Nhiệt độ tăng và khử từ của động cơ mô-men xoắn không khung

1. Một hiện tượng phản trực giác: Tại sao chậm hơn lại nguy hiểm hơn?

Đối với nhiều kỹ sư, trực giác là động cơ chạy càng nhanh thì càng nóng. Nhưng trong thế giới của động cơ mô-men xoắn không khung , logic này hoàn toàn đảo ngược.

Động cơ mô-men xoắn không khung không có vỏ, không có vòng bi và không có trục đầu ra. Về cơ bản, nó là lõi năng lượng bao gồm một 'rôto trần + stato' được gắn trực tiếp vào cấu trúc cơ khí. Nó được nhét vào những khoang cực kỳ chật chội như khớp robot, cánh tay robot cộng tác và bàn quay truyền động trực tiếp, nơi điều kiện tản nhiệt kém hơn nhiều so với điều kiện tản nhiệt của động cơ đặt trong thông thường. Và kịch bản vận hành phổ biến nhất của nó—giữ khớp ở tốc độ thấp và đầu ra mô-men xoắn cao—chính xác là điều kiện làm việc có nhiều khả năng 'nấu' nam châm nhất.

Lý do rất đơn giản: ở tốc độ thấp, EMF phía sau rất thấp nên bộ truyền động phải liên tục xuất ra dòng điện lớn để duy trì mô-men xoắn. Tổn thất đồng tỉ lệ với bình phương dòng điện và lượng nhiệt này đều tích tụ trong cuộn dây stato, trong khi nam châm trên rôto hầu như không có đường tản nhiệt trực tiếp. Kết quả là tốc độ càng thấp thì nam châm càng nóng. Trong thử nghiệm đi bộ liên tục 5 km của robot hình người, nhiệt độ khớp đo được là 80°C, đã đạt đến giới hạn hỏng hóc ở nhiệt độ cao của hầu hết các loại mỡ bôi trơn.

Nhiệt độ tăng không phải là một vấn đề riêng lẻ. Nó đồng thời đe dọa đến cách điện của cuộn dây (tăng tốc độ lão hóa), bôi trơn ổ trục (suy giảm hiệu suất) và quan trọng nhất là chính các nam châm vĩnh cửu. Khi quá trình khử từ không thể đảo ngược xảy ra, khả năng mô-men xoắn của động cơ sẽ bị suy giảm vĩnh viễn.

2. Hai mặt của quá trình khử từ: Một mặt 'Trở lại', Một mặt sẽ không bao giờ quay lại

NdFeB (boron sắt neodymium) hiện là vật liệu nam châm chủ đạo cho động cơ mô-men xoắn không khung. Nhiệt độ Curie của nó là khoảng 310–370°C, có vẻ như rất xa so với phạm vi hoạt động của động cơ. Nhưng yếu tố thực sự quyết định thời gian sử dụng của một nam châm không phải là nhiệt độ Curie mà là hệ số cưỡng bức nhiệt độ—thường nằm trong khoảng từ -0,55%/°C đến -0,65%/°C.

Ý nghĩa của hệ số này là cứ nhiệt độ tăng lên 1°C thì khả năng chống lại trường khử từ bên ngoài của nam châm giảm từ 0,55% đến 0,65%. Từ 20°C đến 80°C, độ cưỡng bức đã giảm khoảng 36%. Ở 100°C, sự mất mát gần một nửa. Khi lực cưỡng bức giảm xuống dưới trường khử từ do phản ứng phần ứng tạo ra, sự liên kết miền từ sẽ bị hỏng vĩnh viễn.

Khử từ rơi vào hai loại:

Khử từ có thể đảo ngược  là một 'báo động sai.' Khi nhiệt độ tăng, lực từ giảm; khi nhiệt độ giảm, nó phục hồi. Động cơ thể hiện 'dòng điện cao hơn khi nóng, phục hồi khi lạnh.' Điều này có vẻ ổn, nhưng trên thực tế, nó đã lơ lửng ở ngưỡng tới hạn.

Sự khử từ không thể đảo ngược  là vấn đề thực sự. Khi nhiệt độ vượt quá mức mà nam châm có thể chịu được hoặc khi đặt từ trường ngược đủ mạnh ở nhiệt độ cao, một phần liên kết miền từ sẽ bị hỏng vĩnh viễn và lực từ không thể phục hồi hoàn toàn ngay cả khi nhiệt độ trở lại bình thường.

