Adakah Motor Tork Tanpa Bingkai Akan Menyahmagnet Selepas Operasi Berkelajuan Rendah Jangka Panjang?

Dalam senario seperti sambungan robot, lengan robot kolaboratif dan meja berputar pemacu terus, motor tork tanpa bingkai menjadi semakin biasa. Mereka tidak mempunyai perumahan dan tiada galas; pada dasarnya, ia adalah teras kuasa 'pemutar kosong + pemegun' yang tertanam terus ke dalam struktur mekanikal, mencapai ketumpatan tork yang sangat tinggi dan penggunaan ruang padat.

Walau bagaimanapun, ramai jurutera mempunyai soalan yang sama apabila memilih dan menggunakannya:  Jika motor berjalan pada kelajuan rendah untuk masa yang lama, atau bahkan beroperasi hampir dengan gerai untuk masa yang lama, adakah magnet akan demagnet?

Kebimbangan ini bukan tidak berasas. Ruang yang tersedia untuk menyepadukan a motor tork tanpa bingkai selalunya sangat kecil, dan keadaan pelesapan haba jauh lebih teruk daripada motor tradisional yang ditempatkan. 'Penyahmagnetan' ialah salah satu mod kegagalan paling mematikan bagi motor magnet kekal. Sebaik sahaja penyahmagnetan tidak dapat dipulihkan berlaku, tork akan berkurangan secara kekal, dan keupayaan memandu keseluruhan sendi akan 'diskaun.'

Tetapi kebenarannya lebih rumit daripada 'ya' atau 'tidak.' Penyahmagnetan memerlukan keadaan tertentu, dan operasi berkelajuan rendah jangka panjang adalah tepat senario berisiko tinggi untuk mencetuskannya.

Terdapat dua jenis penyahmagnetan: yang manakah benar-benar penting?

Kemagnetan magnet kekal tidak benar-benar 'kekal.' Apabila suhu meningkat ke tahap tertentu, susunan domain magnet di dalam magnet menjadi tidak stabil, dan prestasi magnet berkurangan. Proses ini terbahagi kepada dua kategori.

Penyahmagnetan boleh balik  adalah 'sementara.' Apabila suhu meningkat, daya magnet berkurangan; apabila suhu turun semula, daya magnet pulih. Penyahmagnetan jenis ini telah pun diambil kira dalam reka bentuk motor. Selagi kenaikan suhu tidak melebihi had reka bentuk, ia biasanya tidak menyebabkan masalah.

Penyahmagnetan tidak dapat dipulihkan  adalah masalah sebenar. Apabila suhu melebihi had yang boleh ditahan oleh magnet, atau apabila medan magnet songsang yang cukup kuat ditindih pada suhu tinggi, susunan beberapa domain magnet rosak secara kekal. Walaupun suhu kembali normal, daya magnet tidak dapat pulih sepenuhnya.

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 ini kepada hampir 150°C atau lebih tinggi, tetapi dengan kos pertukaran antara prestasi magnetik dan kos.

Mengapakah operasi berkelajuan rendah memudahkan untuk 'memasak' magnet?

Secara intuitif, seseorang mungkin berfikir bahawa motor yang berjalan pada kelajuan tinggi menghasilkan lebih banyak haba. Tetapi dengan motor tork tanpa bingkai, logiknya adalah sebaliknya.

Pada kelajuan rendah, EMF belakang motor adalah sangat rendah, dan pemacu mesti terus mengeluarkan arus yang agak besar untuk mengekalkan tork. Semua arus ini mengalir melalui belitan stator, dan kehilangan kuprum (I⊃2;R loss) adalah berkadar dengan kuasa dua arus, menjadi sumber utama haba. Oleh kerana kelajuan motor rendah, hampir tiada penyejukan perolakan udara yang disebabkan oleh putaran rotor—banyak motor tork tanpa bingkai hanya mempunyai jurang udara yang sangat kecil antara permukaan pemutar dan stator, dan pada kelajuan rendah hampir tiada penyejukan udara yang berkesan.

