Temperatuurstijging en demagnetisatie van frameloze koppelmotoren

1. Een contra-intuïtief fenomeen: waarom is langzamer gevaarlijker?

Voor veel ingenieurs is de intuïtie dat hoe sneller een motor draait, hoe heter deze wordt. Maar in de wereld van frameloze koppelmotoren is deze logica precies omgekeerd.

Een frameloze koppelmotor heeft geen behuizing, geen lagers en geen uitgaande as. Het is in wezen een krachtkern die bestaat uit een 'kale rotor + stator' die rechtstreeks in een mechanische structuur is ingebed. Het is verpakt in extreem krappe holtes, zoals robotgewrichten, collaboratieve robotarmen en draaitafels met directe aandrijving, waar de omstandigheden voor warmteafvoer veel slechter zijn dan die van conventionele motoren. En het meest voorkomende bedrijfsscenario – het vasthouden van de gewrichten op lage snelheid en een hoog koppel – is precies de werkomstandigheid die de magneten het meest waarschijnlijk zal 'koken'.

De reden is simpel: bij lage snelheid is de tegen-EMK erg laag, dus de frequentieregelaar moet continu een grote stroom leveren om het koppel te behouden. Het koperverlies is evenredig met het kwadraat van de stroom, en deze warmte hoopt zich allemaal op in de statorwikkelingen, terwijl de magneten op de rotor vrijwel geen direct warmteafvoerpad hebben. Het resultaat is dat hoe lager de snelheid, hoe heter de magneten. In een continue looptest van 5 km van een mensachtige robot bedroeg de gewrichtstemperatuur 80°C, wat al de faalgrens bij hoge temperaturen van de meeste vetten naderde.

Temperatuurstijging is geen geïsoleerd probleem. Het bedreigt tegelijkertijd de isolatie van de wikkelingen (versnelde veroudering), de smering van de lagers (verslechtering van de prestaties) en, het meest kritische, de permanente magneten zelf. Zodra onomkeerbare demagnetisatie plaatsvindt, wordt het koppelvermogen van de motor permanent verminderd.

2. De twee gezichten van demagnetisering: een die 'terugkomt', een die nooit meer zal verschijnen

NdFeB (neodymium-ijzerborium) is momenteel het reguliere magneetmateriaal voor frameloze koppelmotoren. De Curietemperatuur bedraagt ​​ongeveer 310–370 °C, wat ver buiten het werkingsbereik van de motor lijkt. Maar wat werkelijk bepaalt hoe lang een magneet kan worden gebruikt, is niet de Curietemperatuur, maar de temperatuurcoëfficiënt van de coërciviteit, doorgaans tussen -0,55%/°C en -0,65%/°C.

De betekenis van deze coëfficiënt is dat voor elke temperatuurstijging van 1°C het vermogen van de magneet om weerstand te bieden aan een extern demagnetiserend veld met 0,55% tot 0,65% afneemt. Van 20°C naar 80°C is de coërciviteit al ongeveer 36% verloren. Bij 100°C is het verlies bijna de helft. Wanneer de coërciviteit daalt tot onder het demagnetiserende veld dat wordt gegenereerd door de ankerreactie, wordt de uitlijning van het magnetische domein permanent beschadigd.

Demagnetisatie valt in twee categorieën:

Omkeerbare demagnetisatie  is een 'vals alarm'. Wanneer de temperatuur stijgt, neemt de magnetische kracht af; wanneer de temperatuur daalt, herstelt het zich. De motor vertoont 'hogere stroomsterkte als hij warm is, en herstelt zich als hij koud is.' Het lijkt prima, maar in werkelijkheid zweeft hij al op de kritische grens.

Onomkeerbare demagnetisatie  is het echte probleem. Wanneer de temperatuur hoger is dan wat de magneet kan weerstaan, of wanneer er bij hoge temperatuur een voldoende sterk omgekeerd magnetisch veld wordt aangelegd, wordt een deel van de uitlijning van het magnetische domein permanent beschadigd en kan de magnetische kracht niet volledig herstellen, zelfs niet nadat de temperatuur weer normaal is geworden.

