Creșterea temperaturii și demagnetizarea motoarelor de cuplu fără cadru

1. Un fenomen contraintuitiv: de ce este mai lent mai periculos?

Pentru mulți ingineri, intuiția este că cu cât un motor funcționează mai repede, cu atât devine mai fierbinte. Dar în lumea lui motoare cu cuplu fără cadru , această logică este exact inversată.

Un motor cuplu fără cadru nu are carcasă, rulmenți și arbore de ieșire. Este în esență un miez de putere format dintr-un „rotor gol + stator” încorporat direct într-o structură mecanică. Este ambalat în cavități extrem de înghesuite, cum ar fi articulațiile robotului, brațele robotice colaborative și mesele rotative cu acționare directă, unde condițiile de disipare a căldurii sunt mult mai proaste decât cele ale motoarelor convenționale. Iar cel mai comun scenariu de funcționare al său - menținerea articulației la viteză mică și puterea de cuplu mare - este tocmai condiția de lucru cel mai probabil să „gătească” magneții.

Motivul este simplu: la viteză mică, EMF din spate este foarte scăzut, astfel încât unitatea trebuie să scoată continuu un curent mare pentru a menține cuplul. Pierderea de cupru este proporțională cu pătratul curentului și toată această căldură se acumulează în înfășurările statorului, în timp ce magneții de pe rotor nu au aproape nicio cale de disipare directă a căldurii. Rezultatul este că, cu cât viteza este mai mică, cu atât magneții sunt mai fierbinți. Într-un test de mers continuu de 5 km al unui robot umanoid, temperatura articulației a măsurat 80°C, apropiindu-se deja de limita de eșec la temperatură ridicată a majorității grăsimilor.

Creșterea temperaturii nu este o problemă izolată. Concomitent, amenință izolarea înfășurării (îmbătrânire accelerată), lubrifierea rulmenților (degradarea performanței) și, cel mai critic, magneții permanenți înșiși. Odată ce are loc demagnetizarea ireversibilă, capacitatea motorului de cuplu este permanent degradată.

2. Cele două fețe ale demagnetizării: una care „se întoarce”, una care nu se va face niciodată

NdFeB (neodim fier bor) este în prezent principalul material de magnet pentru motoarele cu cuplu fără cadru. Temperatura lui Curie este de aproximativ 310–370°C, ceea ce pare departe de domeniul de funcționare al motorului. Dar ceea ce determină cu adevărat cât de mult poate fi folosit un magnet nu este temperatura Curie, ci coeficientul de temperatură de coercivitate - de obicei între -0,55%/°C și -0,65%/°C.

Semnificația acestui coeficient este că pentru fiecare creștere cu 1°C a temperaturii, capacitatea magnetului de a rezista unui câmp extern de magnetizare scade cu 0,55% până la 0,65%. De la 20°C la 80°C, coerctivitatea a pierdut deja aproximativ 36%. La 100°C, pierderea este aproape de jumătate. Când coerctivitatea scade sub câmpul de demagnetizare generat de reacția armăturii, alinierea domeniului magnetic este deteriorată permanent.

Demagnetizarea se împarte în două categorii:

Demagnetizarea reversibilă  este o „alarma falsă”. Când temperatura crește, forța magnetică scade; când temperatura scade, se reface. Motorul prezintă „curent mai mare când este cald, refacere când este rece.” Pare în regulă, dar în realitate plutește deja la marginea critică.

Demagnetizarea ireversibilă  este adevărata problemă. Când temperatura depășește ceea ce poate rezista magnetul sau când un câmp magnetic invers suficient de puternic este suprapus la temperatură ridicată, o parte din alinierea domeniului magnetic este deteriorată permanent, iar forța magnetică nu se poate recupera complet chiar și după ce temperatura revine la normal.

Demagnetizarea ireversibilă are și forme 'parțial' și 'global'. Demagnetizarea parțială începe adesea la colțurile magnetului - curenții turbionari se concentrează la colțuri, unde temperatura critică este mai întâi depășită. Se manifestă ca o scădere de 3%–5% a constantei KE-CEM înapoi; la aceeași viteză, este necesar un curent mai mare pentru a menține cuplul, temperatura crește și mai mult și se formează un cerc vicios. Demagnetizarea totală este consecința întregii mașini depășind 120°C pentru o perioadă lungă de timp, KE scăzând cu mai mult de 10%. Motorul trebuie să „adauge 10% accelerație” pentru a face aceeași muncă, intrând într-o spirală de moarte cu feedback pozitiv „termic-magnetic”.

Pentru magneții NdFeB utilizați în mod obișnuit, temperatura critică pentru demagnetizarea ireversibilă este de obicei între 80°C și 150°C, în funcție de gradul magnetului. Gradele la temperaturi ridicate pot împinge pragul aproape de 150 °C sau chiar mai mult, dar prețul este un compromis între performanța magnetică și cost.

