A keret nélküli nyomatékmotorok 'magas hőmérsékletű bérgyilkosa': mennyire komoly a mágnes lemágnesezésének veszélye?

Nagy teljesítményű mozgásvezérlési forgatókönyvekben, mint például robotcsuklók, együttműködő robotkarok és közvetlen meghajtású forgóasztalok, a keret nélküli nyomatékú motorok egyre elterjedtebbek. Nincs házuk, nincsenek csapágyaik – lényegében egy 'csupasz forgórész + állórész' tápmag, amely közvetlenül a mechanikai szerkezetbe van ágyazva, nagy nyomatéksűrűséget, nagy merevséget és kompakt lábnyomot biztosítva.

Sok mérnök azonban figyelmen kívül hagy egy lehetséges kockázatot a kiválasztás és a használat során:  az állandó mágnesek visszafordíthatatlan lemágnesezése magas hőmérsékleten . Amint a lemágnesezés megtörténik, a motor nyomatékcsökkenést, fokozott melegedést tapasztal, és akár az egész csatlakozást is 'gyengül' hagyhatja.

I. Mik a mágnesek egy keret nélküli nyomatékú motorban?

A keret nélküli nyomatékmotorok jellemzően állandó mágneses szinkronmotorok, nagy teljesítményű állandó mágnesekkel – amelyeket általában 'mágneseknek' neveznek - a forgórész felületére vagy belsejébe szerelnek.

A manapság használt fő mágneses anyag a  neodímium-vas-bór (NdFeB) , kivételes mágneses teljesítménye miatt, amely nagyon kis térfogatban képes nagy légrés fluxust generálni – ideális olyan keret nélküli nyomatékú motorokhoz, amelyek rendkívül nagy nyomatéksűrűséget igényelnek.

De az NdFeB-nek van egy eredendő gyengesége:  viszonylag gyenge hőállóság.

II. Hogyan történik a magas hőmérsékletű lemágnesezés?

Az állandó mágnesek mágnesessége nem igazán 'permanens'. Amikor a hőmérséklet egy bizonyos szintre emelkedik, a mágnesen belüli mágneses tartományok elrendezése instabillá válik, és a mágneses erő fokozatosan csökken.

A lemágnesezés két típusra osztható:

1. Reverzibilis lemágnesezés

A mágneses szilárdság átmenetileg csökken a hőmérséklet emelkedésével, de helyreáll, amikor a hőmérséklet csökken. Ezt a típust már figyelembe vették a motortervezésben, és általában nem jelent problémát, amíg a határértékeket nem lépik túl.

2. Irreverzibilis lemágnesezés

Ha a hőmérséklet meghaladja a mágnes tűréshatárát, vagy ha magas hőmérsékleten erős lemágnesező mezőt alkalmaznak, akkor egyes mágneses tartományok tartósan megsérülnek, és a mágnesesség nem tud teljesen helyreállni még a hőmérséklet normalizálódása után sem. Ez az a  permanens lemágnesezés,  ami miatt leginkább aggódunk.

A hagyományos NdFeB mágneseknél az irreverzibilis lemágnesezés kritikus hőmérséklete jellemzően  80°C és 150°C között van , a mágnes minőségétől függően. A keret nélküli nyomatékú motorokban kompakt felépítésük és rossz hőleadásuk miatt a helyi hőmérséklet könnyen túllépheti ezt a tartományt működés közben.

III. Miért érzékenyebbek a keret nélküli nyomatékmotorok a magas hőmérsékletű lemágnesezésre?

A hagyományos házas motorokhoz képest a keret nélküli nyomatékmotorok több 'magas hőmérsékletű csapdával' rendelkeznek:

1. Kompakt szerkezet, rossz hőleadási utak

A keret nélküli motorok közvetlenül a mechanikai szerkezetbe vannak beágyazva, az állórész és a ház között korlátozott érintkezési felülettel, ami megnehezíti a hőelvonást. Sok robotcsukló zárt terekkel rendelkezik, és csak természetes konvekcióra vagy egyszerű hővezetésre támaszkodik, ami a belső hőmérséklet megugrását okozza.

2. A nagy nyomatéksűrűség nagy áramsűrűséget jelent

A nagy nyomaték korlátozott térfogaton belüli biztosítása érdekében a keret nélküli nyomatékmotorok gyakran nagy áramsűrűséggel működnek. A réz veszteségei arányosak az áram négyzetével, jelentős hőt termelve.

3. Gyakori túlterhelési állapotok

Indítás, vészleállítás, ütközésvédelem és terheléstartási forgatókönyvek során a motoráramok pillanatnyilag elérhetik a névleges érték 2-3-szorosát, ami gyors hőmérséklet-emelkedést okoz.

4. A mágnesek közvetlenül ki vannak téve a közeli hőforrásoknak

A forgórész mágnesei az állórész tekercseinek közvetlen közelében vannak. Az állórész hőjét a légrésen keresztül a forgórészhez sugározzák és vezetik, és a mágnes hőmérséklete megközelítheti vagy meg is haladhatja a tekercs hőmérsékletét.

