Kenaikan Suhu Dan Penyahmagnetan Motor Tork Tanpa Bingkai

1. Fenomena Berlawanan: Mengapa Lebih Perlahan Lebih Berbahaya?

Bagi kebanyakan jurutera, gerak hati adalah bahawa semakin laju motor berjalan, semakin panas ia. Tetapi dalam dunia motor tork tanpa bingkai , logik ini betul-betul terbalik.

Motor tork tanpa bingkai tidak mempunyai perumah, tiada galas, dan tiada aci keluaran. Ia pada asasnya adalah teras kuasa yang terdiri daripada 'pemutar kosong + pemegun' yang dibenamkan terus ke dalam struktur mekanikal. Ia dibungkus ke dalam rongga yang sangat sempit seperti sendi robot, lengan robot kolaboratif, dan meja putar pemacu terus, di mana keadaan pelesapan haba adalah jauh lebih teruk daripada keadaan motor biasa. Dan senario pengendaliannya yang paling biasa—pegangan sambungan berkelajuan rendah dan output tork tinggi—adalah keadaan kerja yang paling mungkin untuk 'memasak' magnet.

Sebabnya mudah: pada kelajuan rendah, EMF belakang sangat rendah, jadi pemacu mesti terus mengeluarkan arus yang besar untuk mengekalkan tork. Kehilangan kuprum adalah berkadar dengan kuasa dua arus, dan haba ini semua terkumpul dalam belitan stator, manakala magnet pada pemutar hampir tiada laluan pelesapan haba langsung. Hasilnya ialah semakin rendah kelajuan, semakin panas magnet. Dalam ujian berjalan kaki berterusan sejauh 5 km bagi robot humanoid, suhu sendi mengukur 80°C, sudah menghampiri had kegagalan suhu tinggi kebanyakan gris.

Peningkatan suhu bukanlah masalah terpencil. Ia secara serentak mengancam penebat penggulungan (penuaan dipercepat), pelinciran galas (penurunan prestasi), dan, paling kritikal, magnet kekal itu sendiri. Sebaik sahaja penyahmagnetan tidak dapat dipulihkan berlaku, keupayaan tork motor akan berkurangan secara kekal.

2. Dua Wajah Demagnetisasi: Satu Yang 'Kembali', Satu Yang Tidak Akan Pernah

NdFeB (boron besi neodymium) kini merupakan bahan magnet arus perdana untuk motor tork tanpa bingkai. Suhu Curienya adalah kira-kira 310–370°C, yang kelihatan jauh dari julat kendalian motor. Tetapi yang benar-benar menentukan berapa lama magnet boleh digunakan bukanlah suhu Curie, tetapi pekali suhu coercivity—biasanya antara -0.55%/°C dan -0.65%/°C.

Maksud pekali ini ialah bagi setiap peningkatan suhu 1°C, keupayaan magnet untuk menahan medan penyahmagnetan luaran menurun sebanyak 0.55% kepada 0.65%. Dari 20°C hingga 80°C, coercivity telah kehilangan kira-kira 36%. Pada 100°C, kehilangan hampir separuh. Apabila coercivity jatuh di bawah medan penyahmagnetan yang dihasilkan oleh tindak balas angker, penjajaran domain magnetik rosak secara kekal.

Penyahmagnetan terbahagi kepada dua kategori:

Penyahmagnetan boleh balik  ialah 'penggera palsu.' Apabila suhu meningkat, daya magnet berkurangan; apabila suhu jatuh, ia pulih. Motor mempamerkan 'arus yang lebih tinggi apabila panas, pemulihan apabila sejuk.' Nampaknya baik, tetapi sebenarnya ia sudah berlegar di tepi kritikal.

Penyahmagnetan tidak dapat dipulihkan  adalah masalah sebenar. Apabila suhu melebihi apa yang boleh ditahan oleh magnet, atau apabila medan magnet songsang yang cukup kuat ditindih pada suhu tinggi, sebahagian daripada penjajaran domain magnetik rosak secara kekal, dan daya magnet tidak dapat pulih sepenuhnya walaupun selepas suhu kembali normal.

