Czy bezramowy silnik momentowy ulegnie rozmagnesowaniu po długotrwałej pracy przy niskiej prędkości?

W scenariuszach takich jak przeguby robotów, ramiona robotów współpracujących i stoły obrotowe z napędem bezpośrednim, coraz powszechniejsze stają się bezramowe silniki momentowe. Nie mają obudowy ani łożysk; w istocie są to rdzeń mocy typu „goły wirnik + stojan” osadzony bezpośrednio w strukturze mechanicznej, zapewniający wyjątkowo wysoką gęstość momentu obrotowego i kompaktowe wykorzystanie przestrzeni.

Jednakże wielu inżynierów zadaje sobie to samo pytanie podczas ich wyboru i używania:  czy magnesy rozmagnesują się, jeśli silnik będzie pracował z niską prędkością przez długi czas lub nawet będzie działał blisko przeciągnięcia?

Ta obawa nie jest bezpodstawna. Dostępna przestrzeń do integracji m.in Bezramowy silnik momentowy jest często bardzo mały, a warunki odprowadzania ciepła są znacznie gorsze niż w przypadku tradycyjnego silnika w obudowie. „Rozmagnesowanie” to jeden z najbardziej śmiertelnych rodzajów awarii silników z magnesami trwałymi. Gdy nastąpi nieodwracalne rozmagnesowanie, moment obrotowy trwale spadnie, a zdolność napędowa całego przegubu zostanie „obniżona”.

Ale prawda jest bardziej skomplikowana niż „tak” lub „nie”. Rozmagnesowanie wymaga określonych warunków, a długoterminowa praca przy niskich prędkościach jest właśnie scenariuszem wysokiego ryzyka w przypadku ich uruchomienia.

Istnieją dwa rodzaje rozmagnesowania: który z nich jest naprawdę ważny?

Magnetyzm magnesu trwałego nie jest naprawdę „trwały”. Kiedy temperatura wzrasta do pewnego poziomu, układ domen magnetycznych wewnątrz magnesu staje się niestabilny, a wydajność magnetyczna maleje. Proces ten można podzielić na dwie kategorie.

Odwracalne rozmagnesowanie  jest „tymczasowe”. Kiedy temperatura wzrasta, siła magnetyczna maleje; gdy temperatura spada, siła magnetyczna powraca. Ten rodzaj rozmagnesowania został już uwzględniony przy projektowaniu silników. O ile wzrost temperatury nie przekracza wartości granicznej projektowej, zwykle nie powoduje problemów.

nieodwracalna demagnetyzacja .  Prawdziwym problemem jest Gdy temperatura przekroczy granicę wytrzymałości magnesu lub gdy w wysokiej temperaturze nałoży się wystarczająco silne odwrotne pole magnetyczne, układ niektórych domen magnetycznych ulega trwałemu uszkodzeniu. Nawet gdy temperatura powróci do normy, siła magnetyczna nie może w pełni odzyskać.

W przypadku powszechnie używanych magnesów NdFeB temperatura krytyczna dla nieodwracalnego rozmagnesowania wynosi zwykle od  80°C do 150°C , w zależności od klasy magnesu. Gatunki wysokotemperaturowe mogą podnieść ten próg do prawie 150°C lub nawet więcej, ale kosztem kompromisu między wydajnością magnetyczną a kosztem.

Dlaczego praca przy niskich prędkościach ułatwia „ugotowanie” magnesów?

Intuicyjnie można by pomyśleć, że silnik pracujący z dużą prędkością generuje więcej ciepła. Jednak w przypadku bezramowych silników momentowych logika jest dokładnie odwrotna.

Przy niskiej prędkości tylna siła elektromotoryczna silnika jest bardzo niska i przemiennik musi w sposób ciągły generować stosunkowo duży prąd, aby utrzymać moment obrotowy. Cały ten prąd przepływa przez uzwojenia stojana, a straty miedzi (strata I⊃2;R) są proporcjonalne do kwadratu prądu, stając się głównym źródłem ciepła. Ponieważ prędkość silnika jest niska, prawie nie występuje chłodzenie konwekcyjne powietrzem spowodowane obrotem wirnika — wiele bezramowych silników momentowych ma tylko bardzo małą szczelinę powietrzną między powierzchnią wirnika a stojanem, a przy niskiej prędkości prawie nie ma skutecznego chłodzenia powietrzem.

