Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Motory Maxon vhodné pro vysoké teploty

Dosavadní zkušenosti s používáním motorů Maxon v kosmických robotech, které pracují v extrémních podmínkách, ukazují, že tyto motory mohou dlouhodobě fungovat za vysokých i nízkých teplot, v atmosféře s nestandardním složením a tlakem i v dalších náročných prostředích (vibrace a rázy, radiace, požadavky na sterilitu atd.). Tyto podmínky se však mnohdy vyskytují i v pozemních aplikacích. Nejčastějším případem je požadavek na extrémní pracovní teploty, obvykle daný vysokou teplotou okolního prostředí.
 

1. Úvod

Požadovaná pracovní teplota okolí podstatně ovlivňuje výběr komponent motorů, převodovek, snímačů a elektroniky. K posouzení použitelnosti motoru v daných podmínkách nestačí znát jenom přípustnou teplotu okolí motoru, která bývá (stejně jako u převodovek) přibližně 100 °C, ale i jeho oteplení, závislé na zatížení a otáčkách. Přípustné pracovní teploty snímačů a elektroniky jsou zpravidla nižší (70 až 100 °C pro snímače, 45 °C pro elektroniku). Jejich integrace do motoru tedy značně snižuje odolnost motoru proti vysoké teplotě.
 
Hlavním zdrojem tepla, který zahřívá každý motor, jsou ztráty na činných odporech vinutí
 
PCu = I2R          (1)
 
kde PCu jsou ztráty na činných odporech vinutí (W), I je střední hodnota proudu (A), R odpor vinutí (Ω).
 
Ztráty v magnetickém obvodu (vířivými proudy a hysterezní ztráty) vznikají pouze v motorech, v jejichž magnetickém obvodu se vyskytuje časově proměnné magnetické pole. Jsou to tedy klasické komutátorové motory (např. DC Maxon), ale i motory s elektronickou komutací (např. EC Maxon, oba typy na obr. 1 a viz také [1]). S otáčkami motoru roste frekvence změn magnetického pole a s frekvencí i ztráty v magnetickém obvodu. Naproti tomu v železe magnetického obvodu stejnosměrných komutátorových motorů DC Maxon ztráty nevznikají, neboť rotor je tvořen pouze samonosným měděným vinutím kotvy (kotva je bez železa, viz [1]), a tudíž magnetické pole je v magnetickém obvodu motoru časově neproměnné. To ve svém důsledku znamená, že z motoru je nutné odvádět méně tepla, a tudíž motor bude lépe odolávat vyšším teplotám okolí.
 

2. Teplota vinutí

U elektromotorů je standardizováno roztřídění teplotní odolnosti izolace vodičů vinutí do tříd označených písmeny. Přípustné teploty vinutí Tmax jsou pro jednotlivé motory Maxon uvedeny v aktuálním katalogu. V nabídce jsou tři typy motorů, a to s Tmax 85 °C, 125 °C a 155 °C, které se liší bandážováním vinutí a tepelným odporem izolace vinutí. Nadměrná teplota způsobí mezizávitové zkraty ve vinutí a průrazy – u motorů EC Maxon na paket statoru a u konvenčních komutátorových motorů na paket rotoru. V samonosném vinutí v motorech DC Maxon se nemohou vyskytnout zkraty na jádro, ale teplota ovlivňuje pevnost pryskyřice, kterou jsou vodiče slepeny do tvaru trubky. Téměř stejnou teplotu jako vinutí má i disk z plastu, kterým je jedno čelo vinutí upevněno na hřídel.
 

3. Odvádění tepla v motorech DC Maxon

Zmenšení tvarové stálosti samonosného vinutí nadměrnou teplotou má za následek jeho trvalou deformaci elektromagnetickými silami, které vytvářejí hnací moment rotoru. V konečném důsledku se zdeformované vinutí může zablokovat a rotor se přestane otáčet.
 
Důležitou skutečností však je, že motory DC Maxon mají díky své koncepci vysokou účinnost, která je až 92 %. Růst teploty je proto při určitém výkonu na hřídeli mnohem nižší než u jiných komutátorových motorů. Navíc velká účinnost je zachována i při vysokých otáčkách. To znamená, že je nutné odvést jen malé množství tepla, a důsledkem je menší oteplení vinutí nad teplotu okolí.
 
Další údaje v katalogu, označené jako „tepelná data“ (Thermal data, Thermische Daten), umožňují vypočítat teplotu vinutí při známém průběhu proudu a známé teplotě okolí TU (°C). Pro časově ustálené zatížení se použijí hodnoty tepelného odporu přestupu tepla z vinutí na pouzdro motoru Rth1 a tepelného odporu přestupu tepla z pouzdra do okolního vzduchu Rth2. Druhý údaj (Rth2) je určen za stavu, kdy se pouzdro neochlazuje vedením tepla do rámu stroje. Proud do motoru se určí z požadovaného točivého momentu a momentové konstanty kM(mN·m/A).
 
Pro výpočet maximálního přípustného trvalého proudu motoru I(TU) pro danou teplotu okolí TU je možné použít rychlostní charakteristiku daného motoru (obr. 2), která je v katalogu uvedena pro teplotu okolí Tst = 25 °C, a danou maximální teplotu motoru Tmax (°C). Vztah pro výpočet proudu je:
 
(2)
 
Pro posouzení vlivu proudu s časově proměnným průběhem je užitečný údaj katalogu o teplotní časové konstantě vinutí τw a teplotní časové konstantě celého motoru τS. Teplotní časová konstanta vinutí je několik sekund až desítek sekund, časová konstanta motoru několik set sekund až 2 000 sekund. Teplotní časová konstanta je doba, za niž se teplota při skokové změně zatížení změní o 63 % nárůstu teploty do ustáleného stavu.
 
Teplo PCu, které vzniká ve vinutí motoru, se snadno určí podle vztahu (1), přičemž odpor R se najde v katalogu. Oteplení vinutí ΔTw (K) a oteplení pouzdra motoru ΔTS (K) se určí násobením vzniklého tepla příslušným tepelným odporem, tedy
 
ΔTw = Pcu Rth1          (3)
ΔTs = Pcu Rth2          (4)
 
Stejnosměrné motory, nejsou-li výrazně ochlazované stykem kov-kov s rámem stroje, mají teplotní spád mezi pouzdrem a okolním vzduchem dvojnásobný až pětinásobný oproti spádu mezi vinutím a pouzdrem.
 

4. Odvádění tepla v motorech EC Maxon

U motorů EC Maxon je vinutí uloženo na statoru, dobře se statorem chladí a poměr ΔTS/ΔTw je až deset. Odvádění tepla rámem zvýší přestup tepla z pouzdra motoru až o 80 % a poměr spádů se zmenší. Je patrné, že teplota pouzdra motoru je bližší teplotě vinutí než teplotě okolí.
 
Dalším zdrojem tepla, které vzniká při činnosti motorů EC Maxon, jsou ztráty v železe, tj. ztráty vířivými proudy a hysterezní ztráty. Jejich určení je obtížnější, protože jejich hodnota závisí na hmotnosti aktivních částí magnetického obvodu, činném odporu materiálu paketu, ploše hysterezní smyčky materiálu magnetického obvodu a frekvenci změn magnetického pole. Obecně lze říci, že se uplatňují zejména při vysokých rychlostech otáčení a orientační posouzení umožní tvar pravého okraje plochy přípustného zatížení a rychlosti v diagramu s osami rychlosti a zatížení v katalogu motorů (viz též [2]). Přípustný trvalý moment se při nejvyšší přípustné rychlosti snižuje na 30 až