Penyahmagnetan tak boleh balik juga mempunyai bentuk 'separa' dan 'keseluruhan'. Penyahmagnetan separa selalunya bermula pada penjuru magnet—arus pusar tertumpu pada sudut, di mana suhu kritikal dilanggar terlebih dahulu. Ia nyata sebagai penurunan 3%–5% dalam pemalar EMF belakang KE; pada kelajuan yang sama, arus yang lebih tinggi diperlukan untuk mengekalkan tork, suhu meningkat lebih jauh, dan bentuk kitaran ganas. Penyahmagnetan keseluruhan adalah akibat daripada keseluruhan mesin melebihi 120°C untuk masa yang lama, dengan KE menurun lebih daripada 10%. Motor mesti 'menambah 10% pendikit' untuk melakukan kerja yang sama, memasuki lingkaran kematian 'terma-magnet' maklum balas positif.

Untuk magnet NdFeB yang biasa digunakan, suhu kritikal untuk penyahmagnetan tak boleh balik biasanya antara 80°C dan 150°C, bergantung pada gred magnet. Gred suhu tinggi boleh menolak ambang hampir 150°C atau lebih tinggi, tetapi harganya adalah pertukaran antara prestasi magnetik dan kos.

3. Dari Mana Datangnya Haba, dan Dari Mana Ia Terperangkap?

Sumber haba motor tork tanpa bingkai adalah lebih kompleks daripada motor konvensional dan boleh dikumpulkan secara kasar kepada empat kategori:

Kehilangan tembaga  adalah yang paling asas. Kehilangan I⊃2;R yang dijana oleh rintangan belitan di bawah arus berterusan adalah berkadar dengan kuasa dua arus. Masalahnya ialah, dalam mengejar ketumpatan tork yang tinggi, motor tanpa bingkai sering menggunakan reka bentuk dengan faktor isi slot tinggi dan wayar nipis, jadi rintangan belitan itu sendiri agak besar. Walaupun arus kecil menghasilkan haba garis dasar yang besar dan membentuk gelung maklum balas positif bagi 'pemanasan → peningkatan rintangan → lebih banyak pemanasan.'

Kehilangan besi  amat ketara dalam reka bentuk kiraan kutub tinggi. Reka bentuk tiang 16–32 yang biasa digunakan dalam motor tork tanpa bingkai menjadikan frekuensi berselang-seli medan magnet jauh lebih tinggi daripada motor servo biasa. Walaupun pada kelajuan rendah dan tanpa beban, histerisis dan kehilangan arus pusar dalam teras besi sudah cukup besar.

Kehilangan arus pusar pemutar  adalah sumber haba tersembunyi yang mudah diabaikan. Kesan cogging stator dan harmonik pembawa PWM mendorong arus pusar pada permukaan magnet rotor. Haba ini dijana terus di dalam magnet dan hampir tiada laluan untuk mengalir ke luar.

Kerugian tambahan yang diperkenalkan oleh strategi kawalan  adalah kategori yang paling tersembunyi. Ralat orientasi medan FOC, pengaktifan berterusan suntikan frekuensi tinggi berkelajuan sifar dan arus pembetulan berterusan yang disebabkan oleh parameter PID yang tidak betul—'arus halimunan' ini secara berterusan menjana kehilangan tembaga walaupun dalam keadaan tanpa beban, yang merupakan punca ramai jurutera mendapati bahawa 'ia juga panas tanpa beban.'

Selepas empat laluan haba ini ditindih, suhu magnet sebenar biasanya 8–12°C lebih tinggi daripada suhu permukaan perumahan. Apabila anda membaca 70°C pada permukaan perumahan dengan termometer inframerah, magnet mungkin telah melangkah ke garis merah 80°C.

4. Tiga Garis Keras dalam Pemilihan

Setelah mekanisme kenaikan suhu difahami, logik pemilihan menjadi jelas. Pemilihan suhu untuk motor tork tanpa bingkai boleh diringkaskan kepada tiga garisan keras, sepadan dengan tiga tahap sasaran perlindungan yang berbeza.