Onomkeerbare demagnetisatie kent ook 'gedeeltelijke' en 'algemene' vormen. Gedeeltelijke demagnetisatie begint vaak bij de hoeken van de magneet; wervelstromen concentreren zich op de hoeken, waar de kritische temperatuur het eerst wordt overschreden. Het manifesteert zich als een daling van 3%–5% in de tegen-EMF-constante KE; bij dezelfde snelheid is een hogere stroom nodig om het koppel te behouden, de temperatuur stijgt verder en er ontstaat een vicieuze cirkel. De algehele demagnetisatie is het gevolg van het feit dat de hele machine gedurende lange tijd de 120°C overschrijdt, waarbij de KE met meer dan 10% daalt. De motor moet '10% gas geven' om hetzelfde werk te doen, waardoor hij in een 'thermisch-magnetische' doodsspiraal met positieve feedback terechtkomt.

Voor veelgebruikte NdFeB-magneten ligt de kritische temperatuur voor onomkeerbare demagnetisatie doorgaans tussen 80°C en 150°C, afhankelijk van de magneetkwaliteit. Kwaliteiten voor hoge temperaturen kunnen de drempel dicht bij 150°C of zelfs hoger brengen, maar de prijs is een afweging tussen magnetische prestaties en kosten.

3. Waar komt de hitte vandaan en waar blijft deze vastzitten?

De warmtebronnen van frameloze koppelmotoren zijn complexer dan die van conventionele motoren en kunnen grofweg in vier categorieën worden gegroepeerd:

Koperverlies  is het meest fundamentele. Het I⊃2;R-verlies dat wordt gegenereerd door de wikkelingsweerstand onder continue stroom is evenredig met het kwadraat van de stroom. Het probleem is dat frameloze motoren, bij het nastreven van een hoge koppeldichtheid, vaak ontwerpen gebruiken met een hoge sleufvulfactor en dunne draad, waardoor de wikkelweerstand zelf relatief groot is. Zelfs een kleine stroom produceert aanzienlijke basiswarmte en vormt een positieve feedbacklus van 'verhitting → weerstandsverhoging → meer verwarming.'

IJzerverlies  is vooral prominent aanwezig bij ontwerpen met een hoog aantal polen. De veelgebruikte 16-32-polige ontwerpen in frameloze koppelmotoren maken de wisselfrequentie van het magnetische veld veel hoger dan die van gewone servomotoren. Zelfs bij lage snelheid en onbelast zijn de hysteresis- en wervelstroomverliezen in de ijzeren kern al aanzienlijk.

Rotorwervelstroomverlies  is een verborgen warmtebron die gemakkelijk over het hoofd wordt gezien. Het statorvertandingseffect en de PWM-draaggolfharmonischen veroorzaken wervelstromen op het oppervlak van de rotormagneten. Deze warmte wordt direct in de magneten gegenereerd en kan vrijwel niet naar buiten worden geleid.

Extra verliezen die door de controlestrategie worden geïntroduceerd,  vormen de meest verborgen categorie. FOC-veldoriëntatiefout, continue activering van hoogfrequente injectie met nulsnelheid en continue corrigerende stromen veroorzaakt door onjuiste PID-parameters - deze 'onzichtbare stromen' genereren voortdurend koperverlies, zelfs onder nullastomstandigheden, wat de hoofdoorzaak is van veel ingenieurs die ontdekken dat 'het ook zonder belasting heet is.'

Nadat deze vier warmtepaden over elkaar heen zijn gelegd, is de werkelijke magneettemperatuur gewoonlijk 8–12 °C hoger dan de oppervlaktetemperatuur van de behuizing. Als je met een infraroodthermometer 70°C afleest op het oppervlak van de behuizing, zijn de magneten mogelijk op de rode lijn van 80°C gestapt.

4. Drie harde lijnen in selectie

Zodra het temperatuurstijgingsmechanisme wordt begrepen, wordt de logica van selectie duidelijk. De temperatuurselectie voor frameloze koppelmotoren kan worden samengevat in drie harde lijnen, die overeenkomen met drie verschillende beschermingsniveaus.

