로봇 관절, 협동 로봇 팔, 직접 구동 회전 테이블 등 고성능 모션 제어 시나리오에서는 프레임리스 토크 모터는 점점 일반화되고 있습니다. 하우징이나 베어링이 없습니다. 기본적으로 기계 구조에 직접 내장된 '베어 로터 + 고정자' 전력 코어로 높은 토크 밀도, 높은 강성 및 작은 설치 공간을 제공합니다.
그러나 많은 엔지니어들은 선택 및 사용 중에 잠재적인 위험, 즉 고온에서 영구 자석의 비가역적인 자기소거를 간과합니다 . 감자가 발생하면 모터의 토크가 떨어지고 가열이 증가하며 전체 조인트가 '약'해질 수도 있습니다.
I. 프레임리스 토크 모터의 자석은 무엇입니까?
프레임리스 토크 모터는 일반적으로 영구 자석 동기식 모터로, 고성능 영구 자석(일반적으로 '자석'이라고 함)이 회전자 표면 위나 내부에 장착되어 있습니다.
오늘날 사용되는 주류 자석 재료는 네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 입니다 . 이는 탁월한 자기 성능으로 인해 매우 작은 부피에서 높은 에어갭 자속을 생성할 수 있으며 매우 높은 토크 밀도를 요구하는 프레임 없는 토크 모터에 이상적입니다.
그러나 NdFeB에는 본질적인 약점이 있습니다. 즉 내열성이 상대적으로 좋지 않습니다 ..
II. 고온 감자는 어떻게 발생합니까?
영구자석의 자성은 진정한 '영구적'이 아닙니다. 온도가 일정 수준까지 올라가면 자석 내부의 자구 배열이 불안정해지고 자기 강도가 점차 감소합니다.
감자는 두 가지 유형으로 나뉩니다.
1. 가역적 탈자화
자기 강도는 온도가 상승하면 일시적으로 감소하지만 온도가 떨어지면 회복됩니다. 이 유형은 이미 모터 설계에 고려되어 있으며 제한을 초과하지 않는 한 일반적으로 문제가 되지 않습니다.
2. 비가역적 자기소거
온도가 자석의 허용 한도를 초과하거나 고온에서 강한 감자장이 가해지면 일부 자구가 영구적으로 파괴되고 온도가 정상으로 돌아온 후에도 자성이 완전히 회복되지 않습니다. 이것이 영구적인 자기소거 입니다. 우리가 가장 우려하는
일반 NdFeB 자석의 경우 비가역적 자기소거의 임계 온도는 80°C~150°C 사이입니다. 자석 등급에 따라 일반적으로 프레임리스 토크 모터에서는 구조가 콤팩트하고 열 방출이 좋지 않기 때문에 작동 중에 국지적 온도가 이 범위를 쉽게 초과할 수 있습니다.
III. 프레임리스 토크 모터가 고온 감자에 더 취약한 이유는 무엇입니까?
기존의 하우징 모터와 비교하여 프레임리스 토크 모터에는 여러 가지 '고온 트랩'이 있습니다.
1. 구조가 콤팩트하고 방열 경로가 좋지 않음
프레임리스 모터는 고정자와 하우징 사이의 접촉 면적이 제한되어 기계 구조에 직접 내장되어 열 추출이 어렵습니다. 많은 로봇 관절은 밀폐된 공간을 갖고 있으며 자연 대류나 단순한 열 전도에만 의존하므로 내부 온도가 급등하게 됩니다.
2. 높은 토크 밀도는 높은 전류 밀도를 의미합니다.
제한된 부피 내에서 높은 토크를 전달하기 위해 프레임리스 토크 모터는 높은 전류 밀도에서 작동하는 경우가 많습니다. 구리 손실은 전류의 제곱에 비례하여 상당한 열을 발생시킵니다.
3. 빈번한 과부하 조건
시동, 비상 정지, 충돌 보호 및 부하 유지 시나리오 중에 모터 전류는 순간적으로 정격 값의 2~3배에 도달하여 급격한 온도 상승을 일으킬 수 있습니다.
4. 자석은 근처의 열원에 직접 노출됩니다.
회전자 자석은 고정자 권선에 매우 근접해 있습니다. 고정자로부터의 열은 방사되어 공극을 통해 회전자로 전달되며, 자석 온도는 권선 온도에 근접하거나 심지어 이를 초과할 수도 있습니다.