Co ważniejsze, sama konstrukcja bezramowego silnika momentowego nie sprzyja rozpraszaniu ciepła. Jest on osadzony bezpośrednio w złączu robota lub obudowie urządzenia, a powierzchnia styku pomiędzy stojanem a obudową zewnętrzną jest ograniczona. Wiele połączeń to także przestrzenie zamknięte, więc ciepło może być rozpraszane jedynie powoli poprzez naturalną konwekcję i przewodzenie. Jeśli sama obudowa złącza jest metalowa, część ciepła może zostać odprowadzona; jeśli jednak w pobliżu znajdują się inne źródła ciepła (takie jak sąsiedni napęd lub reduktor), lokalna temperatura może być wyższa niż oczekiwana.

W badaniu przeprowadzonym na Uniwersytecie Zhejiang szczegółowo zbadano problem „sprzężenia magneto-termicznego” silników synchronicznych z magnesami trwałymi o niskiej prędkości i wysokim momencie obrotowym. Zwrócono uwagę, że podczas długotrwałej pracy przy ciągłym obciążeniu wzrost temperatury może spowodować odwracalne rozmagnesowanie magnesów trwałych, wpływając w ten sposób na wydajność roboczą silnika. Chociaż samo odwracalne rozmagnesowanie jest możliwe do odzyskania, jego obecność oznacza, że ​​punkt pracy magnesu przesuwa się w stronę niebezpiecznego obszaru. Jeśli temperatura będzie nadal rosła i przekroczy punkt krytyczny, sytuacja odwracalna stanie się nieodwracalna.

Oprócz temperatury istnieje jeszcze jeden „niewidzialny zabójca”

Temperatura jest tylko jednym z wymiarów rozmagnesowania. Innym czynnikiem, który można łatwo przeoczyć, jest  pole magnetyczne reakcji twornika.

Gdy przez silnik przepływa duży prąd, nie całe pole magnetyczne generowane przez uzwojenia stojana jest wykorzystywane do napędzania wirnika. Jego część działa na magnesy trwałe w kierunku „rozmagnesowania”. Podczas normalnej pracy z dużą prędkością prąd jest stosunkowo mały, a to pole rozmagnesowujące jest również słabe. Jednak w warunkach niskiej prędkości i wysokiego momentu obrotowego prąd pozostaje wysoki, a pole rozmagnesowujące również wzrasta.

Badanie IEEE wyraźnie wykazało, że przyczyną rozmagnesowania magnesów trwałych jest korozja chemiczna, uszkodzenia fizyczne,  pole magnetyczne odwróconego twornika i  wzrost temperatury . Pierwsze dwa są zwykle spowodowane trudnym środowiskiem i są nieodwracalne; to, czy te dwa ostatnie są odwracalne, zależy od tego, czy punkt pracy magnesu trwałego znajduje się poniżej „punktu przegięcia” jego krzywej rozmagnesowania.

Innymi słowy,  superpozycja wysokiej temperatury i silnego pola demagnetyzującego  jest prawdziwym czynnikiem wyzwalającym nieodwracalną demagnetyzację. Sama wysoka temperatura lub sam duży prąd nie mogą od razu spowodować trwałych uszkodzeń, ale gdy jedno i drugie wystąpi w tym samym czasie, ryzyko gwałtownie wzrasta.

Długotrwała praca przy niskiej prędkości zapewnia dokładnie oba warunki jednocześnie: duży prąd wytwarza silne pole rozmagnesowujące, a słabe odprowadzanie ciepła powoduje wysoką temperaturę. Z tego powodu warunki przy niskich prędkościach wymagają większej czujności w celu uniknięcia ryzyka rozmagnesowania niż warunki przy dużych prędkościach.

Mechanizmy zabezpieczające: inżynierowie zrobili już wiele na poziomie projektu

Jednakże ryzyko rozmagnesowania nie oznacza, że ​​bezramowych silników momentowych nie można używać do długotrwałej pracy przy niskich prędkościach. Praktyka inżynierska w branży wykształciła już dość dojrzały system zabezpieczeń.