Quá trình khử từ không thể đảo ngược cũng có dạng 'một phần' và 'tổng thể'. Quá trình khử từ một phần thường bắt đầu ở các góc của nam châm—dòng điện xoáy tập trung ở các góc, nơi nhiệt độ tới hạn bị phá vỡ trước tiên. Nó biểu hiện bằng sự sụt giảm 3%–5% trong hằng số EMF phía sau KE; ở cùng tốc độ, cần dòng điện cao hơn để duy trì mô-men xoắn, nhiệt độ tăng cao hơn và hình thành một vòng luẩn quẩn. Quá trình khử từ tổng thể là hậu quả của việc toàn bộ máy vượt quá 120°C trong một thời gian dài, với KE giảm hơn 10%. Động cơ phải 'thêm 10% ga' để thực hiện công việc tương tự, đi vào vòng xoáy chết chóc 'nhiệt-từ'.

Đối với nam châm NdFeB thường được sử dụng, nhiệt độ tới hạn để khử từ không thể đảo ngược thường nằm trong khoảng từ 80°C đến 150°C, tùy thuộc vào loại nam châm. Các loại nhiệt độ cao có thể đẩy ngưỡng lên gần 150°C hoặc thậm chí cao hơn, nhưng giá cả là sự đánh đổi giữa hiệu suất từ ​​tính và chi phí.

3. Nhiệt đến từ đâu và bị giữ lại ở đâu?

Nguồn nhiệt của động cơ mô-men xoắn không khung phức tạp hơn so với động cơ thông thường và có thể được nhóm thành bốn loại:

Mất đồng  là cơ bản nhất. Tổn hao I⊃2;R sinh ra bởi điện trở cuộn dây khi có dòng điện liên tục tỷ lệ với bình phương của dòng điện. Vấn đề là, để theo đuổi mật độ mô-men xoắn cao, động cơ không khung thường sử dụng thiết kế có hệ số lấp đầy khe cao và dây mỏng, do đó bản thân điện trở cuộn dây tương đối lớn. Ngay cả một dòng điện nhỏ cũng tạo ra nhiệt cơ bản đáng kể và tạo thành một vòng phản hồi tích cực 'làm nóng → tăng điện trở → sưởi ấm nhiều hơn.'

Tổn thất sắt  đặc biệt nổi bật trong các thiết kế có số cực cao. Thiết kế 16–32 cực thường được sử dụng trong động cơ mô-men xoắn không khung làm cho tần số xoay chiều từ trường cao hơn nhiều so với động cơ servo thông thường. Ngay cả ở tốc độ thấp và không tải, độ trễ và tổn thất do dòng điện xoáy trong lõi sắt vẫn rất đáng kể.

Tổn thất dòng điện xoáy rôto  là nguồn nhiệt ẩn dễ bị bỏ qua. Hiệu ứng co ngót stato và sóng hài sóng mang xung điện tạo ra dòng điện xoáy trên bề mặt nam châm rôto. Lượng nhiệt này được tạo ra trực tiếp bên trong nam châm và hầu như không có đường dẫn ra ngoài.

Những tổn thất bổ sung do chiến lược kiểm soát gây ra  là loại bị che giấu nhiều nhất. Lỗi định hướng trường FOC, kích hoạt liên tục tiêm tần số cao tốc độ 0 và dòng điều chỉnh liên tục gây ra bởi các tham số PID không đúng—những 'dòng vô hình' này liên tục tạo ra tổn hao đồng ngay cả trong điều kiện không tải. Đây là nguyên nhân cốt lõi khiến nhiều kỹ sư nhận thấy rằng 'nó cũng nóng khi không tải.'

Sau khi đặt chồng lên bốn đường dẫn nhiệt này, nhiệt độ thực tế của nam châm thường cao hơn nhiệt độ bề mặt vỏ hộp từ 8–12°C. Khi bạn đọc 70°C trên bề mặt vỏ bằng nhiệt kế hồng ngoại, nam châm có thể đã bước lên vạch đỏ 80°C.

4. Ba đường thẳng trong lựa chọn

Khi hiểu được cơ chế tăng nhiệt độ, logic lựa chọn sẽ trở nên rõ ràng. Lựa chọn nhiệt độ cho động cơ mô-men xoắn không khung có thể được tóm tắt thành ba đường cứng, tương ứng với ba cấp độ mục tiêu bảo vệ khác nhau.

Dòng đầu tiên: cấp độ nam châm xác định 'dòng dưới cùng'

Nam châm NdFeB được chia thành nhiều cấp độ theo độ cưỡng bức nội tại, với khả năng chịu nhiệt độ tăng dần:

Dòng N là loại tiêu chuẩn, thích hợp cho các ứng dụng ở nhiệt độ phòng, có khả năng chịu nhiệt độ khoảng 80°C. Dòng H chịu được 120°C, dòng SH chịu được 150°C và dòng UH chịu được 180°C. Từ N đến UH, các nguyên tố đất hiếm nặng Dy và Tb được thêm vào để cải thiện hệ số cưỡng bức nhiệt độ, nhưng giá thành cũng tăng theo hệ số từ 1,5 đến 3.

Đối với các ứng dụng động cơ mô-men xoắn không khung điển hình—khớp rô-bốt và cánh tay rô-bốt cộng tác— cấp SH hoặc cao hơn là điểm bắt đầu được khuyến nghị . Nguyên nhân là do động cơ không khung vốn có điều kiện tản nhiệt khắc nghiệt và 'chênh lệch ẩn' giữa nhiệt độ hoạt động của nam châm và nhiệt độ vỏ có thể lên tới 15°C. Dòng N có thể trông đầy đủ trên giấy nhưng trong hoạt động thực tế, nó có thể dễ dàng vượt quá giới hạn. Ví dụ, động cơ khớp gối thế hệ đầu tiên của robot hình người đã không xác minh được khả năng khử từ trong điều kiện ngừng hoạt động. Sau nhiều lần va chạm rơi, nam châm bị khử từ không thể đảo ngược và mô-men xoắn đầu ra giảm vĩnh viễn hơn 15%.

Dòng thứ hai: lớp cách nhiệt xác định 'trần'

Lớp cách nhiệt của cuộn dây là một hạn chế khác về nhiệt độ và nó thường đạt đến giới hạn sớm hơn nam châm. Lớp cách nhiệt loại F có nhiệt độ định mức là 155°C, hiện là cấu hình chủ đạo cho động cơ mô-men xoắn không khung. Lớp cách nhiệt loại B (130°C) xuất hiện trong một số sản phẩm nhạy cảm với chi phí hoặc cực kỳ hạn chế về không gian.

Có sự ghép nhiệt giữa nhiệt độ nam châm và nhiệt độ cuộn dây: nhiệt cuộn dây được truyền qua lõi stato đến rôto và cuối cùng ảnh hưởng đến nam châm. Do đó, giới hạn cách điện cuộn dây 155°C trên thực tế cũng đặt ra mức trần gián tiếp cho nhiệt độ nam châm. Logic xác minh kỹ thuật là ở trạng thái nhiệt ổn định, nhiệt độ cuộn dây không được vượt quá giới hạn cấp cách điện, trong khi nhiệt độ nam châm không được vượt quá nhiệt độ tới hạn khử từ của nó - nhiệt độ sau thường trở thành nút cổ chai sớm hơn.

Trong thực tế công nghiệp, nhiệt độ hoạt động liên tục tối đa của nam châm loại NdFeB SH thường được đặt ở 120°C. Trên giá trị này, động cơ bắt đầu rơi vào phạm vi rủi ro khử từ.

Dòng thứ ba: giới hạn hiện tại xác định 'ranh giới động'

Ngoài nhiệt độ ở trạng thái ổn định, còn có một yếu tố động học khác thường bị bỏ qua:  rủi ro khử từ dưới dòng điện cực đại..

Động cơ mô-men xoắn có mô-men xoắn cực đại và mô-men xoắn dừng. Mô-men xoắn cực đại là mô-men xoắn khởi động trong thời gian ngắn, thường chỉ kéo dài 10–15 giây; mô-men xoắn dừng là giá trị có thể được xuất ra liên tục. Khi dòng điện cực đại quá lớn, trường khử từ do phản ứng phần ứng tạo ra có thể trực tiếp kích hoạt quá trình khử từ không thể đảo ngược trong điều kiện nhiệt độ cao.

Dòng điện tối đa của động cơ mô-men xoắn dẫn động trực tiếp bị giới hạn bởi quá trình khử từ nam châm vĩnh cửu là 'điểm giới hạn khử từ.' Ở một số sản phẩm, sau khi sử dụng nam châm hiệu suất cao, mô-men xoắn chỉ bị giới hạn bởi mức tăng nhiệt độ tối đa và mô-men xoắn cực đại có thể tăng lên rất nhiều. Nhưng nếu cấp nam châm không đủ thì quá trình khử từ sẽ trở thành hạn chế đầu tiên được kích hoạt.

Trong quá trình lựa chọn, cần phải xác minh không chỉ mức tăng nhiệt độ dưới dòng điện liên tục mà còn phải xác minh xem dòng điện trong điều kiện quá tải tạm thời và ngừng hoạt động có vượt quá giới hạn khử từ của nam châm ở nhiệt độ đó hay không. Giới hạn này thường được đưa ra bởi đường cong khử từ của nhà cung cấp nam châm và phải được xác định kết hợp với tính toán phản ứng phần ứng trong thiết kế động cơ.

5. Các phương pháp kỹ thuật để làm mát

Bản chất của việc kiểm soát độ tăng nhiệt độ là thiết lập sự cân bằng giữa sinh nhiệt và thải nhiệt. Đối với động cơ mô-men xoắn không khung, có một số hướng kỹ thuật hoàn thiện.

Bầu  hiện là phương tiện chủ đạo nhất để tăng cường tản nhiệt. TQ Robodrive sử dụng công nghệ đóng gói và phủ epoxy, còn Kinco đi tiên phong trong quy trình đóng gói không khung. Logic cốt lõi của cả hai là lấp đầy các khoảng trống bên trong của động cơ bằng vật liệu bầu có tính dẫn nhiệt cao, để nhiệt cuộn dây được truyền nhanh hơn đến lõi stato và mặt bích lắp. Độ dẫn nhiệt của vật liệu bầu có thể đạt 1,4–1,6 W/mK, cao hơn nhiều so với không khí.

Các kênh làm mát bằng nước  thích hợp cho các mối nối nhỏ gọn và các tình huống khác có mật độ dòng nhiệt cao. Các kênh xoắn ốc được cắt vào ống bọc hoặc vỏ stato và chất làm mát được truyền qua chúng, có thể trực tiếp làm giảm mức tăng nhiệt độ từ 40–60°C. Chi phí là tăng độ phức tạp của hệ thống và yêu cầu niêm phong.

Tối ưu hóa chiến lược kiểm soát  là con đường không tốn chi phí phần cứng. Việc hiệu chỉnh lại điểm 0 của cực từ, tối ưu hóa các tham số PID, quản lý việc đưa tần số cao tốc độ 0 và cho phép điều khiển dòng điện tối thiểu có thể giảm dòng giữ tĩnh từ 50%–80% mà không cần thay đổi phần cứng. Đối với các hệ thống đã gặp sự cố về nhiệt khi không tải, việc tối ưu hóa điều khiển thường mang lại kết quả tức thời hơn là bổ sung các biện pháp tản nhiệt.

Cảm biến nhiệt độ tích hợp  là điểm mấu chốt an toàn. NTC (100k) và PT1000 hiện là cấu hình đo nhiệt độ tiêu chuẩn cho động cơ mô-men xoắn không khung, theo dõi nhiệt độ cuộn dây trong thời gian thực và kích hoạt giảm công suất hoặc bảo vệ khi đạt đến giới hạn. Nhưng lưu ý rằng cảm biến đo nhiệt độ cuộn dây chứ không phải nhiệt độ nam châm. Sự khác biệt giữa hai loại phụ thuộc vào chất lượng thiết kế của đường tản nhiệt và phải có đủ giới hạn an toàn trong quá trình lựa chọn.

Phần kết luận

Việc lựa chọn nhiệt độ cho động cơ mô-men xoắn không khung về cơ bản là sự cân bằng giữa ba ràng buộc: cấp nam châm xác định mức nhiệt độ bạn có thể chịu được, cấp cách điện xác định trần cuộn dây và giới hạn dòng điện xác định ranh giới của các điều kiện vận hành động. Ba đường dây được ghép nối với nhau và nếu bất kỳ đường dây nào bị đứt, nó có thể gây ra phản ứng dây chuyền từ khử từ đến kiệt sức.

Cách tiếp cận thực tế nhất là:  ở giai đoạn lựa chọn, giả sử các điều kiện tản nhiệt khắc nghiệt nhất , tăng một cấp nam châm, để lại biên độ tăng nhiệt độ rộng rãi và thực hiện xác minh khử từ trong điều kiện ngừng hoạt động và quá tải là một mục bắt buộc. Suy cho cùng, quá trình khử từ là không thể đảo ngược được – nó sẽ không cho bạn cơ hội thứ hai.