Підвищення температури та розмагнічування безкаркасних моментних двигунів

1. Контраінтуїтивний феномен: чому повільніше небезпечніше?

Для багатьох інженерів інтуїція полягає в тому, що чим швидше працює двигун, тим сильніше він нагрівається. Але в світі безкаркасних моментних двигунів , ця логіка прямо протилежна.

Безкаркасний моментний двигун не має ні корпусу, ні підшипників, ні вихідного вала. По суті, це силове ядро, що складається з 'голого ротора + статора', вбудованого безпосередньо в механічну структуру. Він упакований у надзвичайно вузькі порожнини, такі як з’єднання роботів, спільні руки роботів і поворотні столи з прямим приводом, де умови розсіювання тепла набагато гірші, ніж у звичайних двигунів у корпусі. І його найпоширеніший сценарій роботи — низькошвидкісне утримування шарнірів і високий крутний момент — це саме той робочий стан, який, швидше за все, «приготує» магніти.

Причина проста: на низькій швидкості зворотна ЕРС дуже низька, тому привод повинен постійно видавати великий струм, щоб підтримувати крутний момент. Втрати міді пропорційні квадрату струму, і все це тепло накопичується в обмотках статора, тоді як магніти на роторі майже не мають прямого шляху розсіювання тепла. У результаті чим нижча швидкість, тим гарячіші магніти. Під час 5-кілометрового безперервного випробування робота-гуманоїда температура з’єднання досягла 80°C, що вже наближається до високотемпературної межі руйнування більшості мастил.

Підвищення температури – не поодинока проблема. Це одночасно загрожує ізоляції обмотки (прискорене старіння), мастилу підшипників (погіршення продуктивності) і, що найбільш критично, самим постійним магнітам. Як тільки відбувається незворотне розмагнічування, крутний момент двигуна постійно знижується.

2. Два обличчя розмагнічування: одне, яке 'повертається', інше, яке ніколи не повернеться

NdFeB (неодимове залізо-бор) наразі є основним магнітним матеріалом для безкаркасних моментних двигунів. Його температура Кюрі становить близько 310–370°C, що виглядає далеко від робочого діапазону двигуна. Але те, що насправді визначає, як довго можна використовувати магніт, — це не температура Кюрі, а температурний коефіцієнт коерцитивної сили — зазвичай від -0,55%/°C до -0,65%/°C.

Значення цього коефіцієнта полягає в тому, що з кожним підвищенням температури на 1°C здатність магніту протистояти зовнішньому розмагнічувальному полю падає на 0,55% до 0,65%. Від 20°C до 80°C коерцитивна сила вже втратила приблизно 36%. При 100°C втрати становлять близько половини. Коли коерцитивна сила падає нижче поля розмагнічування, створеного реакцією якоря, вирівнювання магнітного домену остаточно пошкоджується.

Розмагнічування ділиться на дві категорії:

Оборотне розмагнічування  є 'хибною тривогою'. Коли температура підвищується, магнітна сила зменшується; коли температура падає, вона відновлюється. Двигун демонструє 'вищий струм, коли гарячий, відновлення, коли холодний'. Здається, добре, але насправді він уже коливається на критичному краю.

Необоротне розмагнічування  - справжня біда. Коли температура перевищує температуру, яку може витримати магніт, або якщо при високій температурі накладається достатньо сильне зворотне магнітне поле, частина вирівнювання магнітного домену остаточно пошкоджується, і магнітна сила не може повністю відновитися навіть після повернення температури до нормального значення.

Необоротне розмагнічування має також «часткову» і «загальну» форми. Часткове розмагнічування часто починається в кутах магніту — вихрові струми концентруються в кутах, де в першу чергу порушується критична температура. Це проявляється у вигляді падіння постійної KE зворотної ЕРС на 3–5 %; при тій самій швидкості для підтримки крутного моменту потрібен більший струм, температура підвищується далі, і утворюється порочне коло. Загальне розмагнічування є наслідком перевищення температури всієї машини понад 120°C протягом тривалого часу, із падінням KE більш ніж на 10%. Двигун повинен 'додати 10% газу', щоб виконати ту саму роботу, увійшовши в 'тепломагнітну' спіраль смерті позитивного зворотного зв'язку.

Для часто використовуваних магнітів NdFeB критична температура для необоротного розмагнічування зазвичай становить від 80 °C до 150 °C, залежно від класу магніту. Високотемпературні сорти можуть підвищити поріг до 150 °C або навіть вище, але ціна є компромісом між магнітними характеристиками та ціною.

3. Звідки береться тепло і де воно затримується?

