„Високотемпературни убица“ мотора обртног момента без оквира: Колико је озбиљан ризик од демагнетизације магнета?

У сценаријима контроле покрета високих перформанси као што су зглобови робота, колаборативне роботске руке и ротирајући столови са директним погоном, мотори обртног момента без оквира постају све чешћи. Они немају кућиште, немају лежајеве — у суштини језгро снаге „голи ротор + статор“ које је уграђено директно у механичку структуру, пружајући високу густину обртног момента, велику крутост и компактан отисак.

Међутим, многи инжењери занемарују потенцијални ризик током избора и употребе:  неповратна демагнетизација трајних магнета на високим температурама . Једном када дође до демагнетизације, мотор доживљава пад обртног момента, појачано загревање и чак може да остави цео зглоб „слабим“.

И. Шта су магнети у мотору обртног момента без оквира?

Мотори обртног момента без оквира су типично синхрони мотори са трајним магнетима, са трајним магнетима високих перформанси — који се обично називају „магнети“ — постављеним на или унутар површине ротора.

Главни магнетни материјал који се данас користи је  неодимијум-гвожђе-бор (НдФеБ) , због својих изузетних магнетних перформанси, способног да генерише висок флукс ваздушног зазора у веома малој запремини—идеално за моторе обртног момента без оквира који захтевају изузетно високу густину обртног момента.

Али НдФеБ има инхерентну слабост:  релативно слабу отпорност на топлоту.

ИИ. Како долази до високотемпературне демагнетизације?

Магнетизам трајних магнета није заиста „трајан“. Када температура порасте на одређени ниво, поравнање магнетних домена унутар магнета постаје нестабилно, а магнетна снага постепено опада.

Демагнетизација је подељена на два типа:

1. Реверзибилна демагнетизација

Магнетна снага се привремено смањује како температура расте, али се опоравља када температура пада. Овај тип је већ узет у обзир у дизајну мотора и обично није проблем све док се границе не прекораче.

2. Неповратна демагнетизација

Ако температура премашује границу толеранције магнета, или ако се на високим температурама примени јако демагнетизирајуће поље, неки магнетни домени су трајно поремећени, а магнетизам се не може у потпуности опоравити чак ни након што се температура врати у нормалу. Ово је  трајна демагнетизација  која нас највише брине.

За обичне НдФеБ магнете, критична температура за неповратну демагнетизацију је типично између  80°Ц и 150°Ц , у зависности од класе магнета. Код мотора обртног момента без оквира, због њихове компактне структуре и лошег одвођења топлоте, локалне температуре могу лако да пређу овај опсег током рада.

ИИИ. Зашто су мотори обртног момента без оквира подложнији демагнетизацији при високим температурама?

У поређењу са традиционалним смештеним моторима, мотори обртног момента без оквира имају неколико „замки високе температуре“:

1. Компактна структура, лоши путеви одвођења топлоте

Мотори без оквира су уграђени директно у механичку структуру, са ограниченом површином контакта између статора и кућишта, што отежава одвођење топлоте. Многи роботски зглобови имају затворене просторе и ослањају се само на природну конвекцију или једноставну топлотну проводљивост, што доводи до пораста унутрашњих температура.

2. Велика густина обртног момента значи велику густину струје

За испоруку великог обртног момента у оквиру ограничене запремине, мотори обртног момента без оквира често раде при високим густинама струје. Губици бакра су пропорционални квадрату струје, стварајући значајну топлоту.

3. Чести услови преоптерећења

Током покретања, заустављања у нужди, заштите од судара и сценарија држања оптерећења, струје мотора могу тренутно достићи 2-3 пута већу од номиналне вредности, узрокујући брз пораст температуре.

4. Магнети су директно изложени оближњим изворима топлоте

Магнети ротора су у непосредној близини намотаја статора. Топлота из статора се емитује и спроводи преко ваздушног зазора до ротора, а температура магнета се може приближити или чак премашити температуру намотаја.

