'המתנקש בטמפרטורה גבוהה' של מנועי מומנט חסרי מסגרת: עד כמה חמור הסיכון של דה-מגנטיזציה של מגנט?

בתרחישי בקרת תנועה בעלי ביצועים גבוהים כגון מפרקי רובוט, זרועות רובוטיות משותפות ושולחנות סיבוביים עם הנעה ישירה, מנועי מומנט חסרי מסגרת הופכים נפוצים יותר ויותר. אין להם דיור, אין מיסבים - בעצם ליבת כוח 'רוטור חשוף + סטטור' שמוטבעת ישירות במבנה המכאני, ומספקת צפיפות מומנט גבוהה, קשיחות גבוהה וטביעת רגל קומפקטית.

עם זאת, מהנדסים רבים מתעלמים מסיכון פוטנציאלי במהלך הבחירה והשימוש:  דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה של המגנטים הקבועים בטמפרטורות גבוהות . ברגע שמתרחשת דה-מגנטיזציה, המנוע חווה ירידת מומנט, חימום מוגבר, ואף עלול להשאיר את המפרק כולו 'חלש'.

I. מהם המגנטים במנוע מומנט ללא מסגרת?

מנועי מומנט חסרי מסגרת הם בדרך כלל מנועים סינכרוניים מגנט קבוע, עם מגנטים קבועים בעלי ביצועים גבוהים - המכונים בדרך כלל 'מגנטים' - מותקנים על פני הרוטור או בתוכו.

חומר המגנט המיינסטרים המשמש כיום הוא  ניאודימיום-ברזל-בורון (NdFeB) , בגלל הביצועים המגנטיים יוצאי הדופן שלו, המסוגלים ליצור שטף גבוה של פערי אוויר בנפח קטן מאוד - אידיאלי עבור מנועי מומנט חסרי מסגרת הדורשים צפיפות מומנט גבוהה במיוחד.

אבל ל-NdFeB יש חולשה אינהרנטית:  עמידות חום נמוכה יחסית.

II. כיצד מתרחשת דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה?

המגנטיות של מגנטים קבועים אינה באמת 'קבועה' כאשר הטמפרטורה עולה לרמה מסוימת, יישור התחומים המגנטיים בתוך המגנט הופך לבלתי יציב, והחוזק המגנטי פוחת בהדרגה.

דה-מגנטיזציה מתחלקת לשני סוגים:

1. דה-מגנטיזציה הפיכה

החוזק המגנטי פוחת באופן זמני ככל שהטמפרטורה עולה, אך מתאושש כאשר הטמפרטורה יורדת. סוג זה כבר נחשב בתכנון המנוע ובדרך כלל אינו מהווה בעיה כל עוד לא חורגים מהמגבלות.

2. דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה

אם הטמפרטורה חורגת ממגבלת הסבילות של המגנט, או אם מופעל שדה דה-מגנטיזציה חזק בטמפרטורות גבוהות, חלק מהתחומים המגנטיים מופרעים לצמיתות, והמגנטיות לא יכולה להתאושש במלואה גם לאחר שהטמפרטורה חוזרת לנורמה. זוהי הדה  -מגנטיזציה הקבועה  שאנו מודאגים ממנה ביותר.

עבור מגנטים NdFeB רגילים, הטמפרטורה הקריטית עבור דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה היא בדרך כלל בין  80°C ל-150°C , בהתאם לדרגת המגנט. במנועי מומנט חסרי מסגרת, בשל המבנה הקומפקטי שלהם ופיזור החום הגרוע, הטמפרטורות המקומיות יכולות בקלות לחרוג מטווח זה במהלך הפעולה.

III. מדוע מנועי מומנט חסרי מסגרת רגישים יותר לדה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה?

בהשוואה למנועים מסורתיים, למנועי מומנט חסרי מסגרת יש כמה 'מלכודות בטמפרטורה גבוהה':

1. מבנה קומפקטי, מסלולי פיזור חום גרועים

מנועים חסרי מסגרת מוטבעים ישירות במבנה המכאני, עם שטח מגע מוגבל בין הסטטור לבית, מה שמקשה על מיצוי החום. למפרקים רובוטיים רבים יש חללים סגורים והם מסתמכים רק על הסעה טבעית או הולכה תרמית פשוטה, מה שגורם לטמפרטורות פנימיות לעלות.

2. צפיפות מומנט גבוהה פירושה צפיפות זרם גבוהה

כדי לספק מומנט גבוה בתוך נפח מוגבל, מנועי מומנט חסרי מסגרת פועלים לעתים קרובות בצפיפות זרם גבוהה. הפסדי נחושת הם פרופורציונליים לריבוע הזרם, ומייצרים חום משמעותי.

3. מצבי עומס תכופים

במהלך הפעלה, עצירות חירום, הגנה מפני התנגשות ותרחישי החזקת עומס, זרמי המנוע יכולים להגיע לרגע פי 2-3 מהערך הנקוב, מה שגורם לעליית טמפרטורה מהירה.

4. מגנטים נחשפים ישירות למקורות חום קרובים

מגנטי הרוטור נמצאים בסמיכות לפיתולי הסטטור. חום מהסטטור מוקרן ומוליך על פני מרווח האוויר אל הרוטור, וטמפרטורת המגנט עשויה להתקרב או אפילו לעלות על טמפרטורת הפיתול.

