'Vysokoteplotný zabijak' bezrámových momentových motorov: Aké vážne je riziko demagnetizácie magnetu?

Vo vysokovýkonných scenároch riadenia pohybu, ako sú kĺby robotov, kolaboratívne robotické ramená a otočné stoly s priamym pohonom, bezrámové momentové motory sú čoraz bežnejšie. Nemajú žiadne puzdro, žiadne ložiská – v podstate výkonové jadro „holý rotor + stator“, ktoré je zabudované priamo do mechanickej konštrukcie a poskytuje vysokú hustotu krútiaceho momentu, vysokú tuhosť a kompaktný pôdorys.

Mnohí inžinieri však prehliadajú potenciálne riziko pri výbere a používaní:  nevratná demagnetizácia permanentných magnetov pri vysokých teplotách . Akonáhle dôjde k demagnetizácii, motor zažije pokles krútiaceho momentu, zvýšené zahrievanie a dokonca môže zostať celý kĺb 'slabý'.

I. Aké sú magnety v bezrámovom momentovom motore?

Bezrámové momentové motory sú zvyčajne synchrónne motory s permanentnými magnetmi s vysokovýkonnými permanentnými magnetmi – bežne označovanými ako „magnety“ – namontovanými na povrchu rotora alebo vo vnútri.

Hlavným magnetom, ktorý sa dnes používa, je  neodym-železo-bór (NdFeB) , vďaka svojmu výnimočnému magnetickému výkonu, schopnému vytvárať vysoký tok vzduchovej medzery vo veľmi malom objeme – ideálne pre bezrámové momentové motory, ktoré vyžadujú extrémne vysokú hustotu krútiaceho momentu.

Ale NdFeB má prirodzenú slabinu:  relatívne slabú tepelnú odolnosť.

II. Ako prebieha vysokoteplotná demagnetizácia?

Magnetizmus permanentných magnetov nie je skutočne 'permanentný'. Keď teplota stúpne na určitú úroveň, usporiadanie magnetických domén vo vnútri magnetu sa stáva nestabilným a magnetická sila postupne klesá.

Demagnetizácia sa delí na dva typy:

1. Reverzibilná demagnetizácia

Magnetická sila dočasne klesá, keď teplota stúpa, ale obnovuje sa, keď teplota klesá. S týmto typom sa už počíta pri konštrukcii motora a zvyčajne nepredstavuje problém, pokiaľ sa neprekročia limity.

2. Nevratná demagnetizácia

Ak teplota prekročí tolerančný limit magnetu, alebo ak sa pri vysokých teplotách aplikuje silné demagnetizačné pole, niektoré magnetické domény sú trvalo narušené a magnetizmus sa nemôže úplne zotaviť ani po návrate teploty do normálu. Toto je  trvalá demagnetizácia,  ktorej sa najviac obávame.

Pre bežné NdFeB magnety je kritická teplota pre ireverzibilnú demagnetizáciu typicky medzi  80 °C a 150 °C , v závislosti od kvality magnetu. V bezrámových momentových motoroch môžu miestne teploty v dôsledku ich kompaktnej konštrukcie a zlého odvodu tepla ľahko prekročiť tento rozsah počas prevádzky.

III. Prečo sú bezrámové momentové motory náchylnejšie na vysokoteplotnú demagnetizáciu?

V porovnaní s tradičnými uloženými motormi majú bezrámové momentové motory niekoľko 'vysokoteplotných pascí':

1. Kompaktná konštrukcia, zlé cesty odvádzania tepla

Bezrámové motory sú zabudované priamo do mechanickej konštrukcie s obmedzenou kontaktnou plochou medzi statorom a krytom, čo sťažuje odvod tepla. Mnohé robotické kĺby majú uzavreté priestory a spoliehajú sa iba na prirodzenú konvekciu alebo jednoduché vedenie tepla, čo spôsobuje zvýšenie vnútornej teploty.

2. Vysoká hustota krútiaceho momentu znamená vysokú prúdovú hustotu

Na dodanie vysokého krútiaceho momentu v rámci obmedzeného objemu často pracujú bezrámové momentové motory pri vysokých prúdových hustotách. Straty medi sú úmerné druhej mocnine prúdu a vytvárajú značné teplo.

3. Časté stavy preťaženia

Počas spúšťania, núdzového zastavenia, ochrany pred kolíziou a scenárov udržiavania záťaže môžu prúdy motora na chvíľu dosiahnuť 2- až 3-násobok menovitej hodnoty, čo spôsobí rýchle zvýšenie teploty.

4. Magnety sú priamo vystavené blízkym zdrojom tepla

Magnety rotora sú v tesnej blízkosti vinutia statora. Teplo zo statora sa vyžaruje a vedie cez vzduchovú medzeru k rotoru a teplota magnetu sa môže priblížiť alebo dokonca prekročiť teplotu vinutia.

