L''assassino delle alte temperature' dei motori torque senza telaio: quanto è grave il rischio di smagnetizzazione dei magneti?

Negli scenari di controllo del movimento ad alte prestazioni come giunti robotici, bracci robotici collaborativi e tavole rotanti ad azionamento diretto, i motori torque senza telaio stanno diventando sempre più comuni. Non hanno alloggiamento, né cuscinetti: essenzialmente un nucleo di potenza 'rotore nudo + statore' incorporato direttamente nella struttura meccanica, che offre un'elevata densità di coppia, elevata rigidità e un ingombro compatto.

Tuttavia, molti ingegneri trascurano un potenziale rischio durante la selezione e l'utilizzo:  la smagnetizzazione irreversibile dei magneti permanenti ad alte temperature . Una volta avvenuta la smagnetizzazione, il motore subisce una caduta di coppia, un aumento del riscaldamento e potrebbe persino lasciare l'intero giunto 'debole'.

I. Quali sono i magneti in un motore torque senza telaio?

I motori torque senza telaio sono in genere motori sincroni a magneti permanenti, con magneti permanenti ad alte prestazioni, comunemente denominati 'magneti', montati sopra o all'interno della superficie del rotore.

Il materiale magnetico principale utilizzato oggi è  il neodimio-ferro-boro (NdFeB) , grazie alle sue eccezionali prestazioni magnetiche, in grado di generare un elevato flusso di traferro in un volume molto piccolo, ideale per motori torque senza telaio che richiedono una densità di coppia estremamente elevata.

Ma il NdFeB ha una debolezza intrinseca:  una resistenza al calore relativamente scarsa.

II. Come avviene la smagnetizzazione ad alta temperatura?

Il magnetismo dei magneti permanenti non è veramente 'permanente'. Quando la temperatura sale a un certo livello, l'allineamento dei domini magnetici all'interno del magnete diventa instabile e la forza magnetica diminuisce gradualmente.

La smagnetizzazione si divide in due tipologie:

1. Smagnetizzazione reversibile

La forza magnetica diminuisce temporaneamente all'aumentare della temperatura, ma si ripristina quando la temperatura diminuisce. Questo tipo è già considerato nella progettazione del motore e di solito non costituisce un problema finché non vengono superati i limiti.

2. Smagnetizzazione irreversibile

Se la temperatura supera il limite di tolleranza del magnete o se viene applicato un forte campo smagnetizzante ad alte temperature, alcuni domini magnetici vengono interrotti in modo permanente e il magnetismo non può essere ripristinato completamente anche dopo che la temperatura ritorna alla normalità. Questa è la  smagnetizzazione permanente  di cui siamo più preoccupati.

Per i normali magneti NdFeB, la temperatura critica per la smagnetizzazione irreversibile è tipicamente compresa tra  80°C e 150°C , a seconda del grado del magnete. Nei motori torque senza telaio, a causa della loro struttura compatta e della scarsa dissipazione del calore, le temperature locali possono facilmente superare questo intervallo durante il funzionamento.

III. Perché i motori torque senza telaio sono più suscettibili alla smagnetizzazione ad alta temperatura?

Rispetto ai tradizionali motori con alloggiamento, i motori torque senza telaio presentano diverse 'trappole ad alta temperatura':

1. Struttura compatta, scarsi percorsi di dissipazione del calore

I motori senza telaio sono incorporati direttamente nella struttura meccanica, con un'area di contatto limitata tra lo statore e l'alloggiamento, rendendo difficile l'estrazione del calore. Molti giunti robotici hanno spazi chiusi e si affidano solo alla convezione naturale o alla semplice conduzione termica, provocando picchi di temperatura interna.

2. Un'elevata densità di coppia significa un'elevata densità di corrente

Per fornire una coppia elevata in un volume limitato, i motori torque senza telaio spesso funzionano a densità di corrente elevate. Le perdite nel rame sono proporzionali al quadrato della corrente, generando un calore significativo.

3. Frequenti condizioni di sovraccarico

Durante l'avvio, gli arresti di emergenza, la protezione anticollisione e gli scenari di mantenimento del carico, le correnti del motore possono raggiungere momentaneamente 2–3 volte il valore nominale, causando rapidi aumenti di temperatura.

4. I magneti sono direttamente esposti a fonti di calore vicine

I magneti del rotore si trovano in prossimità degli avvolgimenti dello statore. Il calore proveniente dallo statore viene irradiato e condotto attraverso il traferro al rotore e la temperatura del magnete può avvicinarsi o addirittura superare la temperatura dell'avvolgimento.

