

2. Kiinnitä huomiota 'demagnetointikäyrään' ja polvikohtaan

Moottorin suunnittelun aikana magneetin toimintapisteen tulee pysyä kaukana demagnetointikäyrän 'polvipisteestä'. Maksimikäyttölämpötilassa ja suurimmassa demagnetointivirrassa magneetin tulisi silti toimia turvallisella alueella. Kun valitset, pyydä valmistajaa toimittamaan demagnetointikäyrät ja simulaatiotiedot eri lämpötiloissa.

3. Paranna lämmönhallintaa

• Käytä lämpörasvaa tai lämpötyynyjä staattorin ja kotelon välissä.

• Suunnittele oikeat lämmönpoistoreitit lisäämällä tarvittaessa ilma- tai nestejäähdytystä.

• Aseta lämpötila-anturit moottorin sisään tai käämien lähelle.

• Vältä moottorin pitkäaikaista käyttöä täydellä kuormalla korkeissa lämpötiloissa.

4. Ohjaa virtaa ja ylikuormituksen kestoa

Rajoita huippuvirtaa ja kestoa taajuusmuuttajan kautta pitkäaikaisen ylikuormituksen välttämiseksi. Sovelluksissa, jotka vaativat jatkuvaa pitomomenttia, harkitse pitovirran vähentämistä tai mekaanisten jarrujen käyttöä apuna.

5. Vältä 'pysähdys + korkea virta' yhdistelmää

Pysähtymisen aikana taka-EMF on nolla ja kaikki virta muunnetaan lämmöksi – tämä on yksi riskialttiimmista demagnetoinnin skenaarioista. Järjestelmän suunnittelussa tulee välttää pitkiä jumitilanteita tai ottaa käyttöön jumisuoja.

6. Tarkkaile säännöllisesti moottorin kuntoa

Tarkkailemalla parametreja, kuten back-EMF-vakio, kuormittamaton virta ja lämpötilan nousu, voit epäsuorasti määrittää, onko demagnetoitumista tapahtunut. Huippuluokan järjestelmät voivat sisältää mallipohjaisen online-tilan arvioinnin.

VI. Yhteenveto

Magneettien korkean lämpötilan demagnetointi kehyksissä vääntömomenttimoottoreissa on 'näkymätön mutta tappava' riski. Se ei ole yhtä ilmeinen kuin rikkoutunut akseli tai palaneet käämit, mutta silti se vie moottorin vääntömomentin ja tarkkuuden salakavalasti.

Robotiikan, CNC-pyörivien pöytien ja suorakäyttöisten nivelten kaltaisissa sovelluksissa  kuluttaminen hieman enemmän korkean lämpötilan magneetteihin valinnan aikana, ylimääräisen lämpömarginaalin jättäminen suunnitteluun ja yhden ylikuormitussuojan lisääminen hallintaan  voi usein estää merkittävän suorituskyvyn heikkenemisen ja huoltoongelmia.