IV. Dôsledky vysokoteplotnej demagnetizácie

Akonáhle dôjde k nezvratnej demagnetizácii, motor vykazuje rad problémov:

•  Konštanta krútiaceho momentu klesá : Pri rovnakom prúde klesá výstupný krútiaci moment.

• Zníženie spätného EMF : Zmení sa charakteristika motora, čím sa zníži presnosť riadenia.

• Prúd sa ďalej zvyšuje, aby sa udržal krútiaci moment : čo vedie k väčšiemu zahrievaniu - začarovaný kruh.

• Účinnosť systému klesá : Vyššia spotreba energie, zhoršenie životnosti batérie alebo celková spotreba energie.

• Tuhosť kĺbov sa oslabuje : V prípade robotov je ovplyvnená presnosť polohovania a nosnosť.

Horšie je, že táto degradácia je postupná a nezvratná. Používatelia si môžu len všimnúť, že 'motor sa po čase cíti menej výkonný', bez toho, aby boli schopní identifikovať zjavnú chybu.

V. Ako znížiť riziko vysokoteplotnej demagnetizácie magnetu?

Dobrou správou je, že prostredníctvom správneho výberu, dizajnu a stratégií kontroly možno riziko výrazne znížiť.

1. Vyberte si magnety s vyššími teplotnými stupňami

NdFeB magnety sa dodávajú v rôznych teplotných stupňoch, bežne N, M, H, SH, UH, EH atď. Čím ďalej je písmeno v abecede, tým vyššia je teplotná schopnosť. Napríklad:

•  Séria N: maximálna prevádzková teplota 80°C

• Séria H: 120 °C

• Séria SH: 150 °C

•  Séria UH: 180°C

•  Séria EH: 200 °C

Pre bezrámové momentové motory, najmä v aplikáciách robotických kĺbov, sa odporúča zvoliť aspoň  triedu SH alebo vyššiu , a ak je to možné, UH alebo EH.

2. Venujte pozornosť 'demagnetizačnej krivke' a kolennému bodu

Počas návrhu motora by mal byť pracovný bod magnetu dostatočne vzdialený od 'kolenného bodu' na demagnetizačnej krivke. Pri maximálnej prevádzkovej teplote a maximálnom demagnetizačnom prúde by mal magnet stále fungovať v bezpečnej oblasti. Pri výbere požiadajte výrobcu o poskytnutie demagnetizačných kriviek a simulačných údajov pri rôznych teplotách.

3. Zlepšite tepelný manažment

• Medzi stator a kryt použite tepelnú pastu alebo tepelné podložky.

• Navrhnite správne cesty odvádzania tepla, v prípade potreby pridajte nútené chladenie vzduchom alebo kvapalinou.

• Umiestnite snímače teploty do motora alebo do blízkosti vinutí.

• Vyhnite sa dlhšej prevádzke motora pri plnom zaťažení v prostredí s vysokou teplotou.

4. Riadiaci prúd a trvanie preťaženia

Obmedzte špičkový prúd a trvanie prostredníctvom pohonu, aby ste sa vyhli dlhodobému preťaženiu. Pri aplikáciách vyžadujúcich trvalý prídržný moment zvážte zníženie prídržného prúdu alebo použitie mechanických bŕzd ako pomoci.

5. Vyhnite sa kombinácii 'blok + vysoký prúd'.

Počas zastavenia je spätné EMF nulové a všetok prúd sa premení na teplo – toto je jeden z najrizikovejších scenárov demagnetizácie. Konštrukcia systému by sa mala vyhnúť dlhodobému zastaveniu alebo implementovať ochranu pred prerušením.

6. Pravidelne monitorujte stav motora

Monitorovaním parametrov, ako je konštanta spätného EMF, prúd naprázdno a nárast teploty, môžete nepriamo určiť, či došlo k demagnetizácii. Špičkové systémy môžu zahŕňať online odhad stavu na základe modelu.

VI. Zhrnutie

Vysokoteplotná demagnetizácia magnetov v bezrámových momentových motoroch je 'neviditeľné, ale smrteľné' riziko. Nie je to také zrejmé ako zlomený hriadeľ alebo spálené vinutia, ale kradmo oberá motor o krútiaci moment a presnosť.

Pri aplikáciách, ako je robotika, CNC otočné stoly a kĺby s priamym pohonom,  môže investovanie o niečo viac na vysokoteplotné magnety počas výberu, ponechanie dodatočnej tepelnej rezervy v dizajne a pridanie ďalšej ochrany proti preťaženiu v kontrole  často zabrániť výraznému zhoršeniu výkonu a problémom po predaji.