Повышение температуры и размагничивание бескорпусных моментных двигателей

1. Противоречивый феномен: почему медленнее опаснее?

Многие инженеры интуитивно понимают, что чем быстрее работает двигатель, тем сильнее он нагревается. Но в мире В безрамных моментных двигателях эта логика в точности обратная.

Безрамный моментный двигатель не имеет корпуса, подшипников и выходного вала. По сути, это силовой сердечник, состоящий из «голого ротора + статора», встроенного непосредственно в механическую конструкцию. Он помещается в чрезвычайно тесные полости, такие как соединения роботов, совместные манипуляторы роботов и поворотные столы с прямым приводом, где условия рассеивания тепла намного хуже, чем у обычных корпусных двигателей. И наиболее распространенный сценарий его работы — удержание соединения на низкой скорости и высокий крутящий момент — это именно те рабочие условия, которые с наибольшей вероятностью «приготовят» магниты.

Причина проста: на низкой скорости обратная ЭДС очень мала, поэтому привод должен постоянно выдавать большой ток для поддержания крутящего момента. Потери в меди пропорциональны квадрату тока, и все это тепло накапливается в обмотках статора, в то время как магниты на роторе почти не имеют прямого пути отвода тепла. В результате чем ниже скорость, тем горячее магниты. В ходе 5-километрового испытания робота-гуманоида температура сустава составила 80°C, что уже приближается к пределу высокотемпературного разрушения большинства смазок.

Повышение температуры не является изолированной проблемой. Это одновременно угрожает изоляции обмотки (ускоренное старение), смазке подшипников (ухудшение характеристик) и, что наиболее важно, самим постоянным магнитам. Как только происходит необратимое размагничивание, крутящий момент двигателя постоянно ухудшается.

2. Два лица размагничивания: одно «возвращается», другое никогда не вернется

NdFeB (неодим-железо-бор) в настоящее время является основным магнитным материалом для безрамных моментных двигателей. Его температура Кюри составляет около 310–370°C, что оказывается далеко за пределами рабочего диапазона двигателя. Но то, что действительно определяет, как долго можно использовать магнит, — это не температура Кюри, а температурный коэффициент коэрцитивной силы — обычно между -0,55%/°C и -0,65%/°C.

Смысл этого коэффициента состоит в том, что при повышении температуры на каждый 1°С способность магнита сопротивляться внешнему размагничивающему полю падает на 0,55–0,65%. От 20°C до 80°C коэрцитивность уже потеряла около 36%. При 100°C потери составляют почти половину. Когда коэрцитивность падает ниже размагничивающего поля, создаваемого реакцией якоря, выравнивание магнитных доменов необратимо нарушается.

Размагничивание делится на две категории:

Обратимое размагничивание  — это «ложная тревога». При повышении температуры магнитная сила уменьшается; когда температура падает, он восстанавливается. Двигатель демонстрирует «более высокий ток при нагревании и восстановление при холоде». Кажется, все в порядке, но на самом деле он уже колеблется на критическом фронте.

Необратимое размагничивание  – настоящая беда. Когда температура превышает то, что может выдержать магнит, или когда при высокой температуре накладывается достаточно сильное обратное магнитное поле, часть выравнивания магнитных доменов необратимо повреждается, и магнитная сила не может полностью восстановиться даже после того, как температура возвращается к норме.

Необратимое размагничивание также имеет «частичную» и «полную» формы. Частичное размагничивание часто начинается в углах магнита — вихревые токи концентрируются в углах, где в первую очередь достигается критическая температура. Это проявляется в падении постоянной КЭ противоЭДС на 3–5%; при той же скорости для поддержания крутящего момента требуется более высокий ток, температура повышается дальше, и образуется порочный круг. Общее размагничивание является следствием длительного превышения температуры всей машины 120°C, при этом KE падает более чем на 10%. Чтобы выполнить ту же работу, двигателю приходится «прибавить газ на 10%», входя в «термо-магнитную» смертельную спираль с положительной обратной связью.

Для обычно используемых магнитов NdFeB критическая температура необратимого размагничивания обычно составляет от 80°C до 150°C, в зависимости от марки магнита. Высокотемпературные сорта могут поднять порог до 150°C или даже выше, но цена является компромиссом между магнитными характеристиками и стоимостью.

3. Откуда берется тепло и где оно задерживается?