De eerste regel: de magneetkwaliteit bepaalt de 'bottom line'

NdFeB-magneten zijn onderverdeeld in meerdere niveaus volgens intrinsieke coërciviteit, waarbij de temperatuurweerstand stap voor stap toeneemt:

De N-serie is de standaardkwaliteit, geschikt voor toepassingen bij kamertemperatuur, met een temperatuurbestendigheid van ongeveer 80°C. De H-serie is bestand tegen 120°C, de SH-serie 150°C en de UH-serie 180°C. Van N tot UH worden zware zeldzame aardelementen Dy en Tb toegevoegd om de temperatuurcoëfficiënt van de coërciviteit te verbeteren, maar de kosten stijgen ook met een factor 1,5 tot 3.

Voor typische frameloze torsiemotortoepassingen – robotgewrichten en collaboratieve robotarmen – is SH-kwaliteit of hoger het aanbevolen uitgangspunt . De reden is dat frameloze motoren inherent zware omstandigheden voor warmteafvoer hebben, en dat het 'verborgen verschil' tussen de bedrijfstemperatuur van de magneet en de behuizingstemperatuur 15°C kan bereiken. De N-serie ziet er op papier misschien voldoende uit, maar kan in de praktijk gemakkelijk de grens overschrijden. De kniegewrichtmotor van de eerste generatie van een mensachtige robot kon bijvoorbeeld de demagnetisatie onder blokkeeromstandigheden niet verifiëren. Na herhaalde valinslagen leden de magneten onomkeerbare demagnetisatie en daalde het uitgangskoppel permanent met meer dan 15%.

De tweede regel: isolatieklasse bepaalt het 'plafond'

De isolatieklasse van de wikkelingen is een andere temperatuurbeperking, en deze bereikt vaak eerder zijn limiet dan de magneten. Klasse F-isolatie heeft een nominale temperatuur van 155°C, wat momenteel de reguliere configuratie is voor frameloze koppelmotoren. Klasse B-isolatie (130°C) komt voor in sommige kostengevoelige producten of producten met extreem weinig ruimte.

Er is een thermische koppeling tussen de magneettemperatuur en de wikkelingstemperatuur: de wikkelingswarmte wordt door de statorkern naar de rotor geleid en heeft uiteindelijk invloed op de magneten. Daarom stelt de limiet voor wikkelingsisolatie van 155°C feitelijk ook een indirect plafond voor de magneettemperatuur in. De technische verificatielogica is dat, onder thermische stabiele toestand, de temperatuur van de wikkeling de limiet van de isolatieklasse niet mag overschrijden, terwijl de magneettemperatuur de kritische demagnetisatietemperatuur niet mag overschrijden - deze laatste wordt meestal eerder het knelpunt.

In de industriële praktijk wordt de maximale continue bedrijfstemperatuur van NdFeB SH-magneten gewoonlijk ingesteld op 120°C. Boven deze waarde begint de motor het demagnetisatierisicobereik te betreden.

De derde regel: huidige limiet bepaalt de 'dynamische grens'

Naast de stabiele temperatuur is er nog een andere dynamische factor die vaak over het hoofd wordt gezien:  het demagnetisatierisico bij piekstroom.

Koppelmotoren hebben een piekkoppel en een blokkeerkoppel. Het piekkoppel is het startkoppel voor een korte tijd, meestal slechts 10–15 seconden; Het blokkeerkoppel is de waarde die continu kan worden afgegeven. Wanneer de piekstroom te groot is, kan het demagnetiserende veld dat wordt gegenereerd door de ankerreactie direct onomkeerbare demagnetisatie veroorzaken onder omstandigheden van hoge temperatuur.

De maximale stroom van een koppelmotor met directe aandrijving, beperkt door demagnetisatie van permanente magneten, is het 'demagnetisatielimietpunt'. Bij sommige producten wordt het koppel, nadat krachtige magneten zijn gebruikt, alleen beperkt door de maximale temperatuurstijging, en kan het piekkoppel aanzienlijk worden verhoogd. Maar als de magneetkwaliteit onvoldoende is, wordt demagnetisatie de eerste beperking die wordt geactiveerd.