3. De unde vine căldura și unde este prinsă?

Sursele de căldură ale motoarelor cu cuplu fără cadru sunt mai complexe decât cele ale motoarelor convenționale și pot fi grupate aproximativ în patru categorii:

Pierderea de cupru  este cea mai elementară. Pierderea I⊃2;R generată de rezistența înfășurării sub curent continuu este proporțională cu pătratul curentului. Problema este că, în căutarea unei densități mari de cuplu, motoarele fără cadru folosesc adesea modele cu un factor de umplere a fantei mare și sârmă subțire, astfel încât rezistența înfășurării în sine este relativ mare. Chiar și un curent mic produce căldură de bază considerabilă și formează o buclă de feedback pozitiv de „încălzire → creșterea rezistenței → mai multă încălzire”.

Pierderile de fier  sunt deosebit de importante în modelele cu număr mare de poli. Modelele de 16-32 de poli utilizate în mod obișnuit în motoarele cu cuplu fără cadru fac ca frecvența alternantă a câmpului magnetic să fie mult mai mare decât cea a servomotoarelor obișnuite. Chiar și la viteză mică și fără sarcină, pierderile de histerezis și curenți turbionari în miezul de fier sunt deja considerabile.

Pierderea curenților turbionari din rotor  este o sursă de căldură ascunsă ușor de trecut cu vederea. Efectul de cogging al statorului și armonicile purtătoare PWM induc curenți turbionari pe suprafața magneților rotorului. Această căldură este generată direct în interiorul magneților și aproape că nu are cale de a conduce spre exterior.

Pierderile suplimentare introduse de strategia de control  sunt categoria cea mai ascunsă. Eroarea de orientare a câmpului FOC, activarea continuă a injecției de înaltă frecvență cu viteză zero și curenții corectivi continui cauzați de parametrii PID nepotriviți — acești „curenți invizibili” generează în mod continuu pierderi de cupru chiar și în condiții de gol, ceea ce este cauza principală a faptului că mulți ingineri au descoperit că „este fierbinte și fără sarcină”.

După ce aceste patru căi de căldură sunt suprapuse, temperatura reală a magnetului este de obicei cu 8-12°C mai mare decât temperatura suprafeței carcasei. Când citiți 70°C pe suprafața carcasei cu un termometru cu infraroșu, este posibil ca magneții să fi pășit pe linia roșie de 80°C.

4. Trei linii dure în selecție

Odată ce mecanismul de creștere a temperaturii este înțeles, logica selecției devine clară. Selectarea temperaturii pentru motoarele cu cuplu fără cadru poate fi rezumată în trei linii dure, corespunzătoare la trei niveluri diferite de ținte de protecție.

Prima linie: gradul magnetului determină „linia de jos”

Magneții NdFeB sunt împărțiți în mai multe niveluri de grad în funcție de coercivitate intrinsecă, rezistența la temperatură crescând pas cu pas:

Seria N este clasa standard, potrivită pentru aplicații la temperatura camerei, cu o rezistență la temperatură de aproximativ 80°C. Seria H rezistă la 120°C, seria SH 150°C și seria UH 180°C. De la N la UH, se adaugă elemente grele de pământuri rare Dy și Tb pentru a îmbunătăți coeficientul de coercivitate al temperaturii, dar și costul crește cu un factor de 1,5 până la 3.

Pentru aplicațiile tipice cu motor cu cuplu fără cadru — articulațiile robotului și brațele robotice colaborative — punctul de pornire recomandat este clasa SH sau mai mare . Motivul este că motoarele fără cadru au în mod inerent condiții dure de disipare a căldurii, iar „diferența ascunsă” dintre temperatura de funcționare a magnetului și temperatura carcasei poate ajunge la 15°C. Seria N poate părea suficientă pe hârtie, dar în funcționare reală poate trece cu ușurință linia. Motorul articulației genunchiului de prima generație al unui robot umanoid, de exemplu, nu a verificat demagnetizarea în condiții de blocare. După impacturi repetate de cădere, magneții au suferit o demagnetizare ireversibilă, iar cuplul de ieșire a scăzut permanent cu mai mult de 15%.

A doua linie: clasa de izolare determină „tavanul”

Clasa de izolație a înfășurării este o altă constrângere de temperatură și adesea își atinge limita mai devreme decât magneții. Izolația clasa F are o temperatură nominală de 155°C, care este în prezent configurația principală pentru motoarele cu cuplu fără cadru. Izolația de clasă B (130°C) apare în unele produse sensibile la costuri sau cu spațiu extrem de limitat.

Există o cuplare termică între temperatura magnetului și temperatura înfășurării: căldura înfășurării este condusă prin miezul statorului către rotor și afectează în cele din urmă magneții. Prin urmare, limita de izolație a înfășurării de 155°C stabilește de fapt un plafon indirect și pentru temperatura magnetului. Logica de verificare inginerească este că, în starea de echilibrare termică, temperatura înfășurării nu trebuie să depășească limita clasei de izolație, în timp ce temperatura magnetului nu trebuie să depășească temperatura sa critică de demagnetizare - aceasta din urmă devine de obicei blocajul mai devreme.