Джерела тепла безкаркасних моментних двигунів складніші, ніж у звичайних двигунів, і їх можна приблизно згрупувати в чотири категорії:

Втрата міді  є найосновнішою. Втрати I⊃2;R, створені опором обмотки під дією постійного струму, пропорційні квадрату струму. Проблема полягає в тому, що в гонитві за високою щільністю крутного моменту в безкаркасних двигунах часто використовуються конструкції з високим коефіцієнтом заповнення щілин і тонким дротом, тому сам опір обмотки є відносно великим. Навіть невеликий струм виробляє значну базову теплоту та формує позитивну петлю зворотного зв’язку «нагрівання → збільшення опору → більше нагрівання».

Втрати заліза  особливо помітні в конструкціях з високим числом полюсів. Зазвичай використовувані конструкції з 16–32 полюсами в безкаркасних моментних двигунах роблять частоту змінного магнітного поля набагато вищою, ніж у звичайних серводвигунів. Навіть при низькій швидкості та відсутності навантаження втрати на гістерезис і вихрові струми в залізному сердечнику вже значні.

Втрати на вихрові струми ротора  є прихованим джерелом тепла, яке легко не помітити. Зубчастий ефект статора та несучі гармоніки ШІМ викликають вихрові струми на поверхні магнітів ротора. Це тепло генерується безпосередньо всередині магнітів і майже не має шляху для виведення назовні.

Додаткові втрати, внесені стратегією контролю,  є найбільш прихованою категорією. Помилка орієнтації поля FOC, безперервна активація високочастотної інжекції з нульовою швидкістю та безперервні коригувальні струми, спричинені неправильними параметрами ПІД, — ці «невидимі струми» постійно створюють втрати міді навіть за умов холостого ходу, що є основною причиною того, що багато інженерів вважають, що «він також гарячий без навантаження».

Після накладання цих чотирьох теплових шляхів фактична температура магніту зазвичай на 8–12 °C вища за температуру поверхні корпусу. Коли ви показуєте 70°C на поверхні корпусу за допомогою інфрачервоного термометра, магніти цілком можуть наступити на червону лінію 80°C.

4. Три жорсткі лінії у виборі

Коли механізм підвищення температури зрозумілий, стає зрозумілою логіка відбору. Вибір температури для безкаркасних моментних двигунів можна підсумувати трьома жорсткими лініями, що відповідають трьом різним рівням захисту.

Перший рядок: клас магніту визначає 'підсумок'

Магніти NdFeB поділяються на кілька рівнів класу відповідно до внутрішньої коерцитивної сили, при цьому термостійкість зростає крок за кроком:

Серія N є стандартним класом, придатним для застосування при кімнатній температурі, з термостійкістю близько 80°C. Серія H витримує 120°C, серія SH 150°C, а серія UH 180°C. Від N до UH додають важкі рідкоземельні елементи Dy і Tb, щоб покращити температурний коефіцієнт коерцитивної сили, але вартість також зростає в 1,5-3 рази.

Для типових застосувань безкаркасного моментного двигуна — з’єднань роботів і спільних рук роботів — рекомендованою початковою точкою є клас SH або вище . Причина в тому, що безкаркасні двигуни за своєю природою мають суворі умови розсіювання тепла, і «прихована різниця» між робочою температурою магніту та температурою корпусу може досягати 15°C. Серія N може виглядати достатньою на папері, але в реальній роботі вона може легко переступити межу. Наприклад, двигун колінного суглоба гуманоїдного робота першого покоління не підтвердив розмагнічування в умовах зупинки. Після повторних падінь магніти зазнали необоротного розмагнічування, а вихідний крутний момент остаточно впав більш ніж на 15%.

Другий рядок: клас ізоляції визначає 'стелю'

Клас ізоляції обмоток є ще одним температурним обмеженням, і він часто досягає своєї межі раніше, ніж магніти. Ізоляція класу F має номінальну температуру 155°C, що наразі є основною конфігурацією для безкаркасних моментних двигунів. Ізоляція класу B (130°C) з’являється в деяких недорогих продуктах або виробах з надзвичайно обмеженим простором.

Існує тепловий зв’язок між температурою магніту та температурою обмотки: тепло обмотки проходить через сердечник статора до ротора та, зрештою, впливає на магніти. Таким чином, межа ізоляції обмотки в 155 °C фактично встановлює непряму межу для температури магніту. Логіка технічної перевірки полягає в тому, що в тепловому стаціонарному стані температура обмотки не повинна перевищувати межу класу ізоляції, тоді як температура магніту не повинна перевищувати критичну температуру розмагнічування — остання зазвичай стає вузьким місцем раніше.

