'Sát thủ nhiệt độ cao' của động cơ mô-men xoắn không khung: Nguy cơ khử từ nam châm nghiêm trọng đến mức nào?

Trong các tình huống điều khiển chuyển động hiệu suất cao như khớp robot, cánh tay robot cộng tác và bàn quay truyền động trực tiếp, Động cơ mô-men xoắn không khung đang ngày càng trở nên phổ biến. Chúng không có vỏ, không có vòng bi—về cơ bản là lõi nguồn 'rôto trần + stator' được gắn trực tiếp vào cấu trúc cơ khí, mang lại mật độ mô-men xoắn cao, độ cứng cao và dấu chân nhỏ gọn.

Tuy nhiên, nhiều kỹ sư bỏ qua một rủi ro tiềm ẩn trong quá trình lựa chọn và sử dụng:  sự khử từ không thể đảo ngược của nam châm vĩnh cửu ở nhiệt độ cao . Sau khi quá trình khử từ xảy ra, động cơ sẽ bị giảm mô-men xoắn, tăng nhiệt độ và thậm chí có thể khiến toàn bộ khớp 'yếu'.'

I. Nam châm trong động cơ mô-men xoắn không khung là gì?

Động cơ mô-men xoắn không khung thường là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, có nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao—thường được gọi là 'nam châm'—được gắn trên hoặc bên trong bề mặt rôto.

Vật liệu nam châm phổ biến được sử dụng ngày nay là  neodymium-iron-boron (NdFeB) , do hiệu suất từ ​​tính đặc biệt của nó, có khả năng tạo ra từ thông khe hở không khí cao trong một thể tích rất nhỏ—lý tưởng cho động cơ mô-men xoắn không khung yêu cầu mật độ mô-men xoắn cực cao.

Nhưng NdFeB có một điểm yếu cố hữu:  khả năng chịu nhiệt tương đối kém.

II. Quá trình khử từ ở nhiệt độ cao xảy ra như thế nào?

Từ tính của nam châm vĩnh cửu không thực sự 'vĩnh cửu'. Khi nhiệt độ tăng đến một mức nhất định, sự liên kết của các miền từ bên trong nam châm trở nên không ổn định và cường độ từ tính giảm dần.

Khử từ được chia thành hai loại:

1. Khử từ có thể đảo ngược

Cường độ từ tính tạm thời giảm khi nhiệt độ tăng, nhưng phục hồi khi nhiệt độ giảm. Loại này đã được tính đến trong thiết kế động cơ và thường không phải là vấn đề miễn là không vượt quá giới hạn.

2. Khử từ không thể đảo ngược

Nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn dung sai của nam châm hoặc nếu áp dụng trường khử từ mạnh ở nhiệt độ cao, một số miền từ tính sẽ bị gián đoạn vĩnh viễn và từ tính không thể phục hồi hoàn toàn ngay cả khi nhiệt độ trở lại bình thường. Đây là  sự khử từ vĩnh viễn  mà chúng tôi quan tâm nhất.

Đối với nam châm NdFeB thông thường, nhiệt độ tới hạn để khử từ không thuận nghịch thường nằm trong khoảng từ  80°C đến 150°C , tùy thuộc vào loại nam châm. Ở động cơ mô-men xoắn không khung, do cấu trúc nhỏ gọn và tản nhiệt kém, nhiệt độ cục bộ có thể dễ dàng vượt quá phạm vi này trong quá trình hoạt động.

III. Tại sao động cơ mô-men xoắn không khung dễ bị khử từ ở nhiệt độ cao hơn?

So với động cơ có vỏ truyền thống, động cơ mô-men xoắn không khung có một số 'bẫy nhiệt độ cao':

1. Cấu trúc nhỏ gọn, đường dẫn tản nhiệt kém

Động cơ không khung được nhúng trực tiếp vào kết cấu cơ khí, với diện tích tiếp xúc giữa stato và vỏ hạn chế, khiến việc thoát nhiệt trở nên khó khăn. Nhiều khớp robot có không gian kín và chỉ dựa vào sự đối lưu tự nhiên hoặc dẫn nhiệt đơn giản, khiến nhiệt độ bên trong tăng đột biến.

2. Mật độ mô-men xoắn cao có nghĩa là mật độ dòng điện cao

Để cung cấp mô-men xoắn cao trong một khối lượng giới hạn, động cơ mô-men xoắn không khung thường hoạt động ở mật độ dòng điện cao. Tổn thất đồng tỷ lệ với bình phương dòng điện, tạo ra nhiệt lượng đáng kể.

3. Tình trạng quá tải thường xuyên

Trong quá trình khởi động, dừng khẩn cấp, bảo vệ va chạm và giữ tải, dòng điện động cơ có thể tạm thời đạt tới 2–3 lần giá trị định mức, khiến nhiệt độ tăng nhanh.

4. Nam châm tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt gần đó

Các nam châm rôto nằm gần các cuộn dây stato. Nhiệt từ stato được tỏa ra và dẫn qua khe hở không khí đến rôto và nhiệt độ nam châm có thể đạt tới hoặc thậm chí vượt quá nhiệt độ cuộn dây.

