'Visokotemperaturni morilec' momentnih motorjev brez okvirja: Kako resno je tveganje razmagnetenja magneta?

V scenarijih visoko zmogljivega nadzora gibanja, kot so robotski sklepi, sodelujoče robotske roke in rotacijske mize z neposrednim pogonom, momentni motorji brez okvirja postajajo vse pogostejši. Nimajo ohišja, nimajo ležajev – v bistvu je močnostno jedro 'goli rotor + stator', ki je vdelano neposredno v mehansko strukturo, kar zagotavlja visoko gostoto navora, visoko togost in kompakten odtis.

Vendar mnogi inženirji med izbiro in uporabo spregledajo potencialno tveganje:  nepovratno razmagnetenje trajnih magnetov pri visokih temperaturah . Ko pride do razmagnetenja, pride do padca navora motorja, povečanega segrevanja in lahko celo pusti celoten spoj 'šibak'.

I. Kaj so magneti v momentnem motorju brez okvirja?

Momentni motorji brez okvirja so običajno sinhroni motorji s trajnimi magneti, z visoko zmogljivimi trajnimi magneti, ki jih običajno imenujemo 'magneti', nameščenimi na ali znotraj površine rotorja.

Glavni magnetni material, ki se danes uporablja, je  neodim-železo-bor (NdFeB) zaradi svoje izjemne magnetne zmogljivosti, ki je sposoben ustvariti velik pretok zračne reže v zelo majhni prostornini – idealno za momentne motorje brez okvirja, ki zahtevajo izjemno visoko gostoto navora.

Toda NdFeB ima prirojeno slabost:  razmeroma slabo toplotno odpornost.

II. Kako pride do razmagnetenja pri visoki temperaturi?

Magnetizem trajnih magnetov ni resnično 'trajen'. Ko temperatura naraste na določeno raven, postane poravnava magnetnih domen znotraj magneta nestabilna in magnetna moč se postopoma zmanjšuje.

Demagnetizacija je razdeljena na dve vrsti:

1. Reverzibilna demagnetizacija

Magnetna moč se začasno zmanjša, ko se temperatura dvigne, vendar se obnovi, ko temperatura pade. Ta tip je že upoštevan pri načrtovanju motorja in običajno ni problem, dokler niso presežene meje.

2. Ireverzibilna demagnetizacija

Če temperatura preseže tolerančno mejo magneta ali če se pri visokih temperaturah uporabi močno razmagnetno polje, so nekatere magnetne domene trajno motene in magnetizem se ne more popolnoma obnoviti, niti ko se temperatura vrne na normalno. To je  trajna demagnetizacija,  ki nas najbolj skrbi.

Za običajne magnete NdFeB je kritična temperatura za nepovratno razmagnetenje običajno med  80 °C in 150 °C , odvisno od razreda magneta. Pri momentnih motorjih brez okvirja lahko zaradi njihove kompaktne strukture in slabega odvajanja toplote lokalne temperature med delovanjem zlahka presežejo to območje.

III. Zakaj so momentni motorji brez okvirja bolj dovzetni za visokotemperaturno razmagnetenje?

V primerjavi s tradicionalnimi motorji v ohišju imajo momentni motorji brez okvirja več 'visokotemperaturnih pasti':

1. Kompaktna struktura, slabe poti odvajanja toplote

Motorji brez okvirja so vgrajeni neposredno v mehansko strukturo, z omejeno kontaktno površino med statorjem in ohišjem, kar otežuje odvajanje toplote. Številni robotski sklepi imajo zaprte prostore in so odvisni samo od naravne konvekcije ali preprostega toplotnega prevoda, zaradi česar se notranje temperature dvignejo.

2. Visoka gostota navora pomeni visoko gostoto toka

Za zagotavljanje visokega navora v omejenem obsegu momentni motorji brez okvirja pogosto delujejo pri visokih gostotah toka. Izgube bakra so sorazmerne s kvadratom toka, kar ustvarja znatno toploto.

3. Pogoste preobremenitve

Med zagonom, zaustavitvijo v sili, zaščito pred trkom in scenariji zadrževanja obremenitve lahko tokovi motorja v trenutku dosežejo 2–3-kratno nazivno vrednost, kar povzroči hiter dvig temperature.

4. Magneti so neposredno izpostavljeni bližnjim virom toplote

Magneti rotorja so v neposredni bližini navitij statorja. Toplota iz statorja seva in vodi preko zračne reže do rotorja, temperatura magneta pa se lahko približa ali celo preseže temperaturo navitja.

IV. Posledice visokotemperaturnega razmagnetenja

Ko pride do ireverzibilne demagnetizacije, ima motor vrsto težav:

•  Konstanta navora se zmanjša : Pri enakem toku izhodni navor pade.

• Povratni EMF se zmanjša : krivulja motorja se spremeni, kar zmanjša natančnost krmiljenja.

• Tok se še poveča, da se ohrani navor : vodi do večjega segrevanja – začaran krog.

• Učinkovitost sistema se zmanjša : večja poraba energije, poslabšanje življenjske dobe baterije ali splošne porabe energije.

• Togost sklepov oslabi : pri robotih sta prizadeti tako natančnost pozicioniranja kot nosilnost.

Še huje pa je, da je ta degradacija postopna in nepopravljiva. Uporabniki lahko sčasoma le opazijo, da 'motor deluje manj zmogljiv', ne da bi lahko prepoznali očitno napako.

V. Kako zmanjšati tveganje razmagnetenja magneta zaradi visoke temperature?

Dobra novica je, da je mogoče s pravilno izbiro, načrtovanjem in strategijami nadzora tveganje znatno zmanjšati.

1. Izberite magnete z višjimi temperaturnimi razredi

Magneti NdFeB so na voljo v različnih temperaturnih razredih, običajno N, M, H, SH, UH, EH itd. Dlje kot je črka v abecedi, višja je temperaturna zmogljivost. Na primer:

•  Serija N: največja delovna temperatura 80°C

• Serija H: 120°C

• Serija SH: 150°C

•  Serija UH: 180°C

•  Serija EH: 200°C

Za momentne motorje brez okvirja, zlasti pri aplikacijah z robotskimi spoji, je priporočljivo izbrati vsaj  razred SH ali višji , in kjer je mogoče, UH ali EH.

2. Bodite pozorni na 'krivuljo razmagnetenja' in točko kolena

Med načrtovanjem motorja mora biti delovna točka magneta precej oddaljena od 'točke kolena' na krivulji razmagnetenja. Pod najvišjo delovno temperaturo in največjim razmagnetnim tokom mora magnet še vedno delovati v varnem območju. Pri izbiri prosite proizvajalca, da zagotovi krivulje razmagnetenja in simulacijske podatke pri različnih temperaturah.

3. Izboljšajte toplotno upravljanje

• Med statorjem in ohišjem uporabite toplotno pasto ali termične blazinice.

• Načrtujte ustrezne poti odvajanja toplote, po potrebi dodajte prisilno zračno ali tekočinsko hlajenje.

• Senzorje temperature postavite v notranjost motorja ali blizu navitij.

• Izogibajte se dolgotrajnemu delovanju motorja pri polni obremenitvi v okoljih z visoko temperaturo.

4. Kontrolni tok in trajanje preobremenitve

Omejite konični tok in trajanje prek pogona, da preprečite dolgotrajno preobremenitev. Pri aplikacijah, ki zahtevajo trajen zadrževalni moment, razmislite o zmanjšanju zadrževalnega toka ali uporabi mehanskih zavor kot pomoči.

5. Izogibajte se kombinaciji 'zastoj + visok tok'.

Med zastojem je povratni EMF enak nič in ves tok se pretvori v toploto – to je eden od scenarijev z največjim tveganjem za razmagnetenje. Zasnova sistema bi se morala izogibati dolgotrajnim zastojem ali uvesti zaščito pred zastojem.

6. Redno spremljajte stanje motorja

S spremljanjem parametrov, kot so konstanta povratnega elektromagnetnega polja, tok brez obremenitve in dvig temperature, lahko posredno ugotovite, ali je prišlo do razmagnetenja. Vrhunski sistemi lahko vključujejo spletno oceno stanja na podlagi modela.

VI. Povzetek

Visokotemperaturno razmagnetenje magnetov v momentnih motorjih brez okvirja je 'nevidno, a smrtonosno' tveganje. Ni tako očitno kot zlomljena gred ali ožgana navitja, vendar prikrito oropa motor navora in natančnosti.

Za aplikacije, kot so robotika, CNC rotacijske mize in spoji z neposrednim pogonom,  lahko med izbiro porabite malo več za visokotemperaturne magnete, pustite dodatno toplotno rezervo pri načrtovanju in dodate še eno zaščito pred preobremenitvijo pri nadzoru,  kar lahko pogosto prepreči znatno poslabšanje zmogljivosti in poprodajne težave.