IV. Conseguenze della smagnetizzazione ad alta temperatura

Una volta avvenuta la smagnetizzazione irreversibile il motore presenta una serie di problemi:

•  La costante di coppia diminuisce : a parità di corrente, la coppia in uscita diminuisce.

• La forza controelettromotrice diminuisce : la curva caratteristica del motore cambia, riducendo la precisione del controllo.

• La corrente aumenta ulteriormente per mantenere la coppia : porta a un maggiore riscaldamento: un circolo vizioso.

• Diminuzione dell'efficienza del sistema : maggiore consumo energetico, peggioramento della durata della batteria o del consumo energetico complessivo.

• La rigidità del giunto si indebolisce : per i robot, la precisione di posizionamento e la capacità di carico sono entrambe influenzate.

Ciò che peggiora la situazione è che questo degrado è graduale e irreversibile. Gli utenti potrebbero notare solo che 'il motore sembra meno potente' nel tempo, senza essere in grado di identificare un difetto evidente.

V. Come ridurre il rischio di smagnetizzazione ad alta temperatura del magnete?

La buona notizia è che attraverso adeguate strategie di selezione, progettazione e controllo, il rischio può essere notevolmente mitigato.

1. Scegli magneti con gradi di temperatura più elevati

I magneti NdFeB sono disponibili in diversi gradi di temperatura, comunemente N, M, H, SH, UH, EH, ecc. Più lontana è la lettera dell'alfabeto, maggiore è la capacità di temperatura. Per esempio:

•  Serie N: temperatura massima di esercizio 80°C

• Serie H: 120°C

• Serie SH: 150°C

•  Serie UH: 180°C

•  Serie EH: 200°C

Per i motori torque senza telaio, in particolare nelle applicazioni con giunti robotici, si consiglia di selezionare almeno  il grado SH o superiore e, ove possibile, UH o EH.

2. Prestare attenzione alla 'curva di smagnetizzazione' e al punto di ginocchio

Durante la progettazione del motore, il punto operativo del magnete dovrebbe rimanere ben lontano dal 'punto di ginocchio' sulla curva di smagnetizzazione. Alla temperatura operativa massima e alla corrente di smagnetizzazione massima, il magnete dovrebbe ancora funzionare nella regione sicura. Al momento della selezione, chiedere al produttore di fornire curve di smagnetizzazione e dati di simulazione a diverse temperature.

3. Migliorare la gestione termica

• Utilizzare grasso termico o cuscinetti termici tra lo statore e l'alloggiamento.

• Progettare percorsi adeguati di dissipazione del calore, aggiungendo aria forzata o raffreddamento a liquido se necessario.

• Posizionare i sensori di temperatura all'interno del motore o vicino agli avvolgimenti.

• Evitare il funzionamento prolungato a pieno carico del motore in ambienti ad alta temperatura.

4. Controllare la corrente e la durata del sovraccarico

Limitare la corrente di picco e la durata tramite il convertitore per evitare sovraccarichi prolungati. Per le applicazioni che richiedono una coppia di tenuta sostenuta, prendere in considerazione la riduzione della corrente di tenuta o l'utilizzo di freni meccanici come assistenza.

5. Evitare la combinazione 'stallo + corrente elevata'.

Durante lo stallo, la forza elettromotrice posteriore è pari a zero e tutta la corrente viene convertita in calore: questo è uno degli scenari a più alto rischio di smagnetizzazione. La progettazione del sistema dovrebbe evitare condizioni di stallo prolungate o implementare la protezione dallo stallo.

6. Monitorare regolarmente le condizioni del motore

Monitorando parametri come la costante della forza controelettromotrice, la corrente a vuoto e l'aumento della temperatura, è possibile determinare indirettamente se si è verificata la smagnetizzazione. I sistemi di fascia alta possono incorporare la stima dello stato online basata su modelli.

VI. Riepilogo

La smagnetizzazione ad alta temperatura dei magneti nei motori torque senza telaio è un rischio 'invisibile ma mortale'. Non è così evidente come un albero rotto o avvolgimenti bruciati, ma priva furtivamente il motore di coppia e precisione.

Per applicazioni quali robotica, tavole rotanti CNC e giunti ad azionamento diretto,  spendere un po' di più in magneti ad alta temperatura durante la selezione, lasciare un margine termico aggiuntivo nella progettazione e aggiungere un'ulteriore protezione da sovraccarico nel controllo  può spesso prevenire un significativo degrado delle prestazioni e problemi post-vendita in futuro.