IV. ההשלכות של דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה

ברגע שמתרחשת דה-מגנטיזציה בלתי הפיכה, המנוע מציג שורה של בעיות:

•  קבוע מומנט יורד : עבור אותו זרם, מומנט המוצא יורד.

• ירידה ב-EMF האחורית : עקומת המאפיין המוטורית משתנה, ומפחיתה את דיוק הבקרה.

• הזרם גדל עוד יותר כדי לשמור על מומנט : מוביל ליותר חימום - מעגל קסמים.

• יעילות המערכת יורדת : צריכת אנרגיה גבוהה יותר, החמרת חיי הסוללה או צריכת החשמל הכוללת.

• קשיחות המפרק נחלשת : עבור רובוטים, דיוק המיקום ויכולת העומס מושפעים שניהם.

מה שמחמיר את זה הוא שההידרדרות הזו היא הדרגתית ובלתי הפיכה. משתמשים עשויים להבחין רק ש'המנוע מרגיש פחות חזק' לאורך זמן, מבלי שהם יכולים לזהות תקלה ברורה.

V. כיצד להפחית את הסיכון של דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה?

החדשות הטובות הן שבאמצעות אסטרטגיות בחירה, עיצוב ובקרה נכונות, ניתן להפחית את הסיכון באופן משמעותי.

1. בחר מגנטים עם דרגות טמפרטורה גבוהות יותר

מגנטים של NdFeB מגיעים בדרגות טמפרטורה שונות, בדרך כלל N, M, H, SH, UH, EH וכו'. ככל שהאותיות רחוקות יותר באלפבית, יכולת הטמפרטורה גבוהה יותר. לְדוּגמָה:

•  סדרת N: טמפרטורת עבודה מקסימלית 80°C

• סדרת H: 120°C

• סדרת SH: 150°C

•  סדרת UH: 180°C

•  סדרת EH: 200°C

עבור מנועי מומנט ללא מסגרת, במיוחד ביישומי מפרקים רובוטיים, מומלץ לבחור לפחות  בדרגת SH ומעלה , ובמידת האפשר, UH או EH.

2. שימו לב ל'עקומת דה-מגנטיזציה' ולנקודת הברך

במהלך תכנון המנוע, נקודת ההפעלה של המגנט צריכה להתרחק הרבה מ'נקודת הברך' בעקומת הדה-מגנטיזציה. תחת טמפרטורת פעולה מקסימלית וזרם דה-מגנטיזציה מקסימלי, המגנט עדיין צריך לפעול באזור הבטוח. בעת הבחירה, בקש מהיצרן לספק עקומות דה-מגנטיזציה ונתוני סימולציה בטמפרטורות שונות.

3. שפר את הניהול התרמי

• השתמש בשומן תרמי או רפידות תרמיות בין הסטטור לבית.

• תכנן מסלולי פיזור חום נאותים, הוספת אוויר מאולץ או קירור נוזלי במידת הצורך.

• הנח חיישני טמפרטורה בתוך המנוע או ליד הפיתולים.

• הימנע מפעולה ממושכת של המנוע בעומס מלא בסביבות בטמפרטורה גבוהה.

4. בקרת זרם ומשך עומס יתר

הגבל את זרם השיא ומשך הזמן באמצעות הכונן כדי למנוע עומס יתר ממושך. עבור יישומים הדורשים מומנט אחיזה מתמשך, שקול להפחית את זרם האחיזה או להשתמש בבלמים מכניים כסיוע.

5. הימנע מהשילוב של 'סטאל + זרם גבוה'.

במהלך הסטייה, EMF האחורי הוא אפס, וכל הזרם מומר לחום - זהו אחד מהתרחישים בעלי הסיכון הגבוה ביותר לדה-מגנטיזציה. תכנון המערכת צריך להימנע מתנאי תקיעה ממושכים או ליישם הגנה על תקיעה.

6. עקוב באופן קבוע אחר מצב המנוע

על ידי ניטור פרמטרים כגון קבוע EMF אחורי, זרם ללא עומס ועליית טמפרטורה, אתה יכול לקבוע בעקיפין אם התרחש דה-מגנטיזציה. מערכות מתקדמות יכולות לשלב הערכת מצב מקוונת מבוססת מודלים.

VI. תַקצִיר

דה-מגנטיזציה בטמפרטורה גבוהה של מגנטים במנועי מומנט חסרי מסגרת היא סיכון 'בלתי נראה אך קטלני'. זה לא ברור כמו פיר שבור או פיתולים שרופים, ובכל זאת הוא גוזל מהמנוע בגנבה מומנט ודיוק.

עבור יישומים כמו רובוטיקה, שולחנות סיבוביים CNC ומפרקים עם הנעה ישירה,  הוצאה קצת יותר על מגנטים בדרגת טמפרטורה גבוהה במהלך הבחירה, השארת מרווח תרמי נוסף בתכנון, והוספת עוד הגנה מפני עומס יתר בשליטה  יכולה לעתים קרובות למנוע פגיעה משמעותית בביצועים ובעיות לאחר המכירה בהמשך הדרך.