«Высокотемпературный убийца» безрамных моментных двигателей: насколько серьезен риск размагничивания магнитов?

В высокопроизводительных сценариях управления движением, таких как соединения роботов, совместные роботизированные руки и поворотные столы с прямым приводом, безрамные моментные двигатели становятся все более распространенными. У них нет корпуса, нет подшипников — по сути, силовой сердечник «голый ротор + статор», встроенный непосредственно в механическую конструкцию, обеспечивает высокую плотность крутящего момента, высокую жесткость и компактность.

Однако многие инженеры упускают из виду потенциальный риск при выборе и использовании:  необратимое размагничивание постоянных магнитов при высоких температурах . Как только происходит размагничивание, двигатель испытывает падение крутящего момента, повышенный нагрев и даже может сделать все соединение «ослабленным».

I. Какие магниты есть в безрамном моментном двигателе?

Безрамные моментные двигатели обычно представляют собой синхронные двигатели с постоянными магнитами с высокопроизводительными постоянными магнитами, обычно называемыми «магнитами», установленными на поверхности ротора или внутри нее.

Основным магнитным материалом, используемым сегодня, является  неодим-железо-бор (NdFeB) из-за его исключительных магнитных характеристик, способных генерировать высокий поток в воздушном зазоре в очень небольшом объеме, что идеально подходит для безрамных моментных двигателей, требующих чрезвычайно высокой плотности крутящего момента.

Но у NdFeB есть присущая ему слабость:  относительно низкая термостойкость..

II. Как происходит высокотемпературное размагничивание?

Магнетизм постоянных магнитов не является по-настоящему «постоянным». Когда температура повышается до определенного уровня, расположение магнитных доменов внутри магнита становится нестабильным, и магнитная сила постепенно уменьшается.

Размагничивание делится на два типа:

1. Обратимое размагничивание.

Магнитная сила временно снижается при повышении температуры, но восстанавливается при ее понижении. Этот тип уже учтен в конструкции двигателя и обычно не представляет проблемы, пока не превышены пределы.

2. Необратимое размагничивание.

Если температура превышает предел допуска магнита или если при высоких температурах применяется сильное размагничивающее поле, некоторые магнитные домены навсегда разрушаются, и магнетизм не может полностью восстановиться даже после того, как температура вернется к норме. Это  постоянное размагничивание,  которое нас больше всего беспокоит.

Для обычных магнитов NdFeB критическая температура необратимого размагничивания обычно составляет от  80°C до 150°C , в зависимости от марки магнита. В безрамных моментных двигателях из-за их компактной конструкции и плохого отвода тепла местные температуры во время работы могут легко превысить этот диапазон.

III. Почему безрамные моментные двигатели более подвержены высокотемпературному размагничиванию?

По сравнению с традиционными корпусными двигателями, безрамные моментные двигатели имеют несколько «высокотемпературных ловушек»:

1. Компактная конструкция, плохой отвод тепла.

Безрамные двигатели встроены непосредственно в механическую конструкцию с ограниченной площадью контакта между статором и корпусом, что затрудняет отвод тепла. Многие роботизированные соединения имеют закрытые помещения и полагаются только на естественную конвекцию или простую теплопроводность, что приводит к резкому повышению внутренней температуры.

2. Высокая плотность крутящего момента означает высокую плотность тока.

Чтобы обеспечить высокий крутящий момент в ограниченном объеме, безрамные моментные двигатели часто работают при высоких плотностях тока. Потери в меди пропорциональны квадрату тока, выделяя значительное количество тепла.

3. Частые перегрузки.

Во время запуска, аварийной остановки, защиты от столкновений и удержания нагрузки токи двигателя могут на мгновение превысить номинальное значение в 2–3 раза, что приведет к быстрому повышению температуры.

4. Магниты подвергаются прямому воздействию близлежащих источников тепла.

Магниты ротора расположены в непосредственной близости от обмоток статора. Тепло от статора излучается и передается через воздушный зазор к ротору, а температура магнита может приближаться к температуре обмотки или даже превышать ее.