IV. 고온 감자의 결과
되돌릴 수 없는 자기소거가 발생하면 모터는 일련의 문제를 나타냅니다.
토크 상수 감소 : 동일한 전류에 대해 출력 토크가 감소합니다.
역기전력 감소 : 모터 특성 곡선이 변경되어 제어 정확도가 감소합니다.
토크를 유지하기 위해 전류가 더 증가합니다 . 더 많은 발열이 발생하는 악순환이 발생합니다.
시스템 효율성 저하 : 에너지 소비가 증가하고 배터리 수명 또는 전체 전력 소비가 악화됩니다.
관절강성이 약해짐 : 로봇의 경우 위치결정정도와 부하능력 모두 영향을 받습니다.
더욱 심각한 것은 이러한 저하가 점진적이고 되돌릴 수 없다는 것입니다. 사용자는 명백한 결함을 식별하지 못한 채 시간이 지남에 따라 '모터의 힘이 약해지는 느낌'만 느낄 수 있습니다.
V. 자석 고온 감자의 위험을 줄이는 방법은 무엇입니까?
좋은 소식은 적절한 선택, 설계 및 제어 전략을 통해 위험을 크게 완화할 수 있다는 것입니다.
1. 온도 등급이 더 높은 자석을 선택하십시오.
NdFeB 자석은 일반적으로 N, M, H, SH, UH, EH 등 다양한 온도 등급으로 제공됩니다. 알파벳 문자가 멀수록 온도 성능이 높아집니다. 예를 들어:
N 시리즈: 최대 작동 온도 80°C
H 시리즈: 120°C
SH 시리즈: 150°C
UH 시리즈: 180°C
EH 시리즈: 200°C
프레임 없는 토크 모터의 경우, 특히 로봇 관절 응용 분야에서는 최소한 선택하는 것이 좋습니다 . SH 등급 이상 , 가능한 경우 UH 또는 EH를
2. '자기소거 곡선'과 무릎 지점에 주의하세요.
모터 설계 중에 자석 작동 지점은 감자 곡선의 '무릎 지점'에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 최대 작동 온도 및 최대 감자 전류 하에서 자석은 여전히 안전한 영역에서 작동해야 합니다. 선택할 때 제조업체에 다양한 온도에서의 감자 곡선 및 시뮬레이션 데이터를 제공하도록 요청하십시오.
3. 열 관리 강화
고정자와 하우징 사이에 열 그리스 또는 열 패드를 사용하십시오.
필요한 경우 강제 공기 또는 액체 냉각을 추가하여 적절한 열 방출 경로를 설계하십시오.
모터 내부 또는 권선 근처에 온도 센서를 배치합니다.
고온 환경에서 모터의 장시간 전부하 작동을 피하십시오.
4. 전류 및 과부하 기간 제어
장기간의 과부하를 방지하려면 드라이브를 통해 피크 전류와 지속 시간을 제한하십시오. 지속적인 유지 토크가 필요한 애플리케이션의 경우 유지 전류를 줄이거나 기계적 브레이크를 보조 수단으로 사용하는 것이 좋습니다.
5. '스톨 + 고전류' 조합을 피하세요.
실속 동안 역기전력은 0이고 모든 전류는 열로 변환됩니다. 이는 자기소거에 대한 가장 위험한 시나리오 중 하나입니다. 시스템 설계에서는 장기간의 실속 상태를 피하거나 실속 보호 기능을 구현해야 합니다.
6. 모터 상태를 정기적으로 모니터링하십시오.
역기전력 상수, 무부하 전류, 온도 상승 등의 매개변수를 모니터링하여 감자가 발생했는지 여부를 간접적으로 확인할 수 있습니다. 고급 시스템은 모델 기반 온라인 상태 추정을 통합할 수 있습니다.
6. 요약
프레임리스 토크 모터에서 자석의 고온 감자는 '눈에 보이지 않지만 치명적인' 위험입니다. 샤프트가 부러지거나 권선이 타버린 것만큼 눈에 띄지는 않지만 은밀하게 모터의 토크와 정밀도를 앗아갑니다.
로봇 공학, CNC 로터리 테이블 및 직접 구동 조인트와 같은 응용 분야의 경우 선택 시 고온 등급 자석에 조금 더 투자하고 설계에 추가 열 마진을 남겨두고 제어에 과부하 보호 기능을 하나 더 추가하면 심각한 성능 저하와 판매 후 문제를 방지할 수 있습니다.
