'นักฆ่าที่อุณหภูมิสูง' ของมอเตอร์แรงบิดไร้เฟรม: ความเสี่ยงของการล้างอำนาจแม่เหล็กนั้นร้ายแรงแค่ไหน

ในสถานการณ์การควบคุมการเคลื่อนไหวที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น ข้อต่อหุ่นยนต์ แขนหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน และโต๊ะหมุนแบบขับเคลื่อนโดยตรง มอเตอร์แรงบิดแบบไร้กรอบกำลัง กลายเป็นเรื่องปกติมากขึ้น ไม่มีที่อยู่อาศัยหรือแบริ่ง โดยพื้นฐานแล้วคือแกนส่งกำลัง 'โรเตอร์เปล่า + สเตเตอร์' ที่ฝังอยู่ในโครงสร้างทางกลโดยตรง ให้แรงบิดที่มีความหนาแน่นสูง มีความแข็งแกร่งสูง และมีขนาดกะทัดรัด

อย่างไรก็ตาม วิศวกรจำนวนมากมองข้ามความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างการเลือกและการใช้งาน:  การล้างอำนาจแม่เหล็กถาวรของแม่เหล็กถาวรที่อุณหภูมิ สูง เมื่อการล้างอำนาจแม่เหล็กเกิดขึ้น มอเตอร์จะมีแรงบิดลดลง มีความร้อนเพิ่มขึ้น และอาจทำให้ข้อต่อทั้งหมด 'อ่อนแรง'

I. แม่เหล็กในมอเตอร์ทอร์คแบบไร้กรอบคืออะไร

โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์แรงบิดแบบไร้เฟรมจะเป็นมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร โดยมีแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูง—ที่เรียกกันทั่วไปว่า 'แม่เหล็ก' ซึ่งติดตั้งอยู่บนหรือภายในพื้นผิวโรเตอร์

วัสดุแม่เหล็กกระแสหลักที่ใช้ในปัจจุบันคือ  นีโอดิเมียม-เหล็ก-โบรอน (NdFeB) เนื่องจากมีประสิทธิภาพแม่เหล็กที่โดดเด่น สามารถสร้างฟลักซ์ช่องว่างอากาศสูงในปริมาณที่น้อยมาก เหมาะสำหรับมอเตอร์แรงบิดแบบไร้กรอบที่ต้องการความหนาแน่นแรงบิดสูงมาก

แต่ NdFeB มีจุดอ่อนโดยธรรมชาติ นั่นคือ  ทนความร้อนได้ค่อนข้างต่ำ.

ครั้งที่สอง การล้างอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงเกิดขึ้นได้อย่างไร?

พลังแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรนั้นไม่ใช่ 'ถาวร' อย่างแท้จริง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึงระดับหนึ่ง การจัดตำแหน่งของโดเมนแม่เหล็กภายในแม่เหล็กจะไม่เสถียร และความแรงของแม่เหล็กจะค่อยๆ ลดลง

การล้างอำนาจแม่เหล็กแบ่งออกเป็นสองประเภท:

1. การล้างอำนาจแม่เหล็กแบบพลิกกลับได้

ความแรงของแม่เหล็กจะลดลงชั่วคราวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น แต่จะฟื้นตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง ประเภทนี้มีอยู่ในการออกแบบมอเตอร์แล้ว และมักจะไม่เป็นปัญหาตราบเท่าที่ไม่เกินขีดจำกัด

2. การล้างอำนาจแม่เหล็กกลับไม่ได้

หากอุณหภูมิสูงเกินขีดจำกัดความทนทานของแม่เหล็ก หรือหากมีการใช้สนามล้างอำนาจแม่เหล็กแรงสูงที่อุณหภูมิสูง โดเมนแม่เหล็กบางส่วนจะหยุดชะงักอย่างถาวร และสนามแม่เหล็กจะไม่สามารถฟื้นตัวได้เต็มที่แม้ว่าอุณหภูมิจะกลับสู่ปกติแล้วก็ตาม นี่คือ  การล้างอำนาจแม่เหล็กถาวร  ที่เรากังวลมากที่สุด

สำหรับแม่เหล็ก NdFeB ธรรมดา อุณหภูมิวิกฤติสำหรับการล้างอำนาจแม่เหล็กแบบกลับไม่ได้โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง  80°C ถึง 150°C ขึ้นอยู่กับเกรดแม่เหล็ก ในมอเตอร์แรงบิดแบบไร้กรอบ เนื่องจากโครงสร้างที่กะทัดรัดและการกระจายความร้อนได้ไม่ดี อุณหภูมิในพื้นที่จึงอาจเกินช่วงนี้ระหว่างการทำงานได้อย่างง่ายดาย

