L'« assassin à haute température » des moteurs couple sans cadre : quelle est la gravité du risque de démagnétisation de l'aimant ?

Dans les scénarios de contrôle de mouvement hautes performances tels que les articulations de robots, les bras robotiques collaboratifs et les tables rotatives à entraînement direct, les moteurs couple sans cadre sont de plus en plus courants. Ils n'ont ni boîtier, ni roulements, essentiellement un noyau de puissance « rotor nu + stator » directement intégré dans la structure mécanique, offrant une densité de couple élevée, une rigidité élevée et un encombrement réduit.

Cependant, de nombreux ingénieurs négligent un risque potentiel lors de la sélection et de l'utilisation :  la démagnétisation irréversible des aimants permanents à haute température . Une fois la démagnétisation effectuée, le moteur subit une chute de couple, un échauffement accru et peut même laisser l'ensemble du joint « faible ».

I. Quels sont les aimants d'un moteur couple sans cadre ?

Les moteurs couple sans cadre sont généralement des moteurs synchrones à aimants permanents, avec des aimants permanents hautes performances, communément appelés « aimants », montés sur ou à l'intérieur de la surface du rotor.

Le matériau magnétique principal utilisé aujourd'hui est  le néodyme-fer-bore (NdFeB) , en raison de ses performances magnétiques exceptionnelles, capables de générer un flux d'entrefer élevé dans un très petit volume, idéal pour les moteurs couple sans cadre qui exigent une densité de couple extrêmement élevée.

Mais le NdFeB a une faiblesse inhérente :  une résistance thermique relativement faible..

II. Comment se produit la démagnétisation à haute température ?

Le magnétisme des aimants permanents n'est pas véritablement « permanent ». Lorsque la température augmente jusqu'à un certain niveau, l'alignement des domaines magnétiques à l'intérieur de l'aimant devient instable et la force magnétique diminue progressivement.

La démagnétisation est divisée en deux types :

1. Démagnétisation réversible

La force magnétique diminue temporairement à mesure que la température augmente, mais se rétablit lorsque la température baisse. Ce type est déjà pris en compte dans la conception du moteur et ne pose généralement pas de problème tant que les limites ne sont pas dépassées.

2. Démagnétisation irréversible

Si la température dépasse la limite de tolérance de l'aimant, ou si un fort champ démagnétisant est appliqué à des températures élevées, certains domaines magnétiques sont définitivement perturbés et le magnétisme ne peut pas se rétablir complètement même après le retour de la température à la normale. C’est la  démagnétisation permanente  qui nous préoccupe le plus.

Pour les aimants NdFeB ordinaires, la température critique pour une démagnétisation irréversible se situe généralement entre  80°C et 150°C , selon la qualité de l'aimant. Dans les moteurs couple sans cadre, en raison de leur structure compacte et de leur mauvaise dissipation thermique, les températures locales peuvent facilement dépasser cette plage pendant le fonctionnement.

III. Pourquoi les moteurs couple sans cadre sont-ils plus sensibles à la démagnétisation à haute température ?

Par rapport aux moteurs à boîtier traditionnel, les moteurs couple sans cadre comportent plusieurs « pièges à haute température » :

1. Structure compacte, mauvais chemins de dissipation thermique

Les moteurs sans cadre sont intégrés directement dans la structure mécanique, avec une zone de contact limitée entre le stator et le boîtier, ce qui rend l'extraction de chaleur difficile. De nombreuses articulations robotiques ont des espaces clos et reposent uniquement sur la convection naturelle ou la simple conduction thermique, provoquant des pics de température interne.

2. Une densité de couple élevée signifie une densité de courant élevée

Pour fournir un couple élevé dans un volume limité, les moteurs couple sans cadre fonctionnent souvent à des densités de courant élevées. Les pertes de cuivre sont proportionnelles au carré du courant, générant une chaleur importante.

3. Conditions de surcharge fréquentes

Lors du démarrage, des arrêts d'urgence, de la protection contre les collisions et des scénarios de maintien de charge, les courants du moteur peuvent momentanément atteindre 2 à 3 fois la valeur nominale, provoquant des augmentations rapides de température.

4. Les aimants sont directement exposés aux sources de chaleur à proximité

Les aimants du rotor se trouvent à proximité immédiate des enroulements du stator. La chaleur du stator est rayonnée et conduite à travers l'entrefer jusqu'au rotor, et la température de l'aimant peut approcher ou même dépasser la température de l'enroulement.