IV. A magas hőmérsékletű lemágnesezés következményei

Amint visszafordíthatatlan lemágnesezés következik be, a motor egy sor problémát mutat fel:

•  A nyomatékállandó csökken : Ugyanannak az áramnak a kimeneti nyomatéka csökken.

• A Back-EMF csökken : A motor jelleggörbéje megváltozik, csökkentve a szabályozási pontosságot.

• Az áramerősség tovább növekszik, hogy fenntartsa a nyomatékot : Ez több melegítéshez vezet – egy ördögi kör.

• Csökken a rendszer hatékonysága : Magasabb energiafogyasztás, romló akkumulátor-élettartam vagy általános energiafogyasztás.

• Az ízületek merevsége gyengül : A robotok esetében a pozicionálási pontosság és a teherbírás egyaránt érintett.

Ami még rosszabb, hogy ez a degradáció fokozatos és visszafordíthatatlan. Előfordulhat, hogy a felhasználók idővel csak azt veszik észre, hogy 'a motor kevésbé erős' az idő múlásával, anélkül, hogy nyilvánvaló hibát azonosítanának.

V. Hogyan csökkenthető a mágnes magas hőmérsékletű lemágnesezésének kockázata?

A jó hír az, hogy a megfelelő kiválasztással, tervezéssel és ellenőrzési stratégiákkal a kockázat jelentősen csökkenthető.

1. Válasszon magasabb hőmérsékletű mágneseket

Az NdFeB mágnesek különböző hőmérsékleti fokozatokban kaphatók, általában N, M, H, SH, UH, EH stb. Minél távolabb van a betű az ábécében, annál magasabb a hőmérsékleti képesség. Például:

•  N sorozat: maximális üzemi hőmérséklet 80°C

• H sorozat: 120°C

• SH sorozat: 150°C

•  UH sorozat: 180°C

•  EH sorozat: 200°C

Keret nélküli forgatónyomatékú motorok esetén, különösen a robotizált csuklós alkalmazásoknál, ajánlott legalább  SH vagy magasabb fokozatot , és ahol lehetséges, UH vagy EH fokozatot választani.

2. Ügyeljen a 'lemágnesezési görbére' és a térdpontra

A motor tervezése során a mágnes működési pontjának jó távol kell maradnia a lemágnesezési görbe 'térdpontjától'. Maximális üzemi hőmérséklet és maximális lemágnesező áram mellett a mágnesnek továbbra is a biztonságos tartományban kell működnie. Kiválasztáskor kérje meg a gyártót, hogy adjon meg lemágnesezési görbéket és szimulációs adatokat különböző hőmérsékleteken.

3. A hőkezelés javítása

• Használjon termikus zsírt vagy hőpárnákat az állórész és a ház között.

• Tervezze meg a megfelelő hőelvezetési utakat, szükség esetén lég- vagy folyadékhűtéssel.

• Helyezze el a hőmérséklet-érzékelőket a motor belsejébe vagy a tekercsek közelébe.

• Kerülje el a motor hosszan tartó teljes terhelésű működését magas hőmérsékletű környezetben.

4. Szabályozza az áramerősséget és a túlterhelés időtartamát

Korlátozza a csúcsáramot és az időtartamot a hajtáson keresztül, hogy elkerülje a hosszan tartó túlterhelést. Tartós tartási nyomatékot igénylő alkalmazásoknál fontolja meg a tartóáram csökkentését vagy a mechanikus fékek segítségét.

5. Kerülje a 'leállás + nagy áram' kombinációt

Leállás közben a back-EMF nulla, és az összes áram hővé alakul – ez az egyik legnagyobb kockázattal járó lemágnesezési forgatókönyv. A rendszer tervezésénél kerülni kell a hosszan tartó leállást, vagy el kell végezni az elakadás elleni védelmet.

6. Rendszeresen ellenőrizze a motor állapotát

Az olyan paraméterek figyelésével, mint az EMF-állandó, az üresjárati áram és a hőmérséklet-emelkedés, közvetve meghatározhatja, hogy történt-e lemágnesezés. A csúcskategóriás rendszerek modellalapú online állapotbecslést is magukba foglalhatnak.

VI. Összegzés

A keret nélküli nyomatékú motorok mágneseinek magas hőmérsékletű lemágnesezése 'láthatatlan, de halálos' kockázatot jelent. Ez nem olyan nyilvánvaló, mint egy törött tengely vagy égett tekercsek, mégis lopva megfosztja a motort a nyomatéktól és a pontosságtól.

Az olyan alkalmazásoknál, mint a robotika, a CNC forgóasztalok és a közvetlen meghajtású kötések,  ha egy kicsit többet költünk magas hőmérsékletű mágnesekre a kiválasztás során, extra hőtartalékot hagyunk a tervezésben, és még egy túlterhelés elleni védelmet adunk hozzá,  gyakran megelőzhetjük a jelentős teljesítményromlást és az értékesítés utáni problémákat.