'Високотемпературний вбивця' безкаркасних моментних двигунів: наскільки серйозним є ризик розмагнічування магніту?

У сценаріях високоефективного керування рухом, таких як суглоби роботів, спільні роботизовані руки та поворотні столи з прямим приводом, безрамні моментні двигуни стають все більш поширеними. Вони не мають ні корпусу, ні підшипників — це, по суті, силовий сердечник «голий ротор + статор», вбудований безпосередньо в механічну конструкцію, що забезпечує високий крутний момент, високу жорсткість і компактність.

Однак багато інженерів не звертають уваги на потенційний ризик під час вибору та використання:  незворотне розмагнічування постійних магнітів під час високих температур . Щойно відбувається розмагнічування, двигун відчуває падіння крутного моменту, посилене нагрівання та навіть може залишити весь шарнір «слабким».

I. Що таке магніти в безкаркасному моментному двигуні?

Безкаркасні моментні двигуни – це зазвичай синхронні двигуни з постійними магнітами з високопродуктивними постійними магнітами, які зазвичай називають «магнітами», встановленими на або всередині поверхні ротора.

Основним магнітним матеріалом, який сьогодні використовується, є  неодим-залізо-бор (NdFeB) , завдяки його винятковим магнітним характеристикам, здатним генерувати високий потік повітряного зазору в дуже малому об’ємі, що ідеально підходить для безкаркасних моментних двигунів, які потребують надзвичайно високої щільності крутного моменту.

Але NdFeB має властиву слабкість:  відносно низьку термостійкість.

II. Як відбувається високотемпературне розмагнічування?

Магнетизм постійних магнітів не є насправді «постійним». Коли температура підвищується до певного рівня, вирівнювання магнітних доменів усередині магніту стає нестабільним, і магнітна сила поступово зменшується.

Розмагнічування ділиться на два види:

1. Оборотне розмагнічування

Магнітна сила тимчасово зменшується з підвищенням температури, але відновлюється, коли температура падає. Цей тип уже врахований у конструкції двигуна і, як правило, не є проблемою, доки обмеження не перевищено.

2. Необоротне розмагнічування

Якщо температура перевищує межу допуску магніту або якщо за високих температур застосовано сильне поле розмагнічування, деякі магнітні домени остаточно порушуються, і магнетизм не може повністю відновитися навіть після повернення температури до нормального значення. Це  постійне розмагнічування,  яке нас найбільше хвилює.

Для звичайних магнітів NdFeB критична температура незворотного розмагнічування зазвичай становить від  80°C до 150°C залежно від класу магніту. У безкаркасних моментних двигунах через їх компактну структуру та погане розсіювання тепла місцеві температури можуть легко перевищувати цей діапазон під час роботи.

III. Чому безкаркасні моментні двигуни більш чутливі до високотемпературного розмагнічування?

Порівняно з традиційними двигунами в корпусі безкаркасні моментні двигуни мають кілька «високотемпературних пасток»:

1. Компактна структура, погані шляхи розсіювання тепла

Безкаркасні двигуни вбудовані безпосередньо в механічну структуру з обмеженою площею контакту між статором і корпусом, що ускладнює відведення тепла. Багато роботизованих з’єднань мають замкнуті простори та покладаються лише на природну конвекцію або просту теплопровідність, що спричиняє стрибки внутрішньої температури.

2. Висока щільність крутного моменту означає високу щільність струму

Для забезпечення високого крутного моменту в обмеженому обсязі безкаркасні моментні двигуни часто працюють при високій щільності струму. Втрати міді пропорційні квадрату струму, виробляючи значну кількість тепла.

3. Часті умови перевантаження

Під час запуску, аварійної зупинки, захисту від зіткнень і сценаріїв утримання навантаження струм двигуна може миттєво досягати 2–3 номінальних значень, викликаючи швидке підвищення температури.

4. Магніти безпосередньо піддаються впливу найближчих джерел тепла

Магніти ротора знаходяться в безпосередній близькості від обмоток статора. Тепло від статора випромінюється через повітряний зазор до ротора, і температура магніту може наближатися до температури обмотки або навіть перевищувати її.