ที่สาม เหตุใดมอเตอร์แรงบิดแบบไร้เฟรมจึงไวต่อการล้างอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงมากกว่า

เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์แบบเดิมๆ มอเตอร์ทอร์คแบบไร้กรอบจะมี 'กับดักอุณหภูมิสูง' อยู่หลายตัว:

1. โครงสร้างที่กะทัดรัด เส้นทางการกระจายความร้อนไม่ดี

มอเตอร์แบบไร้กรอบถูกฝังโดยตรงในโครงสร้างทางกล โดยมีพื้นที่สัมผัสที่จำกัดระหว่างสเตเตอร์และตัวเครื่อง ทำให้การดึงความร้อนทำได้ยาก ข้อต่อหุ่นยนต์จำนวนมากมีช่องว่างปิดล้อมและพึ่งพาเฉพาะการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือการนำความร้อนอย่างง่ายเท่านั้น ส่งผลให้อุณหภูมิภายในพุ่งสูงขึ้น

2. ความหนาแน่นของแรงบิดสูงหมายถึงความหนาแน่นกระแสสูง

เพื่อให้แรงบิดสูงภายในปริมาตรที่จำกัด มอเตอร์แรงบิดแบบไร้กรอบมักจะทำงานที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูง การสูญเสียทองแดงจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำให้เกิดความร้อนอย่างมาก

3. สภาวะการโอเวอร์โหลดบ่อยครั้ง

ในระหว่างสตาร์ท การหยุดฉุกเฉิน การป้องกันการชน และสถานการณ์การกักเก็บโหลด กระแสมอเตอร์อาจถึง 2-3 เท่าของค่าพิกัดชั่วขณะ ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

4. แม่เหล็กสัมผัสโดยตรงกับแหล่งความร้อนในบริเวณใกล้เคียง

แม่เหล็กของโรเตอร์อยู่ใกล้กับขดลวดสเตเตอร์ ความร้อนจากสเตเตอร์จะถูกแผ่กระจายและพาผ่านช่องว่างอากาศไปยังโรเตอร์ และอุณหภูมิของแม่เหล็กอาจเข้าใกล้หรือสูงกว่าอุณหภูมิของขดลวดด้วยซ้ำ

IV. ผลที่ตามมาของการล้างอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูง

เมื่อการล้างอำนาจแม่เหล็กแบบย้อนกลับไม่ได้เกิดขึ้น มอเตอร์จะแสดงปัญหาหลายประการ:

•  แรงบิดคงที่ลดลง : สำหรับกระแสเดียวกัน แรงบิดเอาท์พุตจะลดลง

• Back-EMF ลดลง : เส้นโค้งลักษณะเฉพาะของมอเตอร์เปลี่ยนแปลง ส่งผลให้ความแม่นยำในการควบคุมลดลง

• กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอีกเพื่อรักษาแรงบิด : ทำให้เกิดความร้อนมากขึ้น ซึ่งเป็นวงจรที่เลวร้าย

• ประสิทธิภาพของระบบลดลง : การใช้พลังงานที่สูงขึ้น อายุแบตเตอรี่ที่แย่ลง หรือการใช้พลังงานโดยรวม

• ความแข็งแกร่งของข้อต่อลดลง : สำหรับหุ่นยนต์ ทั้งความแม่นยำของตำแหน่งและความสามารถในการรับน้ำหนักจะได้รับผลกระทบ

สิ่งที่แย่กว่านั้นก็คือการย่อยสลายนี้เกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปและไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้ ผู้ใช้อาจสังเกตเห็นว่า 'มอเตอร์รู้สึกมีกำลังน้อยลง' เมื่อเวลาผ่านไป โดยไม่สามารถระบุข้อผิดพลาดที่ชัดเจนได้

V. จะลดความเสี่ยงของการล้างอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงของแม่เหล็กได้อย่างไร?

ข่าวดีก็คือด้วยการเลือก การออกแบบ และกลยุทธ์การควบคุมที่เหมาะสม ความเสี่ยงจะลดลงได้อย่างมาก

1. เลือกแม่เหล็กที่มีเกรดอุณหภูมิสูงกว่า

แม่เหล็ก NdFeB มีระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปคือ N, M, H, SH, UH, EH ฯลฯ ยิ่งตัวอักษรอยู่ไกลเท่าไร ความสามารถด้านอุณหภูมิก็จะสูงขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น:

•  ซีรี่ส์ N: อุณหภูมิใช้งานสูงสุด 80°C

• ซีรีส์ H: 120°C

• ซีรีย์ SH: 150°C

•  ซีรีส์ UH: 180°C

•  ซีรีส์ EH: 200°C

สำหรับมอเตอร์ทอร์คแบบไร้เฟรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานข้อต่อหุ่นยนต์ ขอแนะนำให้เลือก  เกรด SH หรือสูงกว่า และหากเป็นไปได้ ให้เลือก UH หรือ EH

2. ให้ความสนใจกับ 'เส้นโค้งการลดอำนาจแม่เหล็ก' และจุดเข่า

ในระหว่างการออกแบบมอเตอร์ จุดการทำงานของแม่เหล็กควรอยู่ห่างจาก 'จุดเข่า' บนเส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กอย่างดี ภายใต้อุณหภูมิการทำงานสูงสุดและกระแสล้างอำนาจแม่เหล็กสูงสุด แม่เหล็กควรยังคงทำงานในบริเวณที่ปลอดภัย เมื่อเลือก โปรดขอให้ผู้ผลิตจัดเตรียมกราฟการล้างอำนาจแม่เหล็กและข้อมูลการจำลองที่อุณหภูมิต่างๆ

3. ปรับปรุงการจัดการระบายความร้อน

• ใช้จาระบีระบายความร้อนหรือแผ่นระบายความร้อนระหว่างสเตเตอร์และตัวเรือน

• ออกแบบเส้นทางการกระจายความร้อนที่เหมาะสม โดยเพิ่มการบังคับอากาศหรือการระบายความร้อนด้วยของเหลวหากจำเป็น

• วางเซ็นเซอร์อุณหภูมิไว้ภายในมอเตอร์หรือใกล้ขดลวด

• หลีกเลี่ยงการทำงานเต็มโหลดของมอเตอร์เป็นเวลานานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

4. ควบคุมระยะเวลากระแสและโอเวอร์โหลด

จำกัดกระแสไฟสูงสุดและระยะเวลาผ่านทางไดรฟ์เพื่อหลีกเลี่ยงการโอเวอร์โหลดเป็นเวลานาน สำหรับการใช้งานที่ต้องการแรงบิดในการยึดต่อเนื่อง ให้พิจารณาลดกระแสการยึดหรือใช้เบรกเชิงกลเป็นตัวช่วย

5. หลีกเลี่ยงการใช้ 'แผงลอย + กระแสสูง' รวมกัน

ในระหว่างแผงลอย Back-EMF จะเป็นศูนย์ และกระแสไฟฟ้าทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นความร้อน นี่เป็นหนึ่งในสถานการณ์ที่มีความเสี่ยงสูงสุดสำหรับการล้างอำนาจแม่เหล็ก การออกแบบระบบควรหลีกเลี่ยงสภาวะแผงลอยที่ยืดเยื้อหรือใช้การป้องกันแผงลอย

6. ตรวจสอบสภาพมอเตอร์อย่างสม่ำเสมอ

ด้วยการตรวจสอบพารามิเตอร์ เช่น ค่าคงที่ back-EMF กระแสไฟไม่โหลด และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น คุณสามารถระบุได้โดยอ้อมว่ามีการล้างอำนาจแม่เหล็กหรือไม่ ระบบระดับไฮเอนด์สามารถรวมการประมาณค่าสถานะออนไลน์ตามแบบจำลองได้

วี. สรุป

การล้างอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงในมอเตอร์แรงบิดแบบไร้กรอบถือเป็นความเสี่ยง 'ที่มองไม่เห็นแต่เป็นอันตรายถึงชีวิต' มันไม่ชัดเจนเท่ากับเพลาหักหรือขดลวดที่ถูกไฟไหม้ แต่มันก็ขโมยแรงบิดและความแม่นยำของมอเตอร์ไปอย่างลับๆ

สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น หุ่นยนต์ โต๊ะหมุน CNC และข้อต่อแบบขับเคลื่อนโดยตรง  การใช้จ่ายเพิ่มขึ้นเล็กน้อยกับแม่เหล็กเกรดอุณหภูมิสูงในระหว่างการเลือก ทิ้งระยะขอบความร้อนเพิ่มเติมไว้ในการออกแบบ และการเพิ่มการป้องกันโอเวอร์โหลดอีกหนึ่งรายการในการควบคุม  มักจะสามารถป้องกันไม่ให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญและปัญหาหลังการขายที่ตามมา