Aumento de temperatura e desmagnetização de motores de torque sem moldura

1. Um fenômeno contra-intuitivo: por que mais lento é mais perigoso?

Para muitos engenheiros, a intuição é que quanto mais rápido um motor funciona, mais quente ele fica. Mas no mundo de motores de torque sem moldura , essa lógica é exatamente invertida.

Um motor de torque sem moldura não possui carcaça, rolamentos e eixo de saída. É essencialmente um núcleo de potência que consiste em um “rotor + estator” embutido diretamente em uma estrutura mecânica. Ele é embalado em cavidades extremamente apertadas, como juntas de robôs, braços robóticos colaborativos e mesas rotativas de acionamento direto, onde as condições de dissipação de calor são muito piores do que as dos motores alojados convencionais. E seu cenário operacional mais comum – fixação de junta em baixa velocidade e saída de alto torque – é precisamente a condição de trabalho com maior probabilidade de “cozinhar” os ímãs.

A razão é simples: em baixa velocidade, o EMF traseiro é muito baixo, então o inversor deve produzir continuamente uma grande corrente para manter o torque. A perda de cobre é proporcional ao quadrado da corrente, e todo esse calor se acumula nos enrolamentos do estator, enquanto os ímãs no rotor quase não têm caminho direto de dissipação de calor. O resultado é que quanto menor a velocidade, mais quentes serão os ímãs. Num teste de caminhada contínua de 5 km de um robô humanóide, a temperatura da junta mediu 80°C, já se aproximando do limite de falha em alta temperatura da maioria das graxas.

O aumento da temperatura não é um problema isolado. Ameaça simultaneamente o isolamento do enrolamento (envelhecimento acelerado), a lubrificação dos rolamentos (degradação do desempenho) e, mais criticamente, os próprios ímãs permanentes. Uma vez que ocorre a desmagnetização irreversível, a capacidade de torque do motor é permanentemente degradada.

2. As duas faces da desmagnetização: uma que “volta” e outra que nunca voltará

NdFeB (neodímio ferro boro) é atualmente o principal material magnético para motores de torque sem moldura. Sua temperatura Curie é de cerca de 310–370°C, o que parece muito longe da faixa de operação do motor. Mas o que realmente determina por quanto tempo um ímã pode ser usado não é a temperatura Curie, mas o coeficiente de coercividade da temperatura – normalmente entre -0,55%/°C e -0,65%/°C.

O significado deste coeficiente é que para cada aumento de 1°C na temperatura, a capacidade do ímã de resistir a um campo desmagnetizador externo cai de 0,55% a 0,65%. De 20°C a 80°C, a coercividade já perdeu cerca de 36%. A 100°C, a perda é próxima da metade. Quando a coercividade cai abaixo do campo desmagnetizante gerado pela reação da armadura, o alinhamento do domínio magnético é permanentemente danificado.

A desmagnetização se enquadra em duas categorias:

A desmagnetização reversível  é um “alarme falso”. Quando a temperatura aumenta, a força magnética diminui; quando a temperatura cai, ele se recupera. O motor exibe “corrente mais alta quando quente, recuperação quando frio”. Parece bom, mas na realidade já está pairando no limite crítico.

A desmagnetização irreversível  é o verdadeiro problema. Quando a temperatura excede o que o ímã pode suportar, ou quando um campo magnético reverso suficientemente forte é sobreposto em alta temperatura, parte do alinhamento do domínio magnético é permanentemente danificado e a força magnética não pode se recuperar totalmente mesmo depois que a temperatura volta ao normal.

A desmagnetização irreversível também possui formas “parcial” e “geral”. A desmagnetização parcial geralmente começa nos cantos do ímã – as correntes parasitas concentram-se nos cantos, onde a temperatura crítica é violada primeiro. Ela se manifesta como uma queda de 3% a 5% na constante KE do back-EMF; na mesma velocidade, é necessária uma corrente mais alta para manter o torque, a temperatura aumenta ainda mais e um ciclo vicioso se forma. A desmagnetização geral é a consequência de toda a máquina ter excedido os 120°C durante um longo período de tempo, com o KE a cair mais de 10%. O motor deve “adicionar 10% de aceleração” para fazer o mesmo trabalho, entrando em uma espiral mortal de feedback positivo “termomagnético”.

Para ímãs NdFeB comumente usados, a temperatura crítica para desmagnetização irreversível é geralmente entre 80°C e 150°C, dependendo do tipo do ímã. As classes de alta temperatura podem atingir o limite próximo de 150°C ou até mais, mas o preço é uma compensação entre desempenho magnético e custo.