În practica industriei, temperatura maximă de funcționare continuă a magneților de calitate NdFeB SH este de obicei setată la 120°C. Peste această valoare, motorul începe să intre în intervalul de risc de demagnetizare.

A treia linie: limita curentă determină „limita dinamică”

Pe lângă temperatura de echilibru, există un alt factor dinamic care este adesea trecut cu vederea:  riscul de demagnetizare la curentul de vârf..

Motoarele cu cuplu au un cuplu maxim și un cuplu de blocare. Cuplul de vârf este cuplul de pornire pentru o perioadă scurtă de timp, durând de obicei doar 10-15 secunde; Cuplul de blocare este valoarea care poate fi transmisă continuu. Când curentul de vârf este prea mare, câmpul de demagnetizare generat de reacția armăturii poate declanșa direct demagnetizarea ireversibilă în condiții de temperatură ridicată.

Curentul maxim al unui motor cu acționare directă limitat de demagnetizarea magnetului permanent este „punctul limită de demagnetizare” al acestuia. În unele produse, după ce sunt utilizați magneți de înaltă performanță, cuplul este limitat doar de creșterea maximă a temperaturii, iar cuplul de vârf poate fi crescut foarte mult. Dar dacă gradul magnetului este insuficient, demagnetizarea devine prima constrângere declanșată.

În timpul selecției, este necesar să se verifice nu numai creșterea temperaturii în condiții de curent continuu, ci și dacă curentul în condiții de blocare și suprasarcină tranzitorie depășește limita de demagnetizare a magnetului la acea temperatură. Această limită este dată de obicei de curba de demagnetizare a furnizorului de magnet și trebuie determinată în combinație cu calculele de reacție a armăturii în proiectarea motorului.

5. Abordări tehnice ale răcirii

Esența controlului creșterii temperaturii este de a stabili un echilibru între generarea și eliminarea căldurii. Pentru motoarele cu cuplu fără cadru, există mai multe căi de inginerie mature.

În prezent, ghiveciul  este cel mai popular mijloc de îmbunătățire a disipării căldurii. TQ Robodrive folosește tehnologia de încapsulare și ghiveci cu epoxid, iar Kinco a fost pionierul unui proces de ghiveci fără cadru. Logica de bază a ambelor este de a umple golurile interne ale motorului cu material de ghiveci cu conductivitate termică ridicată, astfel încât căldura înfășurării să fie condusă mai rapid către miezul statorului și flanșa de montare. Conductivitatea termică a materialului de ghiveci poate ajunge la 1,4–1,6 W/mK, mult mai mare decât cea a aerului.

Canalele de răcire cu apă  sunt potrivite pentru îmbinări compacte și alte scenarii cu densitate mare a fluxului de căldură. Canalele elicoidale sunt tăiate în manșonul statorului sau în carcasă, iar lichidul de răcire este trecut prin ele, ceea ce poate reduce direct creșterea temperaturii cu 40-60°C. Costul este complexitatea crescută a sistemului și cerințele de etanșare.

Optimizarea strategiei de control  este o cale fără costuri hardware. Recalibrarea punctului zero al polului magnetic, optimizarea parametrilor PID, gestionarea injecției de înaltă frecvență cu viteză zero și activarea controlului curentului minim pot reduce curentul de menținere static cu 50%-80% fără a schimba hardware-ul. Pentru sistemele care au deja probleme de încălzire fără sarcină, optimizarea controlului produce adesea rezultate mai imediate decât adăugarea de măsuri de disipare a căldurii.

Senzorii de temperatură încorporați  reprezintă linia de bază a siguranței. NTC (100k) și PT1000 sunt în prezent configurațiile standard de măsurare a temperaturii pentru motoarele cu cuplu fără cadru, monitorizarea temperaturii înfășurării în timp real și declanșarea reducerii sau protecției atunci când se apropie de limită. Dar rețineți că senzorul măsoară temperatura înfășurării, nu temperatura magnetului - diferența dintre cele două depinde de calitatea proiectării căii de disipare a căldurii și trebuie lăsată o marjă de siguranță suficientă în timpul selecției.

Concluzie

Selectarea temperaturii pentru motoarele cu cuplu fără cadru este, în esență, un echilibru între trei constrângeri: gradul magnetului determină cât de mare puteți rezista la temperatură, clasa de izolație definește plafonul înfășurării, iar limita de curent definește limita condițiilor dinamice de funcționare. Cele trei linii sunt cuplate una cu cealaltă și, dacă vreuna este încălcată, poate declanșa o reacție în lanț de la demagnetizare la epuizare.

Cea mai pragmatică abordare este:  în etapa de selecție, asumați cele mai dure condiții de disipare a căldurii , treceți cu un grad de magnet în sus, lăsați o marjă mare de creștere a temperaturii și faceți verificarea demagnetizării în condiții de blocare și suprasarcină un element obligatoriu. La urma urmei, demagnetizarea este ireversibilă - nu vă va oferi o a doua șansă.