IV. Hậu quả của quá trình khử từ ở nhiệt độ cao

Khi quá trình khử từ không thể đảo ngược xảy ra, động cơ sẽ xuất hiện một loạt vấn đề:

•  Hằng số mômen giảm : Với cùng dòng điện, mômen đầu ra giảm.

• Back-EMF giảm : Đường cong đặc tính động cơ thay đổi, làm giảm độ chính xác điều khiển.

• Dòng điện tăng thêm để duy trì mô-men xoắn : Dẫn đến tăng nhiệt độ—một vòng luẩn quẩn.

• Hiệu suất hệ thống giảm : Tiêu thụ năng lượng cao hơn, tuổi thọ pin kém hơn hoặc mức tiêu thụ điện năng tổng thể.

• Độ cứng của khớp yếu đi : Đối với robot, độ chính xác định vị và khả năng chịu tải đều bị ảnh hưởng.

Điều tồi tệ hơn là sự xuống cấp này diễn ra từ từ và không thể đảo ngược. Người dùng có thể chỉ nhận thấy rằng 'động cơ cảm thấy kém mạnh mẽ hơn' theo thời gian mà không thể xác định được lỗi rõ ràng.

V. Làm thế nào để giảm nguy cơ khử từ ở nhiệt độ cao của nam châm?

Tin tốt là thông qua các chiến lược lựa chọn, thiết kế và kiểm soát phù hợp, rủi ro có thể được giảm thiểu đáng kể.

1. Chọn nam châm có cấp nhiệt độ cao hơn

Nam châm NdFeB có nhiều loại nhiệt độ khác nhau, thường là N, M, H, SH, UH, EH, v.v. Chữ cái càng xa trong bảng chữ cái thì khả năng chịu nhiệt độ càng cao. Ví dụ:

•  Dòng N: nhiệt độ hoạt động tối đa 80°C

• Dòng H: 120°C

• Dòng SH: 150°C

•  Dòng UH: 180°C

•  Dòng EH: 200°C

Đối với động cơ mô-men xoắn không khung, đặc biệt là trong các ứng dụng khớp robot, nên chọn ít nhất  cấp SH hoặc cao hơn và nếu có thể, UH hoặc EH.

2. Chú ý đến 'đường cong khử từ' và điểm đầu gối

Trong quá trình thiết kế động cơ, điểm vận hành nam châm phải cách xa 'điểm đầu gối' trên đường cong khử từ. Ở nhiệt độ hoạt động tối đa và dòng điện khử từ tối đa, nam châm vẫn phải hoạt động trong vùng an toàn. Khi lựa chọn, hãy yêu cầu nhà sản xuất cung cấp đường cong khử từ và dữ liệu mô phỏng ở các nhiệt độ khác nhau.

3. Tăng cường quản lý nhiệt

• Sử dụng mỡ tản nhiệt hoặc miếng đệm nhiệt giữa stato và vỏ.

• Thiết kế đường tản nhiệt phù hợp, bổ sung thêm không khí cưỡng bức hoặc làm mát bằng chất lỏng nếu cần thiết.

• Đặt cảm biến nhiệt độ bên trong động cơ hoặc gần cuộn dây.

• Tránh vận hành động cơ đầy tải kéo dài trong môi trường nhiệt độ cao.

4. Kiểm soát dòng điện và thời gian quá tải

Giới hạn dòng điện và thời lượng đỉnh qua biến tần để tránh tình trạng quá tải kéo dài. Đối với các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn giữ liên tục, hãy cân nhắc việc giảm dòng điện giữ hoặc sử dụng phanh cơ để hỗ trợ.

5. Tránh kết hợp 'ngưng + dòng điện cao'

Trong thời gian ngừng hoạt động, EMF ngược bằng 0 và toàn bộ dòng điện được chuyển thành nhiệt—đây là một trong những tình huống có nguy cơ khử từ cao nhất. Thiết kế hệ thống nên tránh tình trạng ngừng hoạt động kéo dài hoặc thực hiện bảo vệ ngừng hoạt động.

6. Thường xuyên theo dõi tình trạng vận động

Bằng cách theo dõi các thông số như hằng số EMF ngược, dòng không tải và mức tăng nhiệt độ, bạn có thể gián tiếp xác định xem quá trình khử từ có xảy ra hay không. Các hệ thống cao cấp có thể kết hợp ước tính trạng thái trực tuyến dựa trên mô hình.

VI. Bản tóm tắt

Sự khử từ ở nhiệt độ cao của nam châm trong động cơ mô-men xoắn không khung là một nguy cơ 'vô hình nhưng chết người'. Nó không rõ ràng như trục bị gãy hoặc cuộn dây bị cháy, nhưng nó lén lút cướp đi mô-men xoắn và độ chính xác của động cơ.

Đối với các ứng dụng như robot, bàn quay CNC và khớp truyền động trực tiếp,  việc chi thêm một chút cho nam châm nhiệt độ cao trong quá trình lựa chọn, để lại biên nhiệt bổ sung trong thiết kế và bổ sung thêm một biện pháp bảo vệ quá tải trong bộ điều khiển  thường có thể ngăn ngừa sự suy giảm hiệu suất đáng kể và các vấn đề hậu mãi sau này.