ИВ. Последице високотемпературне демагнетизације

Једном када дође до неповратне демагнетизације, мотор показује низ проблема:

•  Константа обртног момента се смањује : За исту струју, излазни обртни момент опада.

• Повратни ЕМФ се смањује : Карактеристична крива мотора се мења, смањујући тачност контроле.

• Струја се даље повећава да би се одржао обртни момент : што доводи до већег загревања—зачарани круг.

• Ефикасност система опада : већа потрошња енергије, погоршање трајања батерије или укупна потрошња енергије.

• Крутост зглоба слаби : Код робота, утиче на прецизност позиционирања и носивост.

Оно што погоршава је то што је ова деградација постепена и неповратна. Корисници могу само да примете да „мотор постаје мање моћан“ током времена, а да не могу да идентификују очигледну грешку.

В. Како смањити ризик од магнетне високотемпературне демагнетизације?

Добра вест је да се кроз правилан избор, дизајн и стратегије контроле ризик може значајно ублажити.

1. Бирајте магнете са вишим температурним разредима

НдФеБ магнети долазе у различитим температурним разредима, обично Н, М, Х, СХ, УХ, ЕХ, итд. Што је слово даље у абецеди, већа је температурна способност. на пример:

•  Н серија: максимална радна температура 80°Ц

• Х серија: 120°Ц

• СХ серија: 150°Ц

•  УХ серија: 180°Ц

•  ЕХ серија: 200°Ц

За моторе обртног момента без оквира, посебно у применама роботских зглобова, препоручује се одабир најмање  СХ разреда или више , и где је могуће, УХ или ЕХ.

2. Обратите пажњу на 'криву демагнетизације' и тачку колена

Током пројектовања мотора, радна тачка магнета треба да буде далеко од 'тачке колена' на кривој демагнетизације. Под максималном радном температуром и максималном струјом демагнетизације, магнет би и даље требало да ради у безбедном региону. Приликом одабира, затражите од произвођача да пружи криве демагнетизације и податке симулације на различитим температурама.

3. Побољшајте управљање топлотом

• Користите термалну маст или термалне јастучиће између статора и кућишта.

• Дизајнирајте одговарајуће путеве за дисипацију топлоте, додајући принудно хлађење ваздуха или течности ако је потребно.

• Поставите температурне сензоре унутар мотора или близу намотаја.

• Избегавајте продужени рад мотора под пуним оптерећењем у окружењима са високим температурама.

4. Контрола струје и трајања преоптерећења

Ограничите вршну струју и трајање преко претварача да бисте избегли продужено преоптерећење. За апликације које захтевају одржив обртни момент, размислите о смањењу струје задржавања или коришћењу механичких кочница као помоћи.

5. Избегавајте комбинацију „застој + јака струја“.

Током застоја, повратни ЕМФ је нула, а сва струја се претвара у топлоту — ово је један од сценарија са највећим ризиком за демагнетизацију. Дизајн система треба да избегава продужене услове застоја или да примени заштиту од застоја.

6. Редовно пратите стање мотора

Праћењем параметара као што су повратна ЕМФ константа, струја празног хода и пораст температуре, можете индиректно утврдити да ли је дошло до демагнетизације. Врхунски системи могу да укључе онлајн процену стања засновану на моделу.

ВИ. Резиме

Високотемпературна демагнетизација магнета у моторима обртног момента без оквира је „невидљив, али смртоносан“ ризик. Није тако очигледно као сломљено вратило или изгорели намотаји, али крадомице одузима мотору обртни момент и прецизност.

За апликације као што су роботика, ЦНЦ ротациони столови и зглобови са директним погоном,  трошење мало више на магнете високе температуре током избора, остављајући додатну термичку маргину у дизајну и додавање још једне заштите од преоптерећења у контроли  често може спречити значајно смањење перформанси и проблеме након продаје.