У промисловій практиці максимальна безперервна робоча температура магнітів NdFeB SH зазвичай встановлюється на рівні 120°C. Вище цього значення двигун починає входити в діапазон ризику розмагнічування.

Третій рядок: обмеження струму визначає 'динамічну межу'

На додаток до стаціонарної температури існує ще один динамічний фактор, який часто не враховується:  ризик розмагнічування під час пікового струму.

Моментні двигуни мають максимальний крутний момент і момент зупинки. Піковий крутний момент — це пусковий крутний момент протягом короткого часу, який зазвичай триває лише 10–15 секунд; крутний момент зупинки - це значення, яке може виводитися безперервно. Коли піковий струм занадто великий, поле розмагнічування, створене реакцією якоря, може безпосередньо викликати незворотне розмагнічування в умовах високої температури.

Максимальний струм моментного двигуна з прямим приводом, обмежений розмагнічуванням постійним магнітом, є його 'граничною точкою розмагнічування'. У деяких продуктах після використання високопродуктивних магнітів крутний момент обмежується лише максимальним підвищенням температури, а піковий крутний момент може бути значно збільшений. Але якщо клас магніту недостатній, першим спрацьовуючим обмеженням стає розмагнічування.

Під час вибору необхідно перевірити не тільки підвищення температури під дією постійного струму, але й те, чи перевищує струм при зупинці та перехідних умовах перевантаження межу розмагнічування магніту при цій температурі. Ця межа зазвичай визначається кривою розмагнічування постачальника магніту і повинна визначатися в поєднанні з розрахунками реакції якоря в конструкції двигуна.

5. Інженерні підходи до охолодження

Суть регулювання підвищення температури полягає у встановленні балансу між тепловиділенням і тепловіддачею. Для безкаркасних моментних двигунів існує кілька зрілих інженерних шляхів.

На даний момент заливка  є найбільш поширеним засобом посилення тепловіддачі. TQ Robodrive використовує технологію герметизації та заливки епоксидною смолою, а Kinco запровадив безкаркасний процес заливки. Основна логіка обох полягає в тому, щоб заповнити внутрішні зазори двигуна заливним матеріалом з високою теплопровідністю, щоб тепло обмотки швидше передавалося до сердечника статора та монтажного фланця. Теплопровідність заливного матеріалу може досягати 1,4–1,6 Вт/мК, що набагато вище, ніж у повітря.

Канали водяного охолодження  підходять для компактних з'єднань та інших сценаріїв з високою щільністю теплового потоку. Гвинтові канали врізані в гільзу або корпус статора, і через них пропускається охолоджуюча рідина, яка може безпосередньо знизити підвищення температури на 40–60°C. Вартість - це підвищена складність системи та вимоги до герметизації.

Оптимізація стратегії керування  — це шлях без витрат на обладнання. Повторне калібрування нульової точки магнітного полюсу, оптимізація параметрів PID, керування високочастотною інжекцією з нульовою швидкістю та ввімкнення контролю мінімального струму можуть зменшити статичний струм утримання на 50–80% без зміни апаратного забезпечення. Для систем, які вже мають проблеми з опаленням без навантаження, оптимізація керування часто дає більш швидкі результати, ніж додавання заходів щодо розсіювання тепла.

Вбудовані температурні датчики  є найголовнішим фактором безпеки. NTC (100k) і PT1000 наразі є стандартними конфігураціями вимірювання температури для безкаркасних моментних двигунів, що відстежують температуру обмотки в режимі реального часу та запускають зниження номінальних параметрів або захист при наближенні до межі. Але зауважте, що датчик вимірює температуру обмотки, а не температуру магніту — різниця між ними залежить від конструктивної якості шляху розсіювання тепла, і під час вибору необхідно залишити достатній запас безпеки.

Висновок

Вибір температури для безкаркасних моментних двигунів — це, по суті, баланс між трьома обмеженнями: клас магніту визначає, наскільки високу температуру ви можете витримати, клас ізоляції визначає стелю обмотки, а обмеження струму визначає межу динамічних робочих умов. Три лінії пов’язані одна з одною, і якщо будь-яка з них порушується, це може викликати ланцюгову реакцію від розмагнічування до вигорання.

Найбільш прагматичний підхід такий:  на етапі вибору припустіть найсуворіші умови розсіювання тепла , підвищте один клас магніту, залиште достатній запас підвищення температури та зробіть перевірку розмагнічування в умовах зупинки та перевантаження обов’язковим пунктом. Зрештою, розмагнічування незворотне — воно не дасть вам другого шансу.