Lebih kritikal, struktur motor tork tanpa bingkai itu sendiri tidak kondusif untuk pelesapan haba. Ia dibenamkan terus ke dalam sambungan robot atau perumahan peralatan, dan kawasan sentuhan antara stator dan perumahan luaran adalah terhad. Banyak sendi juga merupakan ruang tertutup, jadi haba hanya boleh dilesapkan secara perlahan melalui perolakan dan pengaliran semula jadi. Jika perumahan sendi itu sendiri adalah logam, beberapa haba boleh dialirkan; tetapi jika terdapat sumber haba lain yang berdekatan (seperti pemacu atau pengurang bersebelahan), suhu setempat mungkin lebih tinggi daripada yang dijangkakan.

Satu kajian oleh Universiti Zhejiang secara khusus mengkaji masalah 'gandingan magneto-terma' bagi motor segerak magnet kekal berkelajuan rendah dan tork tinggi. Ia menunjukkan bahawa semasa operasi beban berterusan jangka panjang, kenaikan suhu boleh menyebabkan penyahmagnetan boleh balik bagi magnet kekal, sekali gus menjejaskan prestasi operasi motor. Walaupun penyahmagnetan boleh balik itu sendiri boleh dipulihkan, kehadirannya bermakna titik kendalian magnet sedang bergerak ke arah kawasan berbahaya. Jika suhu terus naik dan melintasi titik kritikal, boleh balik akan menjadi tidak boleh balik.

Di luar suhu, terdapat satu lagi 'pembunuh halimunan'

Suhu hanyalah satu dimensi penyahmagnetan. Faktor lain yang mudah diabaikan ialah  medan magnet tindak balas angker.

Apabila motor melepasi arus yang besar, tidak semua medan magnet yang dihasilkan oleh belitan stator digunakan untuk memacu pemutar. Sebahagian daripadanya bertindak pada magnet kekal dalam arah 'menyahmagnetkan'. Semasa operasi berkelajuan tinggi biasa, arus agak kecil, dan medan penyahmagnetan ini juga lemah. Tetapi dalam keadaan kelajuan rendah, tork tinggi, arus kekal tinggi, dan medan penyahmagnetan juga meningkat.

Kajian IEEE dengan jelas menunjukkan bahawa punca penyahmagnetan magnet kekal termasuk kakisan kimia, kerosakan fizikal,  medan magnet angker terbalik , dan  kenaikan suhu . Dua yang pertama biasanya disebabkan oleh persekitaran yang keras dan tidak dapat dipulihkan; sama ada dua yang terakhir boleh diterbalikkan bergantung pada sama ada titik kendalian magnet kekal berada di bawah 'titik lutut' lengkung penyahmagnetannya.

Dalam erti kata lain,  superposisi suhu tinggi dan medan penyahmagnetan yang kuat  adalah pencetus sebenar untuk penyahmagnetan tidak dapat dipulihkan. Suhu tinggi sahaja atau arus besar sahaja mungkin tidak serta-merta menyebabkan kerosakan kekal, tetapi apabila kedua-duanya berlaku pada masa yang sama, risiko meningkat dengan mendadak.

Operasi berkelajuan rendah jangka panjang memberikan kedua-dua keadaan serentak: arus besar membawa medan penyahmagnetan yang kuat, dan pelesapan haba yang lemah membawa suhu tinggi. Inilah sebabnya mengapa keadaan berkelajuan rendah memerlukan lebih kewaspadaan terhadap risiko penyahmagnetan daripada keadaan berkelajuan tinggi.

Mekanisme perlindungan: jurutera telah melakukan banyak perkara di peringkat reka bentuk

Walau bagaimanapun, risiko penyahmagnetan tidak bermakna motor tork tanpa bingkai tidak boleh digunakan untuk operasi berkelajuan rendah jangka panjang. Amalan kejuruteraan dalam industri telah pun membentuk sistem perlindungan yang cukup matang.

