La smagnetizzazione non è un fallimento improvviso
Il modello mentale comune della smagnetizzazione del magnete è una funzione a gradini: il motore funziona normalmente, poi i magneti si guastano e il motore smette di produrre coppia. Non è così che accade nella pratica. La smagnetizzazione nei motori NdFeB è quasi sempre parziale e graduale: i magneti perdono una frazione della loro rimanenza, il motore produce una coppia leggermente inferiore alla stessa corrente e il sistema di controllo compensa aumentando la corrente, che produce più calore, che accelera un'ulteriore smagnetizzazione. La modalità di fallimento è una deriva lenta, non un precipizio.
Quando la smagnetizzazione parziale è rilevabile come riduzione delle prestazioni del motore, i magneti hanno generalmente perso il 5-15% del loro Br originale. A quel punto la smagnetizzazione è irreversibile. I magneti non possono essere rimagnetizzati nel motore senza uno smontaggio completo e ritorno al dispositivo di magnetizzazione. Per un giunto robotico installato o un servo attuatore sigillato, ciò significa una ricostruzione completa.
Questo articolo tratta i tre meccanismi che causano la smagnetizzazione nei motori in funzione, come calcolare il rischio di smagnetizzazione per un determinato grado del magnete e punto operativo e cosa specificare per garantire che il progetto abbia un margine adeguato.
1. I tre meccanismi di smagnetizzazione
La smagnetizzazione termica, la smagnetizzazione da cortocircuito e la smagnetizzazione del punto operativo sono meccanismi distinti con cause diverse e soluzioni diverse. Confonderli porta a soluzioni sbagliate.
Smagnetizzazione termicasi verifica quando la temperatura del magnete supera il punto in cui la coercività Hcj scende al di sotto del livello richiesto per resistere al campo di smagnetizzazione del motore. Si tratta di un effetto soglia: al di sotto della temperatura critica il magnete è stabile, al di sopra inizia la smagnetizzazione che diventa irreversibile con il raffreddamento. Per NdFeB di grado N (senza suffisso termico), l'Hcj scende rapidamente sopra gli 80 gradi. La temperatura critica per un dato progetto di motore dipende dal campo del traferro e dal volume del magnete: un motore con una sezione magnetica sottile e un ampio campo di smagnetizzazione può smagnetizzarsi a 90 gradi mentre un motore meglio progettato con lo stesso grado sarebbe stabile a 120 gradi.
Smagnetizzazione da cortocircuitosi verifica durante condizioni di guasto (cortocircuiti fase-fase, guasti del convertitore o eventi di frenatura rigenerativa) in cui la corrente dello statore produce un campo smagnetizzante che supera l'Hcj del magnete alla temperatura di esercizio. In una condizione operativa normale, la corrente di picco in un motore adeguatamente progettato non è sufficientemente elevata da smagnetizzare nemmeno i magneti di grado N. In condizioni di guasto, la corrente può raggiungere 5–10 volte il valore nominale per millisecondi. Se l'impulso smagnetizza i magneti dipende dallo spessore del magnete, dalla temperatura Hcj e dalla durata del guasto.
Smagnetizzazione del punto operativoè il più insidioso perché può verificarsi a temperature di esercizio normali senza eventi di guasto. Succede quando il motore è progettato con uno spessore del magnete insufficiente per la coppia di picco richiesta, in modo che alla corrente di picco il campo di smagnetizzazione si avvicina o supera Hcj. Ogni impulso di coppia lascia i magneti leggermente più deboli. Nel corso del tempo, le prestazioni diminuiscono. Questo viene comunemente diagnosticato erroneamente come usura dei cuscinetti o degrado degli avvolgimenti.
2. La linea del carico di smagnetizzazione
Lo strumento chiave per l'analisi della smagnetizzazione è il punto operativo del magnete sulla curva di smagnetizzazione BH. Ogni magnete NdFeB ha una curva BH pubblicata a più temperature: tipicamente 20 gradi, 100 gradi, 150 gradi e talvolta 180 gradi. Il progettista del motore calcola il punto operativo: la combinazione di B (densità di flusso nel magnete) e H (campo di smagnetizzazione applicato al magnete) nella condizione operativa peggiore, che in genere è la corrente di picco alla massima temperatura operativa.
Il punto operativo deve trovarsi a destra del "ginocchio" nella curva BH, il punto in cui la curva inizia a curvare bruscamente verso il basso. Al di sotto del ginocchio, qualsiasi ulteriore aumento del campo smagnetizzante provoca una perdita irreversibile di flusso. Al di sopra del ginocchio la smagnetizzazione è reversibile: il flusso si riduce temporaneamente sotto il campo applicato ma si ripristina quando il campo viene rimosso.
Per i magneti N42SH a 150 gradi (un grado comune per le applicazioni servo industriali), il ginocchio della curva BH si verifica a circa H=-950 kA/m. Se il progetto del motore comporta un campo di smagnetizzazione di picco di -700 kA/m a 150 gradi e una corrente di picco, c'è un margine di 250 kA/m sopra il ginocchio. Tale margine dovrebbe essere almeno 150–200 kA/m per una progettazione conservativa, tenendo conto della variazione da magnete a magnete in Hcj (tipicamente ±50 kA/m in produzione) e dell'incertezza della misurazione della temperatura.