IV. Последствия высокотемпературного размагничивания

Как только происходит необратимое размагничивание, у двигателя возникает ряд проблем:

•  Постоянная крутящего момента уменьшается : при том же токе выходной крутящий момент падает.

• Противо-ЭДС уменьшается : Характеристика двигателя изменяется, что снижает точность управления.

• Ток увеличивается еще больше для поддержания крутящего момента . Это приводит к еще большему нагреву — порочный круг.

• Снижение эффективности системы : повышение энергопотребления, ухудшение срока службы батареи или общего энергопотребления.

• Ослабляется жесткость суставов . Для роботов это влияет как на точность позиционирования, так и на грузоподъемность.

Хуже всего то, что эта деградация является постепенной и необратимой. Пользователи могут лишь заметить, что со временем «двигатель становится менее мощным», но не смогут выявить очевидную неисправность.

V. Как снизить риск высокотемпературного размагничивания магнита?

Хорошей новостью является то, что благодаря правильному выбору, проектированию и стратегиям контроля риск можно значительно снизить.

1. Выбирайте магниты с более высоким температурным диапазоном.

Магниты NdFeB бывают разных температурных классов, обычно N, M, H, SH, UH, EH и т. д. Чем дальше буква в алфавите, тем выше температурная устойчивость. Например:

•  Серия N: максимальная рабочая температура 80°C.

• Серия H: 120°C

• Серия SH: 150°C

•  Серия UH: 180°C

•  Серия EH: 200°C

Для безрамных моментных двигателей, особенно в роботизированных соединениях, рекомендуется выбирать  класс не ниже SH и, где возможно, UH или EH.

2. Обратите внимание на «кривую размагничивания» и точку перегиба.

При проектировании двигателя рабочая точка магнита должна находиться далеко от «точки перегиба» кривой размагничивания. При максимальной рабочей температуре и максимальном токе размагничивания магнит должен работать в безопасной зоне. При выборе попросите производителя предоставить кривые размагничивания и данные моделирования при различных температурах.

3. Улучшение управления температурным режимом

• Используйте термопасту или термопрокладки между статором и корпусом.

• Спроектируйте правильные пути отвода тепла, при необходимости добавив принудительное воздушное или жидкостное охлаждение.

• Разместите датчики температуры внутри двигателя или рядом с обмотками.

• Избегайте длительной работы двигателя с полной нагрузкой в ​​условиях высоких температур.

4. Контроль тока и продолжительности перегрузки.

Ограничьте пиковый ток и продолжительность через привод, чтобы избежать длительной перегрузки. В приложениях, требующих постоянного удерживающего момента, рассмотрите возможность уменьшения удерживающего тока или использования механических тормозов.

5. Избегайте комбинации «останов + высокий ток».

Во время останова противо-ЭДС равна нулю, и весь ток преобразуется в тепло — это один из сценариев с самым высоким риском размагничивания. При проектировании системы следует избегать длительного останова или реализовывать защиту от останова.

6. Регулярно контролируйте состояние мотора

Контролируя такие параметры, как постоянная противо-ЭДС, ток холостого хода и повышение температуры, вы можете косвенно определить, произошло ли размагничивание. Высокопроизводительные системы могут включать онлайн-оценку состояния на основе моделей.

VI. Краткое содержание

Высокотемпературное размагничивание магнитов в бескорпусных моментных двигателях представляет собой «невидимый, но смертельный» риск. Это не так очевидно, как сломанный вал или сгоревшая обмотка, но незаметно лишает двигатель крутящего момента и точности.

Для таких приложений, как робототехника, поворотные столы с ЧПУ и соединения с прямым приводом,  потратив немного больше средств на высокотемпературные магниты во время выбора, оставив дополнительный тепловой запас в конструкции и добавив еще одну защиту от перегрузки в системе управления,  часто можно предотвратить значительное снижение производительности и проблемы послепродажного обслуживания в будущем.