„Wysokotemperaturowy zabójca” bezramowych silników momentowych: jak poważne jest ryzyko rozmagnesowania magnesu?

W scenariuszach sterowania ruchem o wysokiej wydajności, takich jak przeguby robotów, ramiona robotów współpracujących i stoły obrotowe z napędem bezpośrednim, Bezramowe silniki momentowe stają się coraz bardziej powszechne. Nie mają obudowy ani łożysk — zasadniczo mają rdzeń mocy typu „goły wirnik + stojan”, który jest osadzony bezpośrednio w strukturze mechanicznej, zapewniając wysoką gęstość momentu obrotowego, wysoką sztywność i kompaktową powierzchnię.

Jednak wielu inżynierów nie dostrzega potencjalnego ryzyka podczas wyboru i użytkowania:  nieodwracalnego rozmagnesowania magnesów trwałych w wysokich temperaturach . Po rozmagnesowaniu silnik doświadcza spadku momentu obrotowego, zwiększonego nagrzewania się, a nawet może pozostawić cały przegub jako „słaby”.

I. Jakie są magnesy w bezramowym silniku momentowym?

Bezramowe silniki momentowe to zazwyczaj silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, z wysokowydajnymi magnesami trwałymi — powszechnie określanymi jako „magnesy” — zamontowanymi na powierzchni wirnika lub wewnątrz niej.

Najpopularniejszym obecnie materiałem magnesu jest  neodym, żelazo i bor (NdFeB) , ze względu na jego wyjątkowe właściwości magnetyczne, zdolne do generowania dużego strumienia w szczelinie powietrznej w bardzo małej objętości – idealne do bezramowych silników momentowych, które wymagają wyjątkowo dużej gęstości momentu obrotowego.

Ale NdFeB ma nieodłączną słabość:  stosunkowo słabą odporność na ciepło.

II. Jak zachodzi rozmagnesowanie w wysokiej temperaturze?

Magnetyzm magnesów trwałych nie jest w rzeczywistości „trwały”. Kiedy temperatura wzrasta do pewnego poziomu, ustawienie domen magnetycznych wewnątrz magnesu staje się niestabilne, a siła magnetyczna stopniowo maleje.

Rozmagnesowanie dzieli się na dwa typy:

1. Odwracalne rozmagnesowanie

Siła magnetyczna tymczasowo maleje wraz ze wzrostem temperatury, ale wraca do normy, gdy temperatura spada. Ten typ jest już uwzględniony w konstrukcji silnika i zwykle nie stanowi problemu, o ile wartości graniczne nie zostaną przekroczone.

2. Nieodwracalne rozmagnesowanie

Jeśli temperatura przekroczy granicę tolerancji magnesu lub jeśli w wysokich temperaturach zostanie zastosowane silne pole rozmagnesowujące, niektóre domeny magnetyczne zostaną trwale przerwane, a magnetyzm nie będzie w stanie w pełni odzyskać nawet po powrocie temperatury do normy. To właśnie  trwałe rozmagnesowanie  najbardziej nas niepokoi.

W przypadku zwykłych magnesów NdFeB temperatura krytyczna dla nieodwracalnego rozmagnesowania wynosi zazwyczaj od  80°C do 150°C , w zależności od klasy magnesu. W bezramowych silnikach momentowych, ze względu na ich zwartą konstrukcję i słabe odprowadzanie ciepła, lokalne temperatury mogą łatwo przekroczyć ten zakres podczas pracy.

III. Dlaczego bezramowe silniki momentowe są bardziej podatne na rozmagnesowanie w wysokiej temperaturze?

W porównaniu do tradycyjnych silników w obudowie, bezramowe silniki momentowe mają kilka „pułapek wysokotemperaturowych”:

1. Zwarta konstrukcja, słabe ścieżki odprowadzania ciepła

Silniki bezramowe są osadzone bezpośrednio w konstrukcji mechanicznej, a powierzchnia styku stojana z obudową jest ograniczona, co utrudnia odprowadzanie ciepła. Wiele połączeń robotów ma zamknięte przestrzenie i opiera się wyłącznie na naturalnej konwekcji lub prostym przewodzeniu ciepła, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury wewnętrznej.

2. Wysoka gęstość momentu obrotowego oznacza dużą gęstość prądu

Aby zapewnić wysoki moment obrotowy w ograniczonej objętości, bezramowe silniki momentowe często pracują przy dużych gęstościach prądu. Straty w miedzi są proporcjonalne do kwadratu prądu, generując znaczne ciepło.

3. Częste stany przeciążenia

Podczas uruchamiania, zatrzymywania awaryjnego, ochrony przed kolizją i utrzymywania obciążenia, prądy silnika mogą chwilowo osiągnąć 2–3 razy wartość znamionową, powodując gwałtowny wzrost temperatury.

4. Magnesy są bezpośrednio wystawione na działanie pobliskich źródeł ciepła

Magnesy wirnika znajdują się w pobliżu uzwojeń stojana. Ciepło ze stojana jest emitowane i przewodzone przez szczelinę powietrzną do wirnika, a temperatura magnesu może być bliska lub nawet wyższa od temperatury uzwojenia.