3. De onde vem o calor e onde ele fica preso?

As fontes de calor dos motores de torque sem moldura são mais complexas do que as dos motores convencionais e podem ser agrupadas aproximadamente em quatro categorias:

A perda de cobre  é a mais básica. A perda I⊃2;R gerada pela resistência do enrolamento sob corrente contínua é proporcional ao quadrado da corrente. O problema é que, em busca de alta densidade de torque, os motores sem moldura costumam usar projetos com alto fator de preenchimento de ranhura e fio fino, de modo que a resistência do enrolamento em si é relativamente grande. Mesmo uma pequena corrente produz um calor de base considerável e forma um ciclo de feedback positivo de “aquecimento → aumento de resistência → mais aquecimento”.

A perda de ferro  é particularmente proeminente em projetos com alta contagem de pólos. Os projetos de 16 a 32 pólos comumente usados ​​em motores de torque sem moldura tornam a frequência alternada do campo magnético muito mais alta do que a dos servomotores comuns. Mesmo em baixa velocidade e sem carga, as perdas por histerese e correntes parasitas no núcleo de ferro já são consideráveis.

A perda por correntes parasitas do rotor  é uma fonte de calor oculta facilmente esquecida. O efeito de engrenagem do estator e os harmônicos da portadora PWM induzem correntes parasitas na superfície dos ímãs do rotor. Esse calor é gerado diretamente dentro dos ímãs e quase não tem caminho para ser conduzido para fora.

As perdas adicionais introduzidas pela estratégia de controlo  são a categoria mais ocultada. Erro de orientação de campo FOC, ativação contínua de injeção de alta frequência com velocidade zero e correntes corretivas contínuas causadas por parâmetros PID inadequados - essas 'correntes invisíveis' geram continuamente perda de cobre mesmo em condições sem carga, que é a causa raiz de muitos engenheiros descobrirem que 'também fica quente sem carga'.

Após a sobreposição desses quatro caminhos de calor, a temperatura real do ímã é geralmente 8–12°C mais alta que a temperatura da superfície do invólucro. Quando você lê 70°C na superfície da caixa com um termômetro infravermelho, os ímãs podem ter pisado na linha vermelha de 80°C.

4. Três linhas duras na seleção

Uma vez compreendido o mecanismo de aumento da temperatura, a lógica da seleção torna-se clara. A seleção de temperatura para motores de torque sem moldura pode ser resumida em três linhas rígidas, correspondendo a três níveis diferentes de alvos de proteção.

A primeira linha: o grau do ímã determina o 'resultado final'

Os ímãs NdFeB são divididos em vários níveis de classificação de acordo com a coercividade intrínseca, com a resistência à temperatura aumentando passo a passo:

A série N é a classe padrão, adequada para aplicações em temperatura ambiente, com uma resistência à temperatura de cerca de 80°C. A série H suporta 120°C, a série SH 150°C e a série UH 180°C. De N a UH, elementos pesados ​​de terras raras Dy e Tb são adicionados para melhorar o coeficiente de coercividade da temperatura, mas o custo também aumenta por um fator de 1,5 a 3.

Para aplicações típicas de motores de torque sem moldura – juntas robóticas e braços robóticos colaborativos – o grau SH ou superior é o ponto de partida recomendado . A razão é que os motores sem moldura têm inerentemente condições severas de dissipação de calor, e o “diferencial oculto” entre a temperatura operacional do ímã e a temperatura da carcaça pode chegar a 15°C. A série N pode parecer suficiente no papel, mas na operação real pode facilmente ultrapassar os limites. O motor articulado de primeira geração de um robô humanóide, por exemplo, não verificou a desmagnetização em condições de estol. Após repetidos impactos de queda, os ímãs sofreram desmagnetização irreversível e o torque de saída caiu permanentemente em mais de 15%.

A segunda linha: a classe de isolamento determina o “teto”

A classe de isolamento do enrolamento é outra restrição de temperatura e muitas vezes atinge seu limite antes dos ímãs. O isolamento Classe F tem uma temperatura nominal de 155°C, que é atualmente a configuração principal para motores de torque sem moldura. O isolamento Classe B (130°C) aparece em alguns produtos sensíveis ao custo ou com espaço extremamente limitado.

Existe um acoplamento térmico entre a temperatura do ímã e a temperatura do enrolamento: o calor do enrolamento é conduzido através do núcleo do estator até o rotor e, em última análise, afeta os ímãs. Portanto, o limite de isolamento do enrolamento de 155°C também estabelece um teto indireto para a temperatura do ímã. A lógica de verificação de engenharia é que, sob estado térmico estável, a temperatura do enrolamento não deve exceder o limite da classe de isolamento, enquanto a temperatura do ímã não deve exceder a sua temperatura crítica de desmagnetização – esta última geralmente se torna o gargalo mais cedo.

Na prática da indústria, a temperatura máxima de operação contínua dos ímãs NdFeB de grau SH é geralmente definida em 120°C. Acima deste valor o motor começa a entrar na faixa de risco de desmagnetização.

A terceira linha: o limite de corrente determina o 'limite dinâmico'

Além da temperatura em estado estacionário, há outro fator dinâmico que muitas vezes é esquecido:  risco de desmagnetização sob corrente de pico.

Os motores de torque têm torque de pico e torque de parada. O torque máximo é o torque inicial por um curto período de tempo, geralmente durando apenas 10–15 segundos; torque de parada é o valor que pode ser emitido continuamente. Quando a corrente de pico é muito grande, o campo de desmagnetização gerado pela reação da armadura pode desencadear diretamente a desmagnetização irreversível sob condições de alta temperatura.

A corrente máxima de um motor de torque de acionamento direto limitada pela desmagnetização do ímã permanente é seu 'ponto limite de desmagnetização'. Em alguns produtos, após o uso de ímãs de alto desempenho, o torque é limitado apenas pelo aumento máximo da temperatura e o torque máximo pode ser bastante aumentado. Mas se o grau do ímã for insuficiente, a desmagnetização se tornará a primeira restrição acionada.

Durante a seleção, é necessário verificar não apenas o aumento da temperatura sob corrente contínua, mas também se a corrente sob condições de bloqueio e sobrecarga transitória excede o limite de desmagnetização do ímã naquela temperatura. Este limite é geralmente dado pela curva de desmagnetização do fornecedor do ímã e deve ser determinado em combinação com os cálculos da reação da armadura no projeto do motor.

5. Abordagens de engenharia para resfriamento

A essência do controle do aumento de temperatura é estabelecer um equilíbrio entre a geração e a remoção de calor. Para motores de torque sem moldura, existem vários caminhos de engenharia maduros.

O envasamento  é atualmente o meio mais comum de aumentar a dissipação de calor. TQ Robodrive usa encapsulamento de epóxi e tecnologia de envasamento, e a Kinco foi pioneira em um processo de envasamento sem moldura. A lógica central de ambos é preencher as lacunas internas do motor com material de encapsulamento de alta condutividade térmica, de modo que o calor do enrolamento seja conduzido mais rapidamente para o núcleo do estator e para o flange de montagem. A condutividade térmica do material de envasamento pode atingir 1,4–1,6 W/mK, muito superior à do ar.

Os canais de resfriamento a água  são adequados para juntas compactas e outros cenários com alta densidade de fluxo de calor. Canais helicoidais são cortados na luva ou carcaça do estator e o líquido refrigerante passa através deles, o que pode reduzir diretamente o aumento de temperatura em 40–60°C. O custo é o aumento da complexidade do sistema e dos requisitos de vedação.

A otimização da estratégia de controle  é um caminho com custo zero de hardware. A recalibração do ponto zero do pólo magnético, a otimização dos parâmetros PID, o gerenciamento da injeção de alta frequência com velocidade zero e a ativação do controle de corrente mínima podem reduzir a corrente de retenção estática em 50% a 80% sem alterar o hardware. Para sistemas que já apresentam problemas de aquecimento sem carga, a otimização do controle geralmente produz resultados mais imediatos do que adicionar medidas de dissipação de calor.

Sensores de temperatura integrados  são o resultado final da segurança. NTC (100k) e PT1000 são atualmente as configurações padrão de medição de temperatura para motores de torque sem moldura, monitorando a temperatura do enrolamento em tempo real e acionando desclassificação ou proteção quando se aproxima do limite. Mas observe que o sensor mede a temperatura do enrolamento, não a temperatura do ímã – a diferença entre os dois depende da qualidade do projeto do caminho de dissipação de calor, e deve ser deixada margem de segurança suficiente durante a seleção.

Conclusão

A seleção de temperatura para motores de torque sem moldura é essencialmente um equilíbrio entre três restrições: o grau do ímã determina quão alta temperatura você pode suportar, a classe de isolamento define o teto do enrolamento e o limite de corrente define o limite das condições operacionais dinâmicas. As três linhas estão acopladas entre si e, se alguma delas for violada, pode desencadear uma reação em cadeia que vai da desmagnetização ao esgotamento.

A abordagem mais pragmática é:  no estágio de seleção, assumir as condições de dissipação de calor mais severas , subir um grau de ímã, deixar ampla margem de aumento de temperatura e tornar a verificação de desmagnetização sob condições de bloqueio e sobrecarga um item obrigatório. Afinal, a desmagnetização é irreversível – não lhe dará uma segunda chance.