IV. Conséquences de la démagnétisation à haute température

Une fois la démagnétisation irréversible survenue, le moteur présente une série de problèmes :

•  La constante de couple diminue : Pour le même courant, le couple de sortie diminue.

• La force contre-électromotrice diminue : la courbe caractéristique du moteur change, réduisant ainsi la précision du contrôle.

• Le courant augmente encore pour maintenir le couple : conduisant à plus de chauffage – un cercle vicieux.

• L'efficacité du système diminue : consommation d'énergie plus élevée, détérioration de la durée de vie de la batterie ou de la consommation d'énergie globale.

• La rigidité des articulations s'affaiblit : Pour les robots, la précision du positionnement et la capacité de charge sont toutes deux affectées.

Le pire, c’est que cette dégradation est progressive et irréversible. Les utilisateurs peuvent seulement remarquer que « le moteur semble moins puissant » avec le temps, sans pouvoir identifier un défaut évident.

V. Comment réduire le risque de démagnétisation à haute température de l'aimant ?

La bonne nouvelle est que grâce à des stratégies de sélection, de conception et de contrôle appropriées, le risque peut être considérablement atténué.

1. Choisissez des aimants avec des degrés de température plus élevés

Les aimants NdFeB sont disponibles dans différents degrés de température, généralement N, M, H, SH, UH, EH, etc. Plus la lettre de l'alphabet est éloignée, plus la capacité de température est élevée. Par exemple:

•  Série N : température maximale de fonctionnement 80°C

• Série H : 120°C

• Série SH : 150°C

•  Série UH : 180°C

•  Série EH : 200°C

Pour les moteurs couple sans cadre, en particulier dans les applications d'assemblage robotique, il est recommandé de sélectionner au moins  le grade SH ou supérieur et, si possible, UH ou EH.

2. Faites attention à la « courbe de démagnétisation » et au point de genou

Lors de la conception du moteur, le point de fonctionnement de l'aimant doit rester bien éloigné du « point genou » sur la courbe de démagnétisation. Sous une température de fonctionnement maximale et un courant de démagnétisation maximal, l'aimant doit toujours fonctionner dans la zone de sécurité. Lors de la sélection, demander au fabricant de fournir des courbes de démagnétisation et des données de simulation à différentes températures.

3. Améliorer la gestion thermique

• Utilisez de la graisse thermique ou des tampons thermiques entre le stator et le boîtier.

• Concevez des chemins de dissipation thermique appropriés, en ajoutant de l'air forcé ou un refroidissement liquide si nécessaire.

• Placez des capteurs de température à l'intérieur du moteur ou à proximité des enroulements.

• Évitez un fonctionnement prolongé à pleine charge du moteur dans des environnements à haute température.

4. Contrôler le courant et la durée de surcharge

Limitez le courant de pointe et la durée via le variateur pour éviter une surcharge prolongée. Pour les applications nécessitant un couple de maintien soutenu, envisagez de réduire le courant de maintien ou d'utiliser des freins mécaniques comme assistance.

5. Évitez la combinaison « décrochage + courant élevé »

Pendant le décrochage, la force contre-électromotrice est nulle et tout le courant est converti en chaleur. Il s'agit de l'un des scénarios de démagnétisation les plus risqués. La conception du système doit éviter les conditions de décrochage prolongées ou mettre en œuvre une protection contre le décrochage.

6. Surveillez régulièrement l’état du moteur

En surveillant des paramètres tels que la constante de contre-EMF, le courant à vide et l'augmentation de la température, vous pouvez indirectement déterminer si une démagnétisation s'est produite. Les systèmes haut de gamme peuvent intégrer une estimation d’état en ligne basée sur un modèle.

VI. Résumé

La démagnétisation à haute température des aimants dans les moteurs couple sans cadre est un risque « invisible mais mortel ». Ce n'est pas aussi évident qu'un arbre cassé ou des enroulements brûlés, mais cela prive furtivement le moteur de couple et de précision.

Pour des applications telles que la robotique, les tables rotatives CNC et les joints à entraînement direct,  dépenser un peu plus en aimants haute température lors de la sélection, en laissant une marge thermique supplémentaire dans la conception, et en ajoutant une protection supplémentaire contre les surcharges dans le contrôle  peut souvent éviter une dégradation significative des performances et des problèmes après-vente à l'avenir.