Çerçevesiz Tork Motorlarında Sıcaklık Artışı ve Demanyetizasyon

1. Mantık Dışı Bir Olgu: Yavaşlamak Neden Daha Tehlikelidir?

Birçok mühendis için sezgi, motor ne kadar hızlı çalışırsa o kadar ısınır. Ama dünyasında çerçevesiz tork motorlarında bu mantık tam tersidir.

Çerçevesiz tork motorunun mahfazası, yatağı ve çıkış mili yoktur. Esasen, doğrudan mekanik bir yapıya gömülü 'çıplak rotor + stator'dan oluşan bir güç çekirdeğidir. Isı dağıtım koşullarının geleneksel muhafazalı motorlardan çok daha kötü olduğu robot bağlantıları, işbirlikçi robot kolları ve doğrudan tahrikli döner tablalar gibi son derece sıkışık boşluklara yerleştirilmiştir. Ve en yaygın çalışma senaryosu (düşük hızlı bağlantı tutma ve yüksek tork çıkışı) tam olarak mıknatısları 'pişirme' olasılığı en yüksek olan çalışma koşuludur.

Bunun nedeni basit: Düşük hızda arka EMF çok düşüktür, dolayısıyla sürücünün torku korumak için sürekli olarak büyük bir akım vermesi gerekir. Bakır kaybı akımın karesiyle orantılıdır ve bu ısının tamamı stator sargılarında birikir, rotordaki mıknatısların ise neredeyse hiçbir doğrudan ısı dağıtım yolu yoktur. Sonuç olarak hız ne kadar düşük olursa mıknatıslar da o kadar sıcak olur. İnsansı bir robotun 5 km'lik sürekli yürüme testinde eklem sıcaklığı 80°C olarak ölçüldü ve halihazırda çoğu gresin yüksek sıcaklık arıza sınırına yaklaştı.

Sıcaklık artışı izole bir sorun değildir. Eş zamanlı olarak sargı yalıtımını (hızlandırılmış eskime), yatak yağlamasını (performans düşüşü) ve en önemlisi kalıcı mıknatısları tehdit eder. Geri dönüşü olmayan manyetiklik giderme meydana geldiğinde, motorun tork kapasitesi kalıcı olarak azalır.

2. Demanyetizasyon'un İki Yüzü: 'Geri Gelen' ve Asla Dönmeyecek Olan

NdFeB (neodimyum demir bor), şu anda çerçevesiz tork motorları için ana mıknatıs malzemesidir. Curie sıcaklığı yaklaşık 310–370°C'dir ve bu, motorun çalışma aralığından çok uzakta görünmektedir. Ancak bir mıknatısın ne kadar süreyle kullanılabileceğini gerçekten belirleyen şey Curie sıcaklığı değil, zorlayıcılığın sıcaklık katsayısıdır; tipik olarak -%0,55/°C ile -%0,65/°C arasındadır.

Bu katsayının anlamı, sıcaklıktaki her 1°C'lik artış için, mıknatısın harici manyetikliği giderme alanına karşı direnç gösterme yeteneğinin %0,55 ile %0,65 arasında azalmasıdır. 20°C'den 80°C'ye kadar zorlayıcılık halihazırda yaklaşık %36 oranında kayıp yaşadı. 100°C'de kayıp yarıya yakındır. Zorlayıcılık, armatür reaksiyonu tarafından oluşturulan manyetikliği giderici alanın altına düştüğünde, manyetik alan hizalaması kalıcı olarak hasar görür.

Demanyetizasyon iki kategoriye ayrılır:

Tersine çevrilebilir demanyetizasyon  bir 'yanlış alarmdır.' Sıcaklık yükseldiğinde manyetik kuvvet azalır; sıcaklık düştüğünde iyileşir. Motor 'sıcakken daha yüksek akım, soğukken ise toparlanma' sergiliyor. Bu iyi görünüyor, ancak gerçekte zaten kritik sınırda geziniyor.

Geri dönüşü olmayan manyetikliğin giderilmesi  asıl sorundur. Sıcaklık, mıknatısın dayanabileceği değeri aştığında veya yüksek sıcaklıkta yeterince güçlü bir ters manyetik alan uygulandığında, manyetik alan hizalamasının bir kısmı kalıcı olarak hasar görür ve sıcaklık normale döndükten sonra bile manyetik kuvvet tamamen iyileşemez.

