O “assassino de alta temperatura” dos motores de torque sem moldura: quão sério é o risco de desmagnetização magnética?

Em cenários de controle de movimento de alto desempenho, como articulações robóticas, braços robóticos colaborativos e mesas rotativas de acionamento direto, motores de torque sem moldura estão se tornando cada vez mais comuns. Eles não têm carcaça nem rolamentos - essencialmente um núcleo de potência 'rotor + estator' que é incorporado diretamente na estrutura mecânica, proporcionando alta densidade de torque, alta rigidez e tamanho compacto.

No entanto, muitos engenheiros ignoram um risco potencial durante a seleção e utilização:  a desmagnetização irreversível dos ímanes permanentes a altas temperaturas . Depois que ocorre a desmagnetização, o motor sofre queda de torque, aumento de aquecimento e pode até deixar toda a junta “fraca”.

I. Quais são os ímãs em um motor de torque sem moldura?

Os motores de torque sem moldura são normalmente motores síncronos de ímã permanente, com ímãs permanentes de alto desempenho - comumente chamados de 'ímãs' - montados na superfície do rotor ou dentro dela.

O principal material magnético usado hoje é  neodímio-ferro-boro (NdFeB) , devido ao seu desempenho magnético excepcional, capaz de gerar alto fluxo de entreferro em um volume muito pequeno - ideal para motores de torque sem moldura que exigem densidade de torque extremamente alta.

Mas o NdFeB tem uma fraqueza inerente:  resistência ao calor relativamente baixa.

II. Como ocorre a desmagnetização em alta temperatura?

O magnetismo dos ímãs permanentes não é verdadeiramente “permanente”. Quando a temperatura sobe até um certo nível, o alinhamento dos domínios magnéticos dentro do ímã torna-se instável e a força magnética diminui gradualmente.

A desmagnetização é dividida em dois tipos:

1. Desmagnetização reversível

A força magnética diminui temporariamente à medida que a temperatura aumenta, mas recupera quando a temperatura cai. Este tipo já é considerado no projeto do motor e geralmente não representa um problema, desde que os limites não sejam excedidos.

2. Desmagnetização irreversível

Se a temperatura exceder o limite de tolerância do íman, ou se um forte campo de desmagnetização for aplicado a altas temperaturas, alguns domínios magnéticos são permanentemente perturbados e o magnetismo não pode recuperar totalmente mesmo depois de a temperatura voltar ao normal. Esta é a  desmagnetização permanente  que mais nos preocupa.

Para ímãs NdFeB comuns, a temperatura crítica para desmagnetização irreversível é normalmente entre  80°C e 150°C , dependendo do grau do ímã. Em motores de torque sem moldura, devido à sua estrutura compacta e baixa dissipação de calor, as temperaturas locais podem facilmente exceder esta faixa durante a operação.

III. Por que os motores de torque sem moldura são mais suscetíveis à desmagnetização em alta temperatura?

Em comparação com os motores tradicionais, os motores de torque sem moldura possuem vários 'armadilhas de alta temperatura':

1. Estrutura compacta, caminhos de dissipação de calor ruins

Os motores frameless são embutidos diretamente na estrutura mecânica, com área de contato limitada entre o estator e a carcaça, dificultando a extração de calor. Muitas juntas robóticas têm espaços fechados e dependem apenas da convecção natural ou da simples condução térmica, causando picos nas temperaturas internas.

2. Alta densidade de torque significa alta densidade de corrente

Para fornecer alto torque dentro de um volume limitado, os motores de torque sem moldura geralmente operam em altas densidades de corrente. As perdas no cobre são proporcionais ao quadrado da corrente, gerando calor significativo.

3. Condições frequentes de sobrecarga

Durante a partida, paradas de emergência, proteção contra colisão e cenários de retenção de carga, as correntes do motor podem atingir momentaneamente 2 a 3 vezes o valor nominal, causando rápidos aumentos de temperatura.

4. Os ímãs são diretamente expostos a fontes de calor próximas

Os ímãs do rotor estão próximos aos enrolamentos do estator. O calor do estator é irradiado e conduzido através do entreferro até o rotor, e a temperatura do ímã pode se aproximar ou até mesmo exceder a temperatura do enrolamento.

4. Consequências da desmagnetização em alta temperatura

Uma vez que ocorre a desmagnetização irreversível, o motor apresenta uma série de problemas:

•  A constante de torque diminui : Para a mesma corrente, o torque de saída cai.

• Back-EMF diminui : A curva característica do motor muda, reduzindo a precisão do controle.

• A corrente aumenta ainda mais para manter o torque : levando a mais aquecimento – um ciclo vicioso.

• Diminuição da eficiência do sistema : Maior consumo de energia, piora da vida útil da bateria ou do consumo geral de energia.

• A rigidez das juntas enfraquece : Para robôs, a precisão do posicionamento e a capacidade de carga são afetadas.

O que piora é que esta degradação é gradual e irreversível. Os usuários só podem perceber que “o motor parece menos potente” com o tempo, sem conseguir identificar uma falha óbvia.

V. Como reduzir o risco de desmagnetização magnética em alta temperatura?

A boa notícia é que através de estratégias adequadas de selecção, concepção e controlo, o risco pode ser significativamente mitigado.

1. Escolha ímãs com graus de temperatura mais elevados

Os ímãs NdFeB vêm em diferentes graus de temperatura, geralmente N, M, H, SH, UH, EH, etc. Quanto mais distante a letra do alfabeto, maior a capacidade de temperatura. Por exemplo:

•  Série N: temperatura máxima de operação 80°C

• Série H: 120°C

• Série SH: 150°C

•  Série UH: 180°C

•  Série EH: 200°C

Para motores de torque sem moldura, especialmente em aplicações de juntas robóticas, recomenda-se selecionar pelo menos  classe SH ou superior e, quando possível, UH ou EH.

2. Preste atenção na 'curva de desmagnetização' e no ponto do joelho

Durante o projeto do motor, o ponto de operação do ímã deve ficar bem distante do “ponto joelho” na curva de desmagnetização. Sob temperatura operacional máxima e corrente de desmagnetização máxima, o ímã ainda deve operar na região segura. Ao selecionar, peça ao fabricante que forneça curvas de desmagnetização e dados de simulação em diferentes temperaturas.

3. Melhore o gerenciamento térmico

• Use graxa térmica ou almofadas térmicas entre o estator e a carcaça.

• Projete caminhos adequados de dissipação de calor, adicionando ar forçado ou resfriamento líquido, se necessário.

• Coloque sensores de temperatura dentro do motor ou próximos aos enrolamentos.

• Evite a operação prolongada do motor em plena carga em ambientes de alta temperatura.

4. Controle a corrente e a duração da sobrecarga

Limite a corrente e a duração de pico através do inversor para evitar sobrecarga prolongada. Para aplicações que exigem torque de retenção sustentado, considere reduzir a corrente de retenção ou usar freios mecânicos como auxílio.

5. Evite a combinação 'stall + alta corrente'

Durante o estol, o back-EMF é zero e toda a corrente é convertida em calor – este é um dos cenários de maior risco para desmagnetização. O projeto do sistema deve evitar condições de travamento prolongado ou implementar proteção contra travamento.

6. Monitore regularmente a condição do motor

Ao monitorar parâmetros como constante de back-EMF, corrente sem carga e aumento de temperatura, você pode determinar indiretamente se ocorreu desmagnetização. Sistemas de última geração podem incorporar estimativas de estado on-line baseadas em modelos.

VI. Resumo

A desmagnetização de ímãs em alta temperatura em motores de torque sem moldura é um risco “invisível, mas mortal”. Não é tão óbvio quanto um eixo quebrado ou enrolamentos queimados, mas rouba furtivamente o torque e a precisão do motor.

Para aplicações como robótica, mesas rotativas CNC e juntas de acionamento direto,  gastar um pouco mais em ímãs de alta temperatura durante a seleção, deixar margem térmica extra no projeto e adicionar mais uma proteção contra sobrecarga no controle  pode muitas vezes evitar degradação significativa do desempenho e problemas de pós-venda no futuro.