Wybór magnesu to pierwsza linia obrony.  W przypadku scenariuszy wysokotemperaturowych producenci silników wybierają gatunki NdFeB o wysokiej koercji. Na przykład, gdy klient robota do przenoszenia płytek był narażony na ryzyko rozmagnesowania w środowisku próżniowym o wysokiej temperaturze, producent silnika wybrał magnesy NdFeB odporne na wysoką temperaturę i zaprojektował specjalną strukturę kanału rozpraszającego ciepło, zapewniając, że parametry magnetyczne silnika pozostaną stabilne w temperaturze  120°C . Niektóre produkty wykorzystują również magnesy NdFeB z metali ziem rzadkich i mogą pracować w sposób ciągły i stabilny przy temperaturze uzwojenia do  155°C.

Równie istotna jest ochrona na poziomie napędu.  Na etapie projektowania silnika inżynierowie wykorzystują analizę elementów skończonych do obliczenia „maksymalnego punktu pracy rozmagnesowania” magnesu, zapewniając, że w najtrudniejszych warunkach pracy ten punkt pracy pozostanie powyżej punktu przegięcia krzywej rozmagnesowania. Następnie przemiennik ogranicza amplitudę i czas trwania prądu szczytowego, aby zapobiec wpływowi rozmagnesowania spowodowanemu przejściowym przetężeniem prądu.

Projekt rozpraszania ciepła jest ostatnią barierą.  Bezramowe silniki momentowe generują znaczne ciepło podczas pracy przy niskiej prędkości i wysokim prądzie. Praktyki branżowe obejmują kapsułkowanie i zalewanie żywicą epoksydową, wymuszone chłodzenie powietrzem lub systemy chłodzenia cieczą, a nawet integrowanie rurek cieplnych lub cyrkulacji chłodziwa dielektrycznego w obudowie złącza. Proces zalewania wypełnia szczeliny pomiędzy uzwojeniami a rdzeniem stojana materiałem przewodzącym ciepło, co zarówno poprawia drogę rozpraszania ciepła, jak i zwiększa niezawodność izolacji uzwojeń.

Wracając do samego pytania

Czy zatem bezramowy silnik momentowy ulegnie rozmagnesowaniu po długotrwałej pracy przy niskich prędkościach?

Odpowiedź brzmi: przy prawidłowym projekcie i rozsądnych warunkach użytkowania nie.  Jeśli jednak projekt odprowadzania ciepła jest nieodpowiedni, dobór magnesów jest niewłaściwy lub parametry ochrony napędu są ustawione w sposób nierozsądny, długoterminowa praca z niską prędkością jest rzeczywiście stanem wysokiego ryzyka.

Rozmagnesowanie nie jest losem, który „na pewno zdarzy się po długim czasie biegania”; jest to  problem sprzężenia temperatury i pola magnetycznego . Dzięki dobrej kontroli tych dwóch zmiennych — utrzymując temperaturę roboczą magnesu daleko od punktu krytycznego i zapewniając, że pole rozmagnesowujące nie przekracza punktu przegięcia punktu pracy magnesu — bezramowe silniki momentowe mogą być bezpiecznie stosowane w scenariuszach długoterminowej pracy przy niskich prędkościach.

Najbardziej praktyczne podejście dla użytkowników jest następujące: przy wyborze silnika należy wyraźnie poinformować producenta o warunkach długotrwałej pracy przy niskich prędkościach i potwierdzić klasę magnesu oraz limit wzrostu temperatury; podczas użytkowania regularnie monitoruj stan właściwości magnetycznych silnika poprzez parametry takie jak stała przeciwelektromagnetyczna, prąd jałowy i wzrost temperatury; i ustaw rozsądne progi zabezpieczenia nadprądowego w sterowniku, aby uniknąć nieodwracalnego wpływu przejściowych dużych prądów na magnesy.

„Bezramowa” konstrukcja bezramowych silników momentowych zapewnia wyjątkową integrację i gęstość momentu obrotowego, kosztem mniejszego marginesu rozpraszania ciepła i większej wrażliwości na warunki pracy. Zrozumienie warunków brzegowych rozmagnesowania ma większe znaczenie niż zwykłe martwienie się o to, „czy nastąpi rozmagnesowanie”.