De 'hogetemperatuurmoordenaar' van frameloze koppelmotoren: hoe ernstig is het risico van magneetdemagnetisatie?

In hoogwaardige motion control-scenario's zoals robotgewrichten, collaboratieve robotarmen en draaitafels met directe aandrijving, frameloze koppelmotoren worden steeds gebruikelijker. Ze hebben geen behuizing, geen lagers - in wezen een 'kale rotor + stator'-krachtkern die rechtstreeks in de mechanische structuur is ingebed, wat een hoge koppeldichtheid, hoge stijfheid en een compacte voetafdruk oplevert.

Veel ingenieurs zien echter bij de selectie en het gebruik een potentieel risico over het hoofd:  onomkeerbare demagnetisatie van de permanente magneten bij hoge temperaturen . Zodra demagnetisatie optreedt, ondervindt de motor een koppeldaling, een verhoogde verwarming en kan zelfs de hele verbinding 'zwak' worden.

I. Wat zijn de magneten in een frameloze koppelmotor?

Frameloze koppelmotoren zijn doorgaans synchrone motoren met permanente magneten, met krachtige permanente magneten - gewoonlijk 'magneten' genoemd - gemonteerd op of in het rotoroppervlak.

Het reguliere magneetmateriaal dat tegenwoordig wordt gebruikt is  neodymium-ijzer-boor (NdFeB) , vanwege zijn uitzonderlijke magnetische prestaties, in staat om een ​​hoge luchtspleetflux te genereren in een zeer klein volume - ideaal voor frameloze koppelmotoren die een extreem hoge koppeldichtheid vereisen.

Maar NdFeB heeft een inherente zwakte:  relatief slechte hittebestendigheid.

II. Hoe vindt demagnetisatie bij hoge temperaturen plaats?

Het magnetisme van permanente magneten is niet echt 'permanent'. Wanneer de temperatuur tot een bepaald niveau stijgt, wordt de uitlijning van de magnetische domeinen in de magneet onstabiel en neemt de magnetische sterkte geleidelijk af.

Demagnetisatie is verdeeld in twee typen:

1. Omkeerbare demagnetisatie

De magnetische sterkte neemt tijdelijk af als de temperatuur stijgt, maar herstelt zich als de temperatuur daalt. Met dit type wordt al rekening gehouden in het motorontwerp en is meestal geen probleem zolang de limieten niet worden overschreden.

2. Onomkeerbare demagnetisatie

Als de temperatuur de tolerantielimiet van de magneet overschrijdt, of als er bij hoge temperaturen een sterk demagnetiserend veld wordt aangelegd, worden sommige magnetische domeinen permanent verstoord en kan het magnetisme niet volledig herstellen, zelfs niet nadat de temperatuur weer normaal is. Dit is de  permanente demagnetisatie  waar we ons het meest zorgen over maken.

Voor gewone NdFeB-magneten ligt de kritische temperatuur voor onomkeerbare demagnetisatie doorgaans tussen  80°C en 150°C , afhankelijk van de magneetkwaliteit. Bij frameloze koppelmotoren kunnen de plaatselijke temperaturen tijdens bedrijf, vanwege hun compacte structuur en slechte warmteafvoer, gemakkelijk dit bereik overschrijden.

III. Waarom zijn frameloze koppelmotoren gevoeliger voor demagnetisatie bij hoge temperaturen?

Vergeleken met traditionele motoren hebben frameloze koppelmotoren verschillende 'hogetemperatuurvallen':

1. Compacte structuur, slechte warmteafvoerpaden

Frameloze motoren zijn rechtstreeks in de mechanische structuur ingebed, met een beperkt contactoppervlak tussen de stator en de behuizing, waardoor warmteafvoer moeilijk wordt. Veel robotgewrichten hebben afgesloten ruimtes en zijn alleen afhankelijk van natuurlijke convectie of eenvoudige thermische geleiding, waardoor de interne temperaturen stijgen.

2. Hoge koppeldichtheid betekent hoge stroomdichtheid

Om een ​​hoog koppel te leveren binnen een beperkt volume, werken frameloze koppelmotoren vaak met hoge stroomdichtheden. Koperverliezen zijn evenredig met het kwadraat van de stroom en genereren aanzienlijke warmte.

3. Frequente overbelastingsomstandigheden

Tijdens het opstarten, noodstoppen, botsingsbescherming en lasthoudscenario's kunnen de motorstromen tijdelijk 2 tot 3 maal de nominale waarde bereiken, waardoor snelle temperatuurstijgingen ontstaan.

4. Magneten worden direct blootgesteld aan nabijgelegen warmtebronnen

De rotormagneten bevinden zich in de directe nabijheid van de statorwikkelingen. Warmte van de stator wordt uitgestraald en via de luchtspleet naar de rotor geleid, en de magneettemperatuur kan de wikkelingstemperatuur benaderen of zelfs overschrijden.

IV. Gevolgen van demagnetisatie bij hoge temperaturen

Zodra onomkeerbare demagnetisatie optreedt, vertoont de motor een reeks problemen:

•  Koppelconstante neemt af : bij dezelfde stroom daalt het uitgangskoppel.

• Tegen-EMF neemt af : de motorkarakteristiek verandert, waardoor de regelnauwkeurigheid afneemt.

• De stroom neemt verder toe om het koppel te behouden : wat leidt tot meer verwarming – een vicieuze cirkel.

• Systeemefficiëntie neemt af : hoger energieverbruik, slechtere levensduur van de batterij of algemeen energieverbruik.

• De stijfheid van de gewrichten neemt af : bij robots worden zowel de positioneringsnauwkeurigheid als het draagvermogen beïnvloed.

Wat het nog erger maakt, is dat deze degradatie geleidelijk en onomkeerbaar is. Het kan zijn dat gebruikers pas na verloop van tijd merken dat 'de motor minder krachtig aanvoelt', zonder dat ze een voor de hand liggende fout kunnen identificeren.

V. Hoe kan het risico op demagnetisatie van magneten bij hoge temperaturen worden verminderd?

Het goede nieuws is dat door middel van de juiste selectie-, ontwerp- en controlestrategieën het risico aanzienlijk kan worden beperkt.

1. Kies magneten met hogere temperatuurgraden

NdFeB-magneten zijn verkrijgbaar in verschillende temperatuurgraden, gewoonlijk N, M, H, SH, UH, EH, enz. Hoe verder de letter in het alfabet, hoe hoger het temperatuurvermogen. Bijvoorbeeld:

•  N-serie: maximale bedrijfstemperatuur 80°C

• H-serie: 120°C

• SH-serie: 150°C

•  UH-serie: 180°C

•  EH-serie: 200°C

Voor frameloze koppelmotoren, vooral bij toepassingen met robotgewrichten, wordt aanbevolen om minimaal  SH-kwaliteit of hoger te selecteren , en waar mogelijk UH of EH.

2. Let op de 'demagnetisatiecurve' en het kniepunt

Tijdens het motorontwerp moet het werkpunt van de magneet ver weg blijven van het 'kniepunt' op de demagnetisatiecurve. Bij maximale bedrijfstemperatuur en maximale demagnetiseringsstroom zou de magneet nog steeds in het veilige gebied moeten werken. Vraag de fabrikant bij het selecteren om demagnetisatiecurven en simulatiegegevens bij verschillende temperaturen.

3. Verbeter het thermisch beheer

• Gebruik thermisch vet of thermische pads tussen de stator en de behuizing.

• Ontwerp de juiste warmteafvoerpaden en voeg indien nodig geforceerde lucht- of vloeistofkoeling toe.

• Plaats temperatuursensoren in de motor of in de buurt van de wikkelingen.

• Vermijd langdurig gebruik van de motor bij volledige belasting in omgevingen met hoge temperaturen.

4. Controlestroom en overbelastingsduur

Beperk de piekstroom en -duur via de aandrijving om langdurige overbelasting te voorkomen. Voor toepassingen die een langdurig houdkoppel vereisen, kunt u overwegen de houdstroom te verminderen of mechanische remmen als hulp te gebruiken.

5. Vermijd de combinatie 'stall + hoge stroom'

Tijdens de stalling is de tegen-EMK nul en wordt alle stroom omgezet in warmte. Dit is een van de scenario's met het hoogste risico voor demagnetisatie. Het systeemontwerp moet langdurige blokkeeromstandigheden vermijden of blokkeerbescherming implementeren.

6. Controleer regelmatig de motorconditie

Door parameters zoals de tegen-EMF-constante, nullaststroom en temperatuurstijging te monitoren, kunt u indirect bepalen of er demagnetisatie heeft plaatsgevonden. Geavanceerde systemen kunnen modelgebaseerde online statusschattingen bevatten.

VI. Samenvatting

Demagnetisatie bij hoge temperaturen van magneten in frameloze koppelmotoren is een 'onzichtbaar maar dodelijk' risico. Het is niet zo duidelijk als een kapotte as of verbrande wikkelingen, maar toch berooft het de motor heimelijk van koppel en precisie.

Voor toepassingen zoals robotica, CNC-draaitafels en direct aangedreven verbindingen kan  het uitgeven van iets meer aan magneten voor hoge temperaturen tijdens de selectie, het overlaten van een extra thermische marge in het ontwerp en het toevoegen van nog een overbelastingsbeveiliging in de controle,  vaak aanzienlijke prestatievermindering en problemen met de after-sales op de weg voorkomen.