Tijdens de selectie is het noodzakelijk om niet alleen de temperatuurstijging onder continue stroom te verifiëren, maar ook of de stroom bij blokkering en tijdelijke overbelasting de demagnetisatielimiet van de magneet bij die temperatuur overschrijdt. Deze limiet wordt meestal gegeven door de demagnetisatiecurve van de magneetleverancier en moet worden bepaald in combinatie met ankerreactieberekeningen in het motorontwerp.

5. Technische benaderingen van koeling

De essentie van de beheersing van temperatuurstijging is het tot stand brengen van een evenwicht tussen warmteopwekking en warmteafvoer. Voor frameloze koppelmotoren zijn er verschillende volwassen technische paden.

Oppotten  is momenteel de meest gangbare manier om de warmteafvoer te verbeteren. TQ Robodrive maakt gebruik van epoxy-inkapselings- en oppottechnologie, en Kinco was een pionier op het gebied van frameloos oppotproces. De kernlogica van beide is om de interne gaten van de motor op te vullen met opgietmateriaal met een hoge thermische geleidbaarheid, zodat de wikkelwarmte sneller naar de statorkern en de montageflens wordt geleid. De thermische geleidbaarheid van potmateriaal kan 1,4–1,6 W/mK bereiken, veel hoger dan die van lucht.

Waterkoelingskanalen  zijn geschikt voor compacte verbindingen en andere scenario's met een hoge warmtefluxdichtheid. Er worden spiraalvormige kanalen in de statorhuls of behuizing uitgesneden en er wordt koelvloeistof doorheen geleid, waardoor de temperatuurstijging direct met 40–60 °C kan worden verminderd. De kosten bestaan ​​uit een grotere systeemcomplexiteit en afdichtingsvereisten.

Optimalisatie van de controlestrategie  is een pad zonder hardwarekosten. Door het nulpunt van de magnetische pool opnieuw te kalibreren, de PID-parameters te optimaliseren, de hogefrequentie-injectie op nulsnelheid te beheren en de minimale stroomregeling mogelijk te maken, kan de statische houdstroom met 50% tot 80% worden verminderd zonder de hardware te wijzigen. Voor systemen die al nullastverwarmingsproblemen hebben, levert optimalisatie van de regeling vaak meer directe resultaten op dan het toevoegen van maatregelen voor warmteafvoer.

Ingebouwde temperatuursensoren  vormen de basis van de veiligheid. NTC (100k) en PT1000 zijn momenteel de standaard temperatuurmeetconfiguraties voor frameloze koppelmotoren, waarbij de wikkelingstemperatuur in realtime wordt bewaakt en derating of bescherming wordt geactiveerd wanneer de limiet wordt benaderd. Maar houd er rekening mee dat de sensor de temperatuur van de wikkeling meet, en niet de magneettemperatuur. Het verschil tussen de twee hangt af van de ontwerpkwaliteit van het warmtedissipatiepad, en er moet voldoende veiligheidsmarge worden gelaten tijdens de selectie.

Conclusie

De temperatuurselectie voor frameloze koppelmotoren is in wezen een evenwicht tussen drie beperkingen: de magneetkwaliteit bepaalt hoe hoog de temperatuur is die u kunt weerstaan, de isolatieklasse definieert het wikkelplafond en de stroomlimiet definieert de grens van dynamische bedrijfsomstandigheden. De drie lijnen zijn aan elkaar gekoppeld en als er één wordt doorbroken, kan dit een kettingreactie veroorzaken van demagnetisatie naar burn-out.

De meest pragmatische aanpak is:  ga in de selectiefase uit van de zwaarste omstandigheden voor warmtedissipatie , ga één magneetklasse omhoog, laat voldoende temperatuurstijgingsmarge over en maak de demagnetisatieverificatie onder blokkeer- en overbelastingsomstandigheden tot een verplicht item. Demagnetisatie is immers onomkeerbaar: het geeft je geen tweede kans.