IV. Konsekwencje rozmagnesowania wysokotemperaturowego

Po wystąpieniu nieodwracalnego rozmagnesowania silnik wykazuje szereg problemów:

•  Stała momentu obrotowego maleje : przy tym samym prądzie wyjściowy moment obrotowy spada.

• Back-EMF maleje : Krzywa charakterystyki silnika zmienia się, zmniejszając dokładność sterowania.

• Prąd wzrasta dalej, aby utrzymać moment obrotowy : Prowadzi to do większego nagrzewania – błędne koło.

• Spada wydajność systemu : Większe zużycie energii, gorsza żywotność baterii lub ogólne zużycie energii.

• Osłabia się sztywność stawów : w przypadku robotów wpływa to zarówno na dokładność pozycjonowania, jak i nośność.

Co gorsza, degradacja ta jest stopniowa i nieodwracalna. Użytkownicy mogą jedynie zauważyć, że z biegiem czasu „silnik traci moc”, nie będąc w stanie zidentyfikować oczywistej usterki.

V. Jak zmniejszyć ryzyko rozmagnesowania magnesu w wysokiej temperaturze?

Dobra wiadomość jest taka, że ​​dzięki odpowiedniemu doborowi, projektowaniu i strategiom kontroli ryzyko można znacznie ograniczyć.

1. Wybierz magnesy o wyższych klasach temperaturowych

Magnesy NdFeB występują w różnych klasach temperaturowych, zwykle N, M, H, SH, UH, EH itp. Im dalsza litera w alfabecie, tym wyższa zdolność temperaturowa. Na przykład:

•  Seria N: maksymalna temperatura pracy 80°C

• Seria H: 120°C

• Seria SH: 150°C

•  Seria UH: 180°C

•  Seria EH: 200°C

W przypadku bezramowych silników momentowych, szczególnie w zastosowaniach ze złączami robotów, zaleca się wybranie co najmniej  klasy SH lub wyższej oraz, jeśli to możliwe, UH lub EH.

2. Zwróć uwagę na „krzywą rozmagnesowania” i punkt przegięcia

Podczas projektowania silnika punkt pracy magnesu powinien znajdować się w dużej odległości od „punktu przegięcia” na krzywej rozmagnesowania. Przy maksymalnej temperaturze roboczej i maksymalnym prądzie rozmagnesowania magnes powinien nadal działać w bezpiecznym obszarze. Przy wyborze należy poprosić producenta o udostępnienie krzywych rozmagnesowania i danych symulacyjnych w różnych temperaturach.

3. Popraw zarządzanie temperaturą

• Użyj smaru termicznego lub podkładek termicznych pomiędzy stojanem a obudową.

• Zaprojektuj odpowiednie ścieżki rozpraszania ciepła, dodając w razie potrzeby wymuszone chłodzenie powietrzem lub cieczą.

• Umieść czujniki temperatury wewnątrz silnika lub w pobliżu uzwojeń.

• Należy unikać długotrwałej pracy silnika przy pełnym obciążeniu w środowiskach o wysokiej temperaturze.

4. Kontroluj prąd i czas trwania przeciążenia

Ogranicz prąd szczytowy i czas trwania poprzez przemiennik, aby uniknąć długotrwałego przeciążenia. W przypadku zastosowań wymagających stałego momentu trzymania należy rozważyć zmniejszenie prądu trzymania lub zastosowanie hamulców mechanicznych.

5. Unikaj kombinacji „przeciągnięcie + wysoki prąd”.

Podczas przeciągnięcia wsteczne pole elektromagnetyczne wynosi zero, a cały prąd jest przekształcany na ciepło – jest to jeden ze scenariuszy o najwyższym ryzyku rozmagnesowania. Projekt systemu powinien unikać długotrwałych warunków przeciągnięcia lub wdrożyć zabezpieczenie przed przeciągnięciem.

6. Regularnie monitoruj stan silnika

Monitorując parametry, takie jak stała elektromagnesu zwrotnego, prąd jałowy i wzrost temperatury, można pośrednio określić, czy nastąpiło rozmagnesowanie. Wysokiej klasy systemy mogą obejmować ocenę stanu online opartą na modelu.

VI. Streszczenie

Rozmagnesowanie magnesów w wysokiej temperaturze w bezramowych silnikach momentowych stanowi „niewidoczne, ale śmiertelne” ryzyko. Nie jest to tak oczywiste, jak uszkodzony wał czy spalone uzwojenia, a jednak ukradkiem pozbawia silnik momentu obrotowego i precyzji.

W przypadku zastosowań takich jak robotyka, stoły obrotowe CNC i przeguby z napędem bezpośrednim  wydanie nieco więcej na magnesy wysokotemperaturowe podczas selekcji, pozostawienie dodatkowego marginesu termicznego w projekcie i dodanie jeszcze jednego zabezpieczenia przed przeciążeniem w sterowaniu  może często zapobiec znacznemu pogorszeniu wydajności i problemom posprzedażowym.