Geri dönüşü olmayan demanyetizasyon da 'kısmi' ve 'genel' formlara sahiptir. Kısmi manyetikliğin giderilmesi genellikle mıknatısın köşelerinde başlar; girdap akımları, kritik sıcaklığın ilk önce ihlal edildiği köşelerde yoğunlaşır. Geri EMF sabiti KE'de %3–%5'lik bir düşüş olarak kendini gösterir; aynı hızda torku korumak için daha yüksek akım gerekir, sıcaklık daha da artar ve bir kısır döngü oluşur. Genel manyetikliğin giderilmesi, tüm makinenin uzun bir süre boyunca 120°C'yi aşmasının ve KE'nin %10'dan fazla düşmesinin sonucudur. Motorun aynı işi yapması için 'termal-manyetik' pozitif geri beslemeli ölüm sarmalına girerek '%10 gaz kelebeği eklemesi' gerekir.

Yaygın olarak kullanılan NdFeB mıknatıslar için, geri dönüşü olmayan demanyetizasyon için kritik sıcaklık, mıknatıs derecesine bağlı olarak genellikle 80°C ile 150°C arasındadır. Yüksek sıcaklık dereceleri eşiği 150°C'ye, hatta daha yükseğe zorlayabilir, ancak fiyat, manyetik performans ile maliyet arasında bir dengedir.

3. Isı Nereden Geliyor ve Nerede Sıkışıyor?

Çerçevesiz tork motorlarının ısı kaynakları geleneksel motorlardan daha karmaşıktır ve kabaca dört kategoriye ayrılabilir:

Bakır kaybı  en temel olanıdır. Sürekli akım altında sargı direncinin oluşturduğu I⊃2;R kaybı akımın karesiyle orantılıdır. Sorun şu ki, yüksek tork yoğunluğunun peşinde, çerçevesiz motorlar genellikle yüksek yarık doldurma faktörlü ve ince telli tasarımlar kullanıyor, dolayısıyla sargı direncinin kendisi nispeten büyük. Küçük bir akım bile önemli ölçüde temel ısı üretir ve 'ısıtma → direnç artışı → daha fazla ısınma' şeklinde pozitif bir geri besleme döngüsü oluşturur.

Demir kaybı  özellikle yüksek kutuplu tasarımlarda belirgindir. Çerçevesiz tork motorlarında yaygın olarak kullanılan 16-32 kutuplu tasarımlar, manyetik alan alternatif frekansını sıradan servo motorlardan çok daha yüksek hale getirir. Düşük hızda ve yüksüz durumda bile demir çekirdekteki histerezis ve girdap akımı kayıpları zaten dikkate değer düzeydedir.

Rotor girdap akımı kaybı,  kolayca gözden kaçan gizli bir ısı kaynağıdır. Stator vuruntu etkisi ve PWM taşıyıcı harmonikleri, rotor mıknatıslarının yüzeyinde girdap akımlarına neden olur. Bu ısı doğrudan mıknatısların içinde üretilir ve dışarıya doğru iletilmesi neredeyse imkansızdır.

Kontrol stratejisinin getirdiği ek kayıplar  en gizli kategoridir. FOC alan yönlendirme hatası, sıfır hızlı yüksek frekanslı enjeksiyonun sürekli aktivasyonu ve uygunsuz PID parametrelerinin neden olduğu sürekli düzeltici akımlar; bu 'görünmez akımlar', yüksüz koşullar altında bile sürekli olarak bakır kaybına neden olur; bu, birçok mühendisin 'yüksüz durumda da sıcak' olduğunu bulmasının temel nedenidir.

Bu dört ısı yolu üst üste bindirildikten sonra gerçek mıknatıs sıcaklığı genellikle muhafaza yüzey sıcaklığından 8–12°C daha yüksektir. Kızılötesi termometre ile gövde yüzeyinde 70°C değerini okuduğunuzda mıknatıslar 80°C kırmızı çizgisine gelmiş olabilir.

4. Seçimde Üç Sert Çizgi

Sıcaklık artış mekanizması anlaşıldığında seçimin mantığı da netlik kazanır. Çerçevesiz tork motorları için sıcaklık seçimi, üç farklı koruma hedefine karşılık gelen üç sabit çizgide özetlenebilir.

İlk satır: mıknatıs derecesi 'son noktayı' belirler

NdFeB mıknatıslar, sıcaklık direncinin adım adım artmasıyla birlikte, içsel zorlayıcılığa göre birden fazla derece seviyesine bölünmüştür:

N serisi, oda sıcaklığındaki uygulamalara uygun, yaklaşık 80°C sıcaklık direncine sahip standart kalitedir. H serisi 120°C'ye, SH serisi 150°C'ye ve UH serisi 180°C'ye dayanıklıdır. Zorlayıcılığın sıcaklık katsayısını iyileştirmek için N'den UH'ye kadar ağır nadir toprak elementleri Dy ve Tb eklenir, ancak maliyet de 1,5 ila 3 kat artar.

Tipik çerçevesiz tork motoru uygulamaları (robot bağlantıları ve işbirlikçi robot kolları) için SH sınıfı veya üstü önerilen başlangıç ​​noktasıdır . Bunun nedeni, çerçevesiz motorların doğası gereği sert ısı dağılımı koşullarına sahip olması ve mıknatıs çalışma sıcaklığı ile gövde sıcaklığı arasındaki 'gizli farkın' 15°C'ye ulaşabilmesidir. N serisi kağıt üzerinde yeterli görünebilir ancak fiili operasyonda çizgiyi kolaylıkla aşabilir. Örneğin insansı bir robotun birinci nesil diz eklemli motoru, durma koşulları altında manyetikliğin giderilmesini doğrulamadı. Tekrarlanan düşme darbelerinin ardından mıknatıslar geri dönüşü olmayan manyetiklik kaybı yaşadı ve çıkış torku kalıcı olarak %15'ten fazla düştü.

İkinci satır: yalıtım sınıfı 'tavanı' belirler

Sargı yalıtım sınıfı başka bir sıcaklık sınırlamasıdır ve genellikle sınırına mıknatıslardan daha erken ulaşır. F Sınıfı izolasyon, şu anda çerçevesiz tork motorları için ana konfigürasyon olan 155°C'lik bir nominal sıcaklığa sahiptir. B Sınıfı yalıtım (130°C), maliyet açısından hassas veya yer sıkıntısı olan bazı ürünlerde görülür.

Mıknatıs sıcaklığı ile sargı sıcaklığı arasında termal bağlantı vardır: sargı ısısı stator çekirdeğinden rotora iletilir ve sonuçta mıknatısları etkiler. Bu nedenle 155°C sargı yalıtım sınırı aslında mıknatıs sıcaklığı için de dolaylı bir tavan belirler. Mühendislik doğrulama mantığı, termal kararlı durum altında sargı sıcaklığının yalıtım sınıfı sınırını aşmaması gerektiği, mıknatıs sıcaklığının ise manyetiklik giderme kritik sıcaklığını aşmaması gerektiği şeklindedir; ikincisi genellikle daha erken darboğaz haline gelir.

Endüstri uygulamalarında NdFeB SH sınıfı mıknatısların maksimum sürekli çalışma sıcaklığı genellikle 120°C'ye ayarlanır. Bu değerin üzerinde motor demanyetizasyon risk aralığına girmeye başlar.

Üçüncü satır: Akım sınırı 'dinamik sınırı' belirler

Kararlı durum sıcaklığına ek olarak sıklıkla gözden kaçırılan başka bir dinamik faktör daha vardır:  Tepe akımı altında manyetikliğin giderilmesi riski.

Tork motorlarının tepe torku ve durma torku vardır. Tepe torku kısa süreli başlangıç ​​torkudur ve genellikle yalnızca 10-15 saniye sürer; durma torku sürekli olarak çıkabilen değerdir. Tepe akımı çok büyük olduğunda, armatür reaksiyonu tarafından oluşturulan manyetikliği giderme alanı, yüksek sıcaklık koşulları altında doğrudan geri dönüşü olmayan manyetikliği gidermeyi tetikleyebilir.

Kalıcı mıknatıslı mıknatıslığın giderilmesiyle sınırlanan doğrudan tahrikli tork motorunun maksimum akımı, onun 'manyetizasyon giderme sınır noktasıdır.' Bazı ürünlerde, yüksek performanslı mıknatıslar kullanıldıktan sonra tork yalnızca maksimum sıcaklık artışıyla sınırlanır ve tepe torku büyük ölçüde artırılabilir. Ancak mıknatıs derecesi yetersizse, tetiklenen ilk kısıtlama, mıknatıslığın giderilmesi olur.

Seçim sırasında, yalnızca sürekli akım altında sıcaklık artışının doğrulanması değil, aynı zamanda durma ve geçici aşırı yük koşulları altında akımın o sıcaklıkta mıknatısın manyetiklik giderme sınırını aşıp aşmadığının da doğrulanması gerekir. Bu sınır genellikle mıknatıs tedarikçisinin manyetiklik giderme eğrisi tarafından verilir ve motor tasarımındaki armatür reaksiyon hesaplamaları ile birlikte belirlenmelidir.

5. Soğutmaya Mühendislik Yaklaşımları

Sıcaklık artışı kontrolünün özü, ısı üretimi ve ısının uzaklaştırılması arasında bir denge kurmaktır. Çerçevesiz tork motorları için çeşitli olgun mühendislik yolları vardır.

Saksılama  şu anda ısı dağılımını arttırmanın en yaygın yoludur. TQ Robodrive, epoksi kapsülleme ve saksılama teknolojisini kullanıyor ve Kinco, çerçevesiz saksılama sürecine öncülük etti. Her ikisinin de temel mantığı, motorun iç boşluklarını yüksek ısı iletkenliğine sahip dolgu malzemesiyle doldurmaktır, böylece sargı ısısı stator çekirdeğine ve montaj flanşına daha hızlı iletilir. Saksı malzemesinin termal iletkenliği, havanınkinden çok daha yüksek olan 1,4–1,6 W/mK'ye ulaşabilir.

Su soğutma kanalları,  kompakt derzler ve yüksek ısı akısı yoğunluğunun olduğu diğer senaryolar için uygundur. Stator manşonuna veya mahfazaya sarmal kanallar kesilir ve bunların içinden soğutucu geçirilir; bu, sıcaklık artışını doğrudan 40–60°C'ye kadar azaltabilir. Maliyet, artan sistem karmaşıklığı ve sızdırmazlık gereksinimleridir.

Kontrol stratejisi optimizasyonu  sıfır donanım maliyetli bir yoldur. Manyetik kutup sıfır noktasının yeniden kalibre edilmesi, PID parametrelerinin optimize edilmesi, sıfır hızlı yüksek frekanslı enjeksiyonun yönetilmesi ve minimum akım kontrolünün etkinleştirilmesi, donanımı değiştirmeden statik tutma akımını %50 ila %80 oranında azaltabilir. Halihazırda yüksüz ısıtma sorunları olan sistemler için, kontrol optimizasyonu genellikle ısı dağıtımı önlemlerinin eklenmesinden daha hızlı sonuçlar üretir.

Dahili sıcaklık sensörleri  güvenliğin en önemli unsurudur. NTC (100k) ve PT1000 şu anda çerçevesiz tork motorları için standart sıcaklık ölçüm konfigürasyonlarıdır; sargı sıcaklığını gerçek zamanlı olarak izler ve sınıra yaklaşıldığında değer kaybı veya korumayı tetikler. Ancak sensörün mıknatıs sıcaklığını değil sargı sıcaklığını ölçtüğünü unutmayın; ikisi arasındaki fark, ısı dağıtım yolunun tasarım kalitesine bağlıdır ve seçim sırasında yeterli güvenlik payı bırakılmalıdır.

Çözüm

Çerçevesiz tork motorları için sıcaklık seçimi esasen üç kısıtlama arasında bir dengeye dayanır: mıknatıs derecesi ne kadar yüksek bir sıcaklığa dayanabileceğinizi belirler, yalıtım sınıfı sargı tavanını tanımlar ve akım sınırı dinamik çalışma koşullarının sınırını tanımlar. Üç hat birbirine bağlı ve herhangi biri ihlal edilirse, manyetikliğin giderilmesinden tükenmeye kadar zincirleme bir reaksiyonu tetikleyebilir.

En pragmatik yaklaşım şudur:  seçim aşamasında, en zorlu ısı dağılımı koşullarını varsayın , bir mıknatıs derecesi yükseltin, yeterli sıcaklık artış marjı bırakın ve durma ve aşırı yük koşulları altında manyetiklik giderme doğrulamasını zorunlu bir öğe haline getirin. Sonuçta mıknatıslığın giderilmesi geri döndürülemez; size ikinci bir şans vermeyecektir.