Источники тепла бескорпусных моментных двигателей более сложны, чем у обычных двигателей, и их можно условно разделить на четыре категории:

Потеря меди  является самой основной. Потери I⊃2;R, вызванные сопротивлением обмотки при постоянном токе, пропорциональны квадрату тока. Проблема в том, что в погоне за высокой плотностью крутящего момента в безрамных двигателях часто используются конструкции с высоким коэффициентом заполнения пазов и тонкой проволокой, поэтому сопротивление обмотки само по себе относительно велико. Даже небольшой ток выделяет значительное базовое тепло и образует петлю положительной обратной связи «нагрев → увеличение сопротивления → больший нагрев».

Потери в железе  особенно заметны в конструкциях с большим количеством полюсов. Обычно используемые 16–32-полюсные конструкции в безрамных моментных двигателях делают частоту переменного магнитного поля намного выше, чем у обычных серводвигателей. Даже на низкой скорости и без нагрузки потери на гистерезис и вихревые токи в железном сердечнике уже значительны.

Потери на вихревые токи ротора  – это скрытый источник тепла, который легко упустить из виду. Эффект зазубривания статора и несущая гармоника ШИМ вызывают вихревые токи на поверхности магнитов ротора. Это тепло генерируется непосредственно внутри магнитов и почти не имеет пути наружу.

Дополнительные потери, вызванные стратегией управления,  являются наиболее скрытой категорией. Ошибка ориентации поля FOC, непрерывная активация высокочастотной подачи с нулевой скоростью и непрерывные корректирующие токи, вызванные неправильными параметрами ПИД — эти «невидимые токи» постоянно генерируют потери в меди даже в условиях холостого хода, что является основной причиной того, что многие инженеры обнаруживают, что «он также горячий и без нагрузки».

После наложения этих четырех тепловых путей фактическая температура магнита обычно на 8–12°C выше температуры поверхности корпуса. Когда вы измеряете температуру 70°C на поверхности корпуса с помощью инфракрасного термометра, магниты вполне могут переступить красную линию 80°C.

4. Три жёсткие линии отбора

Как только механизм повышения температуры будет понят, логика отбора станет ясной. Выбор температуры для безрамных моментных двигателей можно свести к трем жестким линиям, соответствующим трем различным уровням целей защиты.

Первая строка: класс магнита определяет «чистую прибыль».

Магниты NdFeB подразделяются на несколько классов в зависимости от внутренней коэрцитивной силы, при этом температурная устойчивость увеличивается шаг за шагом:

Серия N представляет собой стандартную марку, подходящую для применения при комнатной температуре, с термостойкостью около 80°C. Серия H выдерживает 120°C, серия SH – 150°C, серия UH – 180°C. От N до UH добавляются тяжелые редкоземельные элементы Dy и Tb для улучшения температурного коэффициента коэрцитивной силы, но стоимость также возрастает в 1,5–3 раза.

Для типичных применений безрамных моментных двигателей — соединений роботов и совместных манипуляторов роботов — рекомендуемой отправной точкой является класс SH или выше . Причина в том, что безрамные двигатели по своей природе имеют жесткие условия рассеивания тепла, а «скрытая разница» между рабочей температурой магнита и температурой корпуса может достигать 15°C. Серия N может выглядеть достаточно на бумаге, но в реальной эксплуатации она может легко переступить черту. Например, коленный двигатель первого поколения робота-гуманоида не подтвердил размагничивание в условиях сваливания. После неоднократных ударов при падении магниты подверглись необратимому размагничиванию, и выходной крутящий момент постоянно упал более чем на 15%.

Вторая строка: класс изоляции определяет «потолок»

Класс изоляции обмотки является еще одним температурным ограничением, и он часто достигает своего предела раньше, чем магниты. Изоляция класса F имеет номинальную температуру 155°C, что в настоящее время является основной конфигурацией для бескорпусных моментных двигателей. Изоляция класса B (130°C) используется в некоторых дорогостоящих или чрезвычайно ограниченных в пространстве изделиях.

Между температурой магнита и температурой обмотки существует тепловая связь: тепло обмотки передается через сердечник статора к ротору и в конечном итоге влияет на магниты. Таким образом, предел изоляции обмотки 155°C фактически также устанавливает косвенный потолок и для температуры магнита. Логика инженерной проверки заключается в том, что в условиях термического устойчивого состояния температура обмотки не должна превышать предел класса изоляции, а температура магнита не должна превышать критическую температуру его размагничивания — последняя обычно становится узким местом раньше.