IV. Наслідки високотемпературного розмагнічування

Коли відбувається незворотне розмагнічування, двигун демонструє ряд проблем:

•  Константа крутного моменту зменшується : для того самого струму вихідний крутний момент падає.

• Зворотна ЕРС зменшується : крива характеристики двигуна змінюється, знижуючи точність керування.

• Струм ще більше збільшується, щоб підтримувати крутний момент : що призводить до більшого нагрівання — порочне коло.

• Зниження ефективності системи : високе споживання енергії, погіршення терміну служби батареї або загального споживання енергії.

• Жорсткість суглобів слабшає : для роботів це впливає як на точність позиціонування, так і на вантажопідйомність.

Гірше те, що ця деградація є поступовою та незворотною. Користувачі можуть лише помітити, що «мотор стає менш потужним» з часом, не маючи можливості визначити очевидну несправність.

V. Як зменшити ризик високотемпературного розмагнічування магніту?

Хороша новина полягає в тому, що завдяки правильному вибору, розробці та стратегіям контролю ризик можна значно зменшити.

1. Вибирайте магніти з вищими температурними класами

Магніти NdFeB бувають різних температурних класів, зазвичай N, M, H, SH, UH, EH тощо. Чим далі стоїть літера в алфавіті, тим вище температурна здатність. Наприклад:

•  Серія N: максимальна робоча температура 80°C

• Серія H: 120°C

• Серія SH: 150°C

•  Серія UH: 180°C

•  Серія EH: 200°C

Для безкаркасних моментних двигунів, особливо для роботизованих з’єднань, рекомендується вибирати принаймні  клас SH або вище , а також, де можливо, UH або EH.

2. Зверніть увагу на 'криву розмагнічування' і точку перегину

Під час проектування двигуна робоча точка магніту повинна бути далеко від 'точки коліна' на кривій розмагнічування. При максимальній робочій температурі та максимальному струмі розмагнічування магніт має працювати в безпечній зоні. При виборі попросіть виробника надати криві розмагнічування та дані моделювання за різних температур.

3. Покращте керування температурою

• Використовуйте термопасту або термопрокладки між статором і корпусом.

• Спроектуйте належні шляхи розсіювання тепла, додавши при необхідності примусове повітряне або рідинне охолодження.

• Розмістіть датчики температури всередині двигуна або поблизу обмоток.

• Уникайте тривалої роботи двигуна при повному навантаженні в умовах високої температури.

4. Контроль струму та тривалості перевантаження

Обмежте піковий струм і тривалість через привод, щоб уникнути тривалого перевантаження. Для застосувань, які вимагають постійного утримуючого моменту, розгляньте можливість зменшення утримуючого струму або використання механічних гальм як допомоги.

5. Уникайте комбінації 'зрив + високий струм'.

Під час зупинки зворотна ЕРС дорівнює нулю, і весь струм перетворюється на тепло — це один із сценаріїв найвищого ризику розмагнічування. Конструкція системи повинна уникати тривалих умов зупинки або застосовувати захист від зупинки.

6. Регулярно контролювати руховий стан

Відстежуючи такі параметри, як постійна зворотна ЕРС, струм холостого ходу та підвищення температури, ви можете опосередковано визначити, чи відбулося розмагнічування. Системи високого класу можуть включати онлайн-оцінку стану на основі моделі.

VI. Резюме

Високотемпературне розмагнічування магнітів у безкаркасних моментних двигунах є «невидимим, але смертельним» ризиком. Це не так очевидно, як зламаний вал чи обгорілі обмотки, але непомітно позбавляє двигун крутного моменту та точності.

Для таких застосувань, як робототехніка, поворотні столи з ЧПК і з’єднання з прямим приводом,  витрата трохи більше на високотемпературні магніти під час вибору, залишення додаткового теплового запасу в конструкції та додавання ще одного захисту від перевантаження в управлінні  часто може запобігти значному погіршенню продуктивності та проблемам післяпродажного обслуговування.