Çerçevesiz Tork Motorlarının 'Yüksek Sıcaklık Suikastçısı': Mıknatısın Demanyetizasyon Riski Ne Kadar Ciddi?

Robot eklemleri, işbirlikçi robotik kollar ve doğrudan tahrikli döner tablalar gibi yüksek performanslı hareket kontrolü senaryolarında, çerçevesiz tork motorları giderek daha yaygın hale geliyor. Muhafazaları ve yatakları yoktur; esasen, doğrudan mekanik yapıya gömülü olan, yüksek tork yoğunluğu, yüksek sağlamlık ve kompakt ayak izi sağlayan bir 'çıplak rotor + stator' güç çekirdeği vardır.

Ancak birçok mühendis, seçim ve kullanım sırasında potansiyel bir riski gözden kaçırıyor:  kalıcı mıknatısların yüksek sıcaklıklarda geri döndürülemez demanyetizasyonu . Demanyetizasyon meydana geldiğinde, motor tork düşüşü yaşar, ısınma artar ve hatta tüm eklemi 'zayıf' bırakabilir.

I. Çerçevesiz tork motorundaki mıknatıslar nelerdir?

Çerçevesiz tork motorları, genellikle 'mıknatıslar' olarak adlandırılan yüksek performanslı sabit mıknatısların rotor yüzeyinin üzerine veya içine monte edildiği, tipik olarak sabit mıknatıslı senkron motorlardır.

Günümüzde kullanılan ana akım mıknatıs malzemesi  neodimyum-demir-bordur (NdFeB) , olağanüstü manyetik performansı nedeniyle çok küçük bir hacimde yüksek hava boşluğu akısı üretebilme kapasitesine sahiptir; son derece yüksek tork yoğunluğu gerektiren çerçevesiz tork motorları için idealdir.

Ancak NdFeB'nin doğal bir zayıflığı var:  nispeten zayıf ısı direnci.

II. Yüksek sıcaklıkta manyetikliğin giderilmesi nasıl gerçekleşir?

Kalıcı mıknatısların manyetizması gerçekte 'kalıcı' değildir. Sıcaklık belirli bir seviyeye yükseldiğinde, mıknatısın içindeki manyetik alanların hizalanması kararsız hale gelir ve manyetik güç giderek azalır.

Demanyetizasyon iki türe ayrılır:

1. Tersinir manyetiklik giderme

Manyetik kuvvet, sıcaklık arttıkça geçici olarak azalır, ancak sıcaklık düştüğünde eski durumuna döner. Bu tip, motor tasarımında zaten hesaba katılmıştır ve sınırlar aşılmadığı sürece genellikle sorun teşkil etmez.

2. Geri dönüşü olmayan manyetiklik giderme

Sıcaklık mıknatısın tolerans sınırını aşarsa veya yüksek sıcaklıklarda güçlü bir manyetikliği giderici alan uygulanırsa, bazı manyetik alanlar kalıcı olarak bozulur ve sıcaklık normale döndükten sonra bile manyetizma tamamen düzelemez. Bu,  kalıcı manyetikliğin ortadan kaldırılmasıdır. en çok endişe duyduğumuz

Sıradan NdFeB mıknatıslar için, geri dönüşü olmayan demanyetizasyon için kritik sıcaklık arasındadır .  80°C ile 150°C , mıknatıs derecesine bağlı olarak tipik olarak Çerçevesiz tork motorlarında, kompakt yapıları ve zayıf ısı dağılımı nedeniyle, çalışma sırasında yerel sıcaklıklar bu aralığı kolaylıkla aşabilir.

III. Çerçevesiz tork motorları neden yüksek sıcaklıkta manyetikliğin giderilmesine daha duyarlıdır?

Geleneksel muhafazalı motorlarla karşılaştırıldığında, çerçevesiz tork motorlarında çeşitli 'yüksek sıcaklık tuzakları' bulunur:

1. Kompakt yapı, zayıf ısı dağıtım yolları

Çerçevesiz motorlar, stator ile mahfaza arasındaki sınırlı temas alanıyla doğrudan mekanik yapıya gömülü olduğundan ısı çıkışını zorlaştırır. Pek çok robotik eklemin kapalı alanları vardır ve yalnızca doğal konveksiyona veya basit ısı iletimine güvenerek iç sıcaklıkların yükselmesine neden olur.

2. Yüksek tork yoğunluğu, yüksek akım yoğunluğu anlamına gelir

Sınırlı bir hacimde yüksek tork sağlamak için çerçevesiz tork motorları genellikle yüksek akım yoğunluklarında çalışır. Bakır kayıpları akımın karesiyle orantılıdır ve önemli miktarda ısı üretir.

3. Sıklıkla aşırı yüklenme koşulları

Başlatma, acil durdurma, çarpışma koruma ve yük tutma senaryoları sırasında motor akımları anlık olarak nominal değerin 2-3 katına ulaşarak hızlı sıcaklık artışlarına neden olabilir.

4. Mıknatıslar doğrudan yakındaki ısı kaynaklarına maruz kalır

Rotor mıknatısları stator sargılarına çok yakındır. Statordan gelen ısı, hava boşluğu boyunca rotora yayılır ve iletilir ve mıknatıs sıcaklığı, sargı sıcaklığına yaklaşabilir veya hatta onu aşabilir.

IV. Yüksek sıcaklıkta manyetikliği gidermenin sonuçları

Geri dönüşü olmayan manyetiklik giderme meydana geldiğinde, motorda bir dizi sorun ortaya çıkar:

•  Tork sabiti azalır : Aynı akım için çıkış torku düşer.

• Geri EMF azalır : Motor karakteristik eğrisi değişir, kontrol doğruluğu azalır.

• Torku korumak için akım daha da artar : Daha fazla ısınmaya yol açar; bir kısır döngü.

• Sistem verimliliğinde düşüşler : Daha yüksek enerji tüketimi, kötüleşen pil ömrü veya genel güç tüketimi.

• Bağlantı sertliği zayıflar : Robotlar için konumlandırma doğruluğu ve yük kapasitesi etkilenir.

Daha da kötüsü, bu bozulmanın kademeli ve geri döndürülemez olmasıdır. Kullanıcılar bariz bir arızayı tespit edemeden yalnızca zamanla 'motorun daha az güçlü hissettiğini' fark edebilirler.

V. Mıknatısın yüksek sıcaklıkta manyetikliğini giderme riski nasıl azaltılır?

İyi haber şu ki, uygun seçim, tasarım ve kontrol stratejileri sayesinde risk önemli ölçüde azaltılabilir.

1. Daha yüksek sıcaklık derecelerine sahip mıknatısları seçin

NdFeB mıknatıslar farklı sıcaklık derecelerinde mevcuttur; genellikle N, M, H, SH, UH, EH, vb. Alfabedeki harf ne kadar uzaktaysa, sıcaklık kapasitesi de o kadar yüksek olur. Örneğin:

•  N serisi: maksimum çalışma sıcaklığı 80°C

• H serisi: 120°C

• SH serisi: 150°C

•  UH serisi: 180°C

•  EH serisi: 200°C

Özellikle robotik bağlantı uygulamalarında çerçevesiz tork motorları için en az seçilmesi önerilir . SH sınıfı veya daha yüksek bir değerin ve mümkün olduğunda UH veya EH'nin

2. 'Demanyetizasyon eğrisine' ve diz noktasına dikkat edin

Motor tasarımı sırasında mıknatıs çalışma noktası, manyetiklik giderme eğrisindeki 'diz noktasından' oldukça uzakta durmalıdır. Maksimum çalışma sıcaklığı ve maksimum manyetikliği giderme akımı altında mıknatıs hala güvenli bölgede çalışmalıdır. Seçim yaparken üreticiden manyetiklik giderme eğrileri ve farklı sıcaklıklardaki simülasyon verilerini sağlamasını isteyin.

3. Termal yönetimi geliştirin

• Stator ile mahfaza arasında termal gres veya termal pedler kullanın.

• Gerekirse basınçlı hava veya sıvı soğutma ekleyerek uygun ısı dağıtım yolları tasarlayın.

• Sıcaklık sensörlerini motorun içine veya sargıların yakınına yerleştirin.

• Yüksek sıcaklıktaki ortamlarda motorun uzun süre tam yükte çalıştırılmasından kaçının.

4. Akımı ve aşırı yük süresini kontrol edin

Uzun süreli aşırı yükü önlemek için sürücü üzerinden tepe akımı ve süreyi sınırlayın. Sürekli tutma torku gerektiren uygulamalar için tutma akımını azaltmayı veya mekanik frenleri yardım olarak kullanmayı düşünün.

5. 'Durma + Yüksek Akım' kombinasyonundan kaçının

Durma sırasında, geri EMF sıfırdır ve tüm akım ısıya dönüştürülür; bu, manyetikliğin giderilmesi için en yüksek risk senaryolarından biridir. Sistem tasarımı uzun süreli durma koşullarından kaçınmalı veya durma koruması uygulamalıdır.

6. Motorun durumunu düzenli olarak izleyin

Geri EMF sabiti, yüksüz akım ve sıcaklık artışı gibi parametreleri izleyerek, manyetikliğin ortadan kaldırılmasının gerçekleşip gerçekleşmediğini dolaylı olarak belirleyebilirsiniz. Üst düzey sistemler, model tabanlı çevrimiçi durum tahminini içerebilir.

VI. Özet

Çerçevesiz tork motorlarındaki mıknatısların yüksek sıcaklıkta manyetikliğinin giderilmesi 'görünmez ama ölümcül' bir risktir. Kırık bir şaft veya yanmış sargılar kadar belirgin değildir, ancak gizlice motorun torkunu ve hassasiyetini çalar.

Robotik, CNC döner tablalar ve doğrudan tahrikli bağlantılar gibi uygulamalar için,  seçim sırasında yüksek sıcaklık dereceli mıknatıslara biraz daha fazla harcama yapmak, tasarımda ekstra termal marj bırakmak ve kontrole bir aşırı yük koruması daha eklemek  çoğu zaman önemli performans düşüşlerini ve satış sonrası sorunları önleyebilir.