Baris pertama: gred magnet menentukan 'garis bawah'

Magnet NdFeB dibahagikan kepada berbilang tahap gred mengikut paksaan intrinsik, dengan rintangan suhu meningkat langkah demi langkah:

Siri N ialah gred standard, sesuai untuk aplikasi suhu bilik, dengan rintangan suhu kira-kira 80°C. Siri H tahan 120°C, siri SH 150°C, dan siri UH 180°C. Dari N ke UH, unsur nadir bumi berat Dy dan Tb ditambah untuk meningkatkan pekali suhu koersitiviti, tetapi kosnya juga meningkat dengan faktor 1.5 hingga 3.

Untuk aplikasi motor tork tanpa bingkai biasa—sendi robot dan lengan robot kolaboratif— Gred SH atau lebih tinggi ialah titik permulaan yang disyorkan . Sebabnya ialah motor tanpa bingkai sememangnya mempunyai keadaan pelesapan haba yang keras, dan 'perbezaan tersembunyi' antara suhu operasi magnet dan suhu perumah boleh mencapai 15°C. Siri N mungkin kelihatan mencukupi di atas kertas, tetapi dalam operasi sebenar ia boleh melintasi garisan dengan mudah. Motor sendi lutut generasi pertama robot humanoid, sebagai contoh, tidak mengesahkan penyahmagnetan di bawah keadaan gerai. Selepas hentaman kejatuhan berulang kali, magnet mengalami penyahmagnetan tidak dapat dipulihkan, dan tork keluaran secara kekal menurun lebih daripada 15%.

Baris kedua: kelas penebat menentukan 'siling'

Kelas penebat belitan adalah satu lagi kekangan suhu, dan ia sering mencapai hadnya lebih awal daripada magnet. Penebat Kelas F mempunyai suhu terkadar 155°C, yang kini merupakan konfigurasi arus perdana untuk motor tork tanpa bingkai. Penebat Kelas B (130°C) muncul dalam beberapa produk yang sensitif kos atau sangat terhad ruang.

Terdapat gandingan haba antara suhu magnet dan suhu belitan: haba belitan dijalankan melalui teras pemegun ke pemutar dan akhirnya menjejaskan magnet. Oleh itu, had penebat belitan 155°C sebenarnya menetapkan siling tidak langsung untuk suhu magnet juga. Logik pengesahan kejuruteraan ialah, di bawah keadaan mantap terma, suhu penggulungan tidak boleh melebihi had kelas penebat, manakala suhu magnet tidak boleh melebihi suhu kritikal penyahmagnetannya—yang terakhir biasanya menjadi hambatan lebih awal.

Dalam amalan industri, suhu operasi berterusan maksimum bagi magnet gred NdFeB SH biasanya ditetapkan pada 120°C. Di atas nilai ini, motor mula memasuki julat risiko penyahmagnetan.

Baris ketiga: had semasa menentukan 'sempadan dinamik'

Selain suhu keadaan mantap, terdapat satu lagi faktor dinamik yang sering diabaikan:  risiko penyahmagnetan di bawah arus puncak.

Motor kilas mempunyai tork puncak dan tork gerai. Tork puncak ialah tork permulaan untuk masa yang singkat, biasanya hanya bertahan 10–15 saat; tork gerai ialah nilai yang boleh dikeluarkan secara berterusan. Apabila arus puncak terlalu besar, medan penyahmagnetan yang dijana oleh tindak balas angker secara langsung boleh mencetuskan penyahmagnetan tak boleh balik di bawah keadaan suhu tinggi.

Arus maksimum motor tork pemacu terus dihadkan oleh penyahmagnetan magnet kekal ialah 'titik had penyahmagnetan.' Dalam sesetengah produk, selepas magnet berprestasi tinggi digunakan, tork dihadkan hanya oleh kenaikan suhu maksimum, dan tork puncak boleh ditingkatkan dengan banyak. Tetapi jika gred magnet tidak mencukupi, penyahmagnetan menjadi kekangan pertama yang dicetuskan.

Semasa pemilihan, adalah perlu untuk mengesahkan bukan sahaja kenaikan suhu di bawah arus berterusan, tetapi juga sama ada arus di bawah keadaan gerai dan beban lampau sementara melebihi had penyahmagnetan magnet pada suhu tersebut. Had ini biasanya diberikan oleh lengkung penyahmagnetan pembekal magnet dan mesti ditentukan dalam kombinasi dengan pengiraan tindak balas angker dalam reka bentuk motor.

5. Pendekatan Kejuruteraan untuk Penyejukan

Intipati kawalan kenaikan suhu adalah untuk mewujudkan keseimbangan antara penjanaan haba dan penyingkiran haba. Untuk motor tork tanpa bingkai, terdapat beberapa laluan kejuruteraan matang.

Potting  pada masa ini merupakan cara paling utama untuk meningkatkan pelesapan haba. TQ Robodrive menggunakan teknologi pengekapan epoksi dan pasu, dan Kinco mempelopori proses pasu tanpa bingkai. Logik teras kedua-duanya adalah untuk mengisi celah dalaman motor dengan bahan pasu kekonduksian terma tinggi, supaya haba belitan dijalankan dengan lebih cepat ke teras pemegun dan bebibir pelekap. Kekonduksian terma bahan pasu boleh mencapai 1.4–1.6 W/mK, jauh lebih tinggi daripada udara.

Saluran penyejukan air  sesuai untuk sambungan padat dan senario lain dengan ketumpatan fluks haba yang tinggi. Saluran heliks dipotong ke dalam lengan pemegun atau perumah, dan penyejuk disalurkan melaluinya, yang secara langsung boleh mengurangkan kenaikan suhu sebanyak 40–60°C. Kos adalah peningkatan kerumitan sistem dan keperluan pengedap.

Pengoptimuman strategi kawalan  ialah laluan kos sifar perkakasan. Menentukur semula titik sifar kutub magnet, mengoptimumkan parameter PID, mengurus suntikan frekuensi tinggi berkelajuan sifar, dan mendayakan kawalan arus minimum boleh mengurangkan arus pegangan statik sebanyak 50%–80% tanpa mengubah perkakasan. Untuk sistem yang sudah mempunyai masalah pemanasan tanpa beban, pengoptimuman kawalan selalunya menghasilkan hasil yang lebih segera daripada menambah langkah pelesapan haba.

Penderia suhu terbina dalam  adalah asas keselamatan. NTC (100k) dan PT1000 kini merupakan konfigurasi ukuran suhu standard untuk motor tork tanpa bingkai, memantau suhu belitan dalam masa nyata dan mencetuskan penurunan atau perlindungan apabila menghampiri had. Tetapi ambil perhatian bahawa penderia mengukur suhu penggulungan, bukan suhu magnet—perbezaan antara keduanya bergantung pada kualiti reka bentuk laluan pelesapan haba, dan margin keselamatan yang mencukupi mesti ditinggalkan semasa pemilihan.

Kesimpulan

Pemilihan suhu untuk motor tork tanpa bingkai pada asasnya adalah keseimbangan antara tiga kekangan: gred magnet menentukan berapa tinggi suhu yang anda boleh tahan, kelas penebat mentakrifkan siling penggulungan, dan had semasa mentakrifkan sempadan keadaan operasi dinamik. Ketiga-tiga garisan itu digandingkan antara satu sama lain, dan jika ada yang dilanggar, ia boleh mencetuskan tindak balas berantai daripada penyahmagnetan kepada keletihan.

Pendekatan yang paling pragmatik ialah:  pada peringkat pemilihan, anggap keadaan pelesapan haba yang paling teruk , naikkan satu gred magnet, biarkan jidar kenaikan suhu yang mencukupi, dan jadikan pengesahan penyahmagnetan di bawah keadaan gerai dan beban lampau sebagai item wajib. Lagipun, penyahmagnetan tidak dapat dipulihkan-ia tidak akan memberi anda peluang kedua.