В промышленной практике максимальная температура непрерывной эксплуатации магнитов марки NdFeB SH обычно устанавливается на уровне 120°C. Выше этого значения двигатель начинает входить в диапазон риска размагничивания.

Третья строка: ограничение тока определяет «динамическую границу».

Помимо установившейся температуры, существует еще один динамический фактор, который часто упускают из виду:  риск размагничивания при пиковом токе..

Моментные двигатели имеют пиковый крутящий момент и момент остановки. Пиковый крутящий момент — это пусковой крутящий момент на короткое время, обычно продолжающийся всего 10–15 секунд; Срывной крутящий момент — это значение, которое может выдаваться непрерывно. Когда пиковый ток слишком велик, размагничивающее поле, создаваемое реакцией якоря, может напрямую вызвать необратимое размагничивание в условиях высоких температур.

Максимальный ток моментного двигателя с прямым приводом, ограниченный размагничиванием постоянных магнитов, является его «предельной точкой размагничивания». В некоторых продуктах после использования высокопроизводительных магнитов крутящий момент ограничивается только максимальным повышением температуры, а пиковый крутящий момент может быть значительно увеличен. Но если класс магнита недостаточен, первым сработавшим ограничением становится размагничивание.

Во время выбора необходимо проверить не только повышение температуры при постоянном токе, но также и то, превышает ли ток при остановке и переходной перегрузке предел размагничивания магнита при этой температуре. Этот предел обычно определяется кривой размагничивания поставщика магнитов и должен определяться в сочетании с расчетами реакции якоря при проектировании двигателя.

5. Инженерные подходы к охлаждению

Суть регулирования повышения температуры заключается в установлении баланса между тепловыделением и теплоотводом. Для безрамных моментных двигателей существует несколько зрелых инженерных путей.

В настоящее время заливка  является наиболее распространенным способом улучшения отвода тепла. TQ Robodrive использует технологию герметизации и заливки эпоксидной смолой, а Kinco стала пионером в бескаркасном процессе заливки. Основная логика обоих заключается в заполнении внутренних зазоров двигателя герметизирующим материалом с высокой теплопроводностью, чтобы тепло обмотки быстрее передавалось к сердечнику статора и монтажному фланцу. Теплопроводность заливочного материала может достигать 1,4–1,6 Вт/мК, что намного выше, чем у воздуха.

Каналы водяного охлаждения  подходят для компактных соединений и других сценариев с высокой плотностью теплового потока. В втулке или корпусе статора вырезаются винтовые каналы, через которые пропускается охлаждающая жидкость, что позволяет непосредственно снизить повышение температуры на 40–60°С. Затраты связаны с увеличением сложности системы и требований к уплотнению.

Оптимизация стратегии управления  — это путь с нулевыми затратами на оборудование. Повторная калибровка нулевой точки магнитного полюса, оптимизация параметров ПИД-регулятора, управление высокочастотной подачей при нулевой скорости и включение контроля минимального тока могут снизить статический ток удержания на 50–80 % без изменения аппаратного обеспечения. Для систем, в которых уже есть проблемы с нагревом без нагрузки, оптимизация управления часто дает более немедленные результаты, чем добавление мер по отводу тепла.

Встроенные датчики температуры  являются залогом безопасности. NTC (100k) и PT1000 в настоящее время являются стандартными конфигурациями измерения температуры для бескорпусных моментных двигателей, контролирующими температуру обмотки в режиме реального времени и запускающими снижение номинальных характеристик или защиту при приближении к пределу. Но учтите, что датчик измеряет температуру обмотки, а не температуру магнита — разница между ними зависит от качества конструкции пути отвода тепла, и при выборе необходимо оставить достаточный запас прочности.

Заключение

Выбор температуры для бескорпусных моментных двигателей — это, по сути, баланс между тремя ограничениями: класс магнита определяет, насколько высокую температуру вы можете выдержать, класс изоляции определяет потолок обмотки, а предел тока определяет границу динамических условий эксплуатации. Три линии связаны друг с другом, и если какая-либо из них будет нарушена, это может вызвать цепную реакцию от размагничивания до перегорания.

Самый прагматичный подход:  на этапе выбора принять самые суровые условия рассеивания тепла , поднять магнит на одну ступень выше, оставить достаточный запас на повышение температуры и сделать проверку размагничивания в условиях опрокидывания и перегрузки обязательным пунктом. Ведь размагничивание необратимо — оно не даст вам второго шанса.