„Asasinul la temperatură înaltă” al motoarelor cu cuplu fără cadru: Cât de grav este riscul demagnetizării magnetului?

În scenariile de control al mișcării de înaltă performanță, cum ar fi articulațiile robotului, brațele robotice colaborative și mesele rotative cu acționare directă, motoarele cu cuplu fără cadru devin din ce în ce mai frecvente. Nu au carcasă, nu au rulmenți - în esență un miez de putere „rotor gol + stator” care este încorporat direct în structura mecanică, oferind densitate mare de cuplu, rigiditate ridicată și o amprentă compactă.

Cu toate acestea, mulți ingineri trec cu vederea un risc potențial în timpul selecției și utilizării:  demagnetizarea ireversibilă a magneților permanenți la temperaturi ridicate . Odată ce are loc demagnetizarea, motorul suferă o scădere a cuplului, o încălzire crescută și poate chiar lăsa întreaga articulație „slabă”.

I. Care sunt magneții dintr-un motor cuplu fără cadru?

Motoarele cu cuplu fără cadru sunt de obicei motoare sincrone cu magnet permanenți, cu magneți permanenți de înaltă performanță, denumiți în mod obișnuit „magneți” – montați pe sau în interiorul suprafeței rotorului.

Materialul principal al magnetului folosit astăzi este  neodim-fier-bor (NdFeB) , datorită performanței sale magnetice excepționale, capabil să genereze un flux mare de spațiu de aer într-un volum foarte mic - ideal pentru motoarele cu cuplu fără cadru care necesită o densitate de cuplu extrem de mare.

Dar NdFeB are o slăbiciune inerentă:  rezistență la căldură relativ slabă.

II. Cum se produce demagnetizarea la temperatură ridicată?

Magnetismul magneților permanenți nu este cu adevărat „permanent”. Când temperatura crește la un anumit nivel, alinierea domeniilor magnetice din interiorul magnetului devine instabilă, iar puterea magnetică scade treptat.

Demagnetizarea este împărțită în două tipuri:

1. Demagnetizare reversibilă

Puterea magnetică scade temporar pe măsură ce temperatura crește, dar își revine când temperatura scade. Acest tip este deja luat în considerare în proiectarea motoarelor și, de obicei, nu este o problemă atâta timp cât limitele nu sunt depășite.

2. Demagnetizare ireversibilă

Dacă temperatura depășește limita de toleranță a magnetului sau dacă se aplică un câmp demagnetizant puternic la temperaturi ridicate, unele domenii magnetice sunt perturbate permanent, iar magnetismul nu se poate recupera complet chiar și după ce temperatura revine la normal. Aceasta este  demagnetizarea permanentă  care ne preocupă cel mai mult.

Pentru magneții obișnuiți NdFeB, temperatura critică pentru demagnetizarea ireversibilă este de obicei între  80°C și 150°C , în funcție de gradul magnetului. La motoarele cu cuplu fără cadru, datorită structurii lor compacte și disipării slabe a căldurii, temperaturile locale pot depăși cu ușurință acest interval în timpul funcționării.

III. De ce motoarele cu cuplu fără cadru sunt mai susceptibile la demagnetizarea la temperatură ridicată?

În comparație cu motoarele tradiționale, motoarele cu cuplu fără cadru au mai multe „capcane de temperatură înaltă”:

1. Structură compactă, căi slabe de disipare a căldurii

Motoarele fără cadru sunt încorporate direct în structura mecanică, cu o zonă de contact limitată între stator și carcasă, ceea ce face dificilă extracția căldurii. Multe articulații robotizate au spații închise și se bazează doar pe convecția naturală sau pe conducția termică simplă, determinând creșterea temperaturii interne.

2. Densitatea mare a cuplului înseamnă o densitate mare a curentului

Pentru a furniza un cuplu mare într-un volum limitat, motoarele cu cuplu fără cadru funcționează adesea la densități mari de curent. Pierderile de cupru sunt proporționale cu pătratul curentului, generând căldură semnificativă.

3. Condiții frecvente de suprasarcină

În timpul pornirii, opririlor de urgență, protecției împotriva coliziunilor și scenariilor de reținere a sarcinii, curenții motorului pot atinge momentan de 2-3 ori valoarea nominală, provocând creșteri rapide de temperatură.

4. Magneții sunt expuși direct la sursele de căldură din apropiere

Magneții rotorului sunt în imediata apropiere a înfășurărilor statorului. Căldura de la stator este radiată și condusă prin spațiul de aer către rotor, iar temperatura magnetului se poate apropia sau chiar depăși temperatura înfășurării.

IV. Consecințele demagnetizării la temperatură ridicată

Odată ce apare demagnetizarea ireversibilă, motorul prezintă o serie de probleme:

•  Constanta de cuplu scade : Pentru același curent, cuplul de ieșire scade.

• Back-EMF scade : Curba caracteristică a motorului se modifică, reducând precizia controlului.

• Curentul crește și mai mult pentru a menține cuplul : ducând la mai multă încălzire - un cerc vicios.

• Eficiența sistemului scade : consum mai mare de energie, scăderea duratei de viață a bateriei sau consumul general de energie.

• Rigiditatea articulațiilor slăbește : Pentru roboți, precizia de poziționare și capacitatea de încărcare sunt ambele afectate.

Ceea ce înrăutăţeşte situaţia este că această degradare este treptată şi ireversibilă. Utilizatorii pot observa doar că „motorul se simte mai puțin puternic” în timp, fără a putea identifica o defecțiune evidentă.

V. Cum se reduce riscul demagnetizării magnetului la temperatură ridicată?

Vestea bună este că prin strategii adecvate de selecție, proiectare și control, riscul poate fi atenuat semnificativ.

1. Alegeți magneți cu grade de temperatură mai ridicate

Magneții NdFeB vin în diferite grade de temperatură, în mod obișnuit N, M, H, SH, UH, EH etc. Cu cât litera este mai departe în alfabet, cu atât capacitatea de temperatură este mai mare. De exemplu:

•  Seria N: temperatura maxima de functionare 80°C

• Seria H: 120°C

• Seria SH: 150°C

•  Seria UH: 180°C

•  Seria EH: 200°C

Pentru motoarele cu cuplu fără cadru, în special în aplicațiile cu articulații robotizate, se recomandă să selectați cel puțin  gradul SH sau mai mare și, acolo unde este posibil, UH sau EH.

2. Fii atent la 'curba de demagnetizare' si la punctul genunchiului

În timpul proiectării motorului, punctul de funcționare a magnetului ar trebui să stea departe de „punctul genunchiului” pe curba de demagnetizare. Sub temperatura maximă de funcționare și curent maxim de demagnetizare, magnetul ar trebui să funcționeze în continuare în regiunea sigură. La selectare, solicitați producătorului să furnizeze curbe de demagnetizare și date de simulare la diferite temperaturi.

3. Îmbunătățiți managementul termic

• Utilizați unsoare termică sau plăcuțe termice între stator și carcasă.

• Proiectați căi adecvate de disipare a căldurii, adăugând aer forțat sau răcire lichidă, dacă este necesar.

• Amplasați senzorii de temperatură în interiorul motorului sau lângă înfășurări.

• Evitați funcționarea prelungită la sarcină completă a motorului în medii cu temperatură ridicată.

4. Controlul curentului și durata suprasarcinii

Limitați curentul de vârf și durata prin intermediul unității pentru a evita suprasarcina prelungită. Pentru aplicațiile care necesită un cuplu de menținere susținut, luați în considerare reducerea curentului de menținere sau utilizarea frânelor mecanice ca asistență.

5. Evitați combinația „calare + curent ridicat”.

În timpul blocării, EMF inversă este zero și tot curentul este convertit în căldură - acesta este unul dintre scenariile cu cel mai mare risc pentru demagnetizare. Proiectarea sistemului ar trebui să evite condițiile de blocare prelungită sau să implementeze protecția împotriva blocării.

6. Monitorizați în mod regulat starea motorului

Prin monitorizarea parametrilor precum constanta EMF inversă, curentul fără sarcină și creșterea temperaturii, puteți determina indirect dacă a avut loc demagnetizarea. Sistemele de vârf pot încorpora estimarea stării online bazată pe model.

VI. Rezumat

Demagnetizarea la temperatură ridicată a magneților în motoarele cu cuplu fără cadru reprezintă un risc „invizibil, dar mortal”. Nu este la fel de evident ca un arbore spart sau înfășurări arse, totuși fură pe furiș cuplul și precizia motorului.

Pentru aplicații precum robotica, mesele rotative CNC și articulațiile cu antrenare directă,  cheltuirea puțin mai mult pe magneți cu grad de temperatură înaltă în timpul selecției, lăsând o marjă termică suplimentară în proiectare și adăugarea unei protecții suplimentare la suprasarcină în control  poate preveni adesea degradarea semnificativă a performanței și problemele post-vânzare pe drum.