Pemilihan magnet adalah barisan pertahanan pertama.  Untuk senario suhu tinggi, pengeluar motor memilih gred NdFeB dengan paksaan tinggi. Sebagai contoh, apabila pelanggan robot pengendalian wafer menghadapi risiko penyahmagnetan dalam persekitaran vakum suhu tinggi, pengeluar motor memilih magnet NdFeB tahan suhu tinggi dan mereka bentuk saluran pelesapan haba khas, memastikan prestasi magnet motor kekal stabil pada  120°C . Sesetengah produk juga menggunakan magnet NdFeB nadir bumi dan boleh beroperasi secara berterusan dan stabil pada penarafan suhu penggulungan sehingga  155°C.

Perlindungan pada tahap pemacu adalah sama kritikal.  Semasa peringkat reka bentuk motor, jurutera menggunakan analisis unsur terhingga untuk mengira 'titik operasi penyahmagnetan maksimum' magnet, memastikan bahawa di bawah keadaan operasi yang paling teruk, titik operasi ini kekal di atas titik lutut lengkung penyahmagnetan. Pemacu kemudian mengehadkan amplitud dan tempoh arus puncak untuk mengelakkan kesan penyahmagnetan yang disebabkan oleh arus lebihan sementara.

Reka bentuk pelesapan haba adalah penghalang terakhir.  Motor tork tanpa bingkai menjana haba yang ketara apabila beroperasi pada kelajuan rendah dan arus tinggi. Amalan industri termasuk pengkapsulan dan pasu epoksi, penyejukan udara paksa, atau sistem penyejukan cecair, malah menyepadukan paip haba atau peredaran penyejuk dielektrik ke dalam perumah sambungan. Proses pasu mengisi jurang antara belitan dan teras pemegun dengan bahan pengalir haba, yang kedua-duanya meningkatkan laluan pelesapan haba dan meningkatkan kebolehpercayaan penebat belitan.

Berbalik kepada persoalan itu sendiri

Jadi, adakah motor tork tanpa bingkai akan demagnetkan selepas operasi berkelajuan rendah jangka panjang?

Jawapannya ialah: di bawah reka bentuk yang betul dan keadaan penggunaan yang munasabah, tidak.  Tetapi jika reka bentuk pelesapan haba tidak mencukupi, pemilihan magnet adalah tidak betul, atau parameter perlindungan pemacu ditetapkan secara tidak munasabah, operasi berkelajuan rendah jangka panjang sememangnya merupakan keadaan berisiko tinggi.

Penyahmagnetan bukanlah nasib yang 'pasti akan berlaku selepas berjalan untuk masa yang lama'; ia adalah  masalah gandingan antara suhu dan medan magnet . Dengan mengawal kedua-dua pembolehubah ini dengan baik—menjaga suhu operasi magnet jauh dari titik kritikal dan memastikan medan penyahmagnetan tidak melebihi titik lutut titik kendalian magnet—motor tork tanpa bingkai boleh digunakan dengan selamat dalam senario operasi berkelajuan rendah jangka panjang.

Bagi pengguna, pendekatan yang paling praktikal ialah: apabila memilih motor, maklumkan dengan jelas pengilang tentang kelajuan rendah, keadaan operasi jangka panjang dan sahkan gred magnet dan had kenaikan suhu; semasa penggunaan, sentiasa memantau status prestasi magnet motor melalui parameter seperti pemalar belakang-EMF, arus tanpa beban, dan kenaikan suhu; dan tetapkan ambang perlindungan arus lampau yang munasabah dalam pengawal untuk mengelakkan kesan tidak boleh balik pada magnet daripada arus besar sementara.

Reka bentuk 'tanpa bingkai' bagi motor tork tanpa bingkai membawa penyepaduan melampau dan ketumpatan tork, dengan kos margin pelesapan haba yang lebih kecil dan kepekaan yang lebih besar kepada keadaan operasi. Memahami syarat sempadan penyahmagnetan adalah lebih bermakna daripada hanya bimbang tentang 'sama ada ia akan dinyahmagnetkan.'