3. Selezione del suffisso del grado: cosa significa effettivamente la lettera
Il suffisso termico nelle designazioni dei gradi NdFeB - H, SH, UH, EH - indica la temperatura operativa massima alla quale la coercività Hcj soddisfa le specifiche minime. N42 senza suffisso ha una temperatura operativa massima di 80 gradi. N42H è valutato a 120 gradi. N42SH è valutato a 150 gradi. N42UH è valutato a 180 gradi. N42EH è valutato a 200 gradi.
Questi non sono limiti di temperatura assoluti in cui il magnete si guasta istantaneamente: sono le temperature alle quali viene soddisfatta la specifica Hcj minima. Al di sopra della temperatura nominale, il magnete può essere ancora stabile a seconda del campo di smagnetizzazione specifico del motore. Al di sotto della temperatura nominale vi è un ulteriore margine Hcj.
L'errore di selezione del grado che causa la maggior parte dei guasti sul campo: specificare il suffisso in base alla temperatura dell'avvolgimento anziché alla temperatura del magnete. In un servomotore chiuso con raffreddamento a convezione forzata sull'alloggiamento, l'avvolgimento può raggiungere i 130 gradi mentre la temperatura della superficie del magnete (che influenza direttamente Hcj) raggiunge i 110 gradi perché il magnete è più vicino alla parete dell'alloggiamento raffreddato. Al contrario, in un motore senza telaio in cui il rotore è circondato dal vuoto o da una struttura a bassa conduttività, la temperatura del magnete può superare la temperatura dell'avvolgimento durante il funzionamento prolungato. La temperatura del magnete deve essere misurata o modellata: non può essere dedotta dalla temperatura dell'avvolgimento senza un modello termico della geometria del motore.
4. Requisiti di margine pratico per applicazione
Servoassi industriali (CNC, robot industriali): progettazione per un margine Hcj del 30% sopra il ginocchio alla massima temperatura dell'avvolgimento. Il 30% rappresenta la variazione di produzione del ±5% in Hcj, l'incertezza della misurazione della temperatura e il fatto che le condizioni di guasto espongono occasionalmente il motore a correnti superiori a quelle nominali.
Giunti robotici collaborativi e motori torque ad azionamento diretto: progettazione per un margine del 40%. I robot collaborativi vengono spesso utilizzati vicino ai limiti di coppia in attività ricche di contatti e la corrente di picco durante eventi di contatto imprevisti può superare brevemente la corrente nominale. Il costo di una ricostruzione del campo è sufficientemente elevato da ripagare il conservatorismo.
Motori di propulsione UAV: progettazione per un margine del 25% alla temperatura continua nominale. I motori degli UAV raramente raggiungono la corrente di picco per periodi prolungati: la corrente di picco si verifica solo durante il decollo e le manovre aggressive. Durante la crociera, il campo smagnetizzante è ben al di sotto del picco. Il margine del 25% copre la condizione di decollo.
Applicazioni ad alta temperatura (azionamenti di estrusori, macchinari di lavorazione vicino a utensili riscaldati): utilizzare il grado SH o UH e progettare per un margine del 35% alla temperatura massima prevista del magnete, non alla temperatura ambiente. Se il motore è imbullonato a una piastra riscaldata a 180 gradi, la temperatura del magnete si avvicinerà a 180 gradi in condizioni stazionarie, indipendentemente dalla temperatura dell'avvolgimento.
5. Cosa richiedere al fornitore di magneti
Una specifica completa sulla resistenza alla smagnetizzazione comprende tre elementi che ogni fornitore di magneti competente dovrebbe essere in grado di fornire:
Innanzitutto, l'intera curva di smagnetizzazione del BH alla temperatura operativa, non solo la curva della temperatura ambiente. Per un motore con temperatura nominale del magnete di 150 gradi, è necessaria la curva di 150 gradi. Molte schede tecniche mostrano solo dati di 20 gradi: ciò non è sufficiente per l'analisi della smagnetizzazione.
In secondo luogo, l'Hcj minimo alla temperatura del lotto di produzione, non il valore tipico o nominale. Produzione NdFeB ha una variazione di Hcj di ± 3–5% allo stesso grado. Un motore progettato per l'Hcj nominale avrà unità in produzione che si smagnetizzeranno in condizioni operative sicure secondo l'analisi del progetto.
In terzo luogo, una misurazione della mappatura della densità di flusso su un lotto campione di magneti magnetizzati. La misurazione conferma che il livello di magnetizzazione raggiunto in produzione corrisponde alle specifiche. Fornisce inoltre la base per l'ispezione in entrata: i futuri lotti di produzione possono essere confrontati con la base per rilevare la deriva del processo di magnetizzazione prima che influisca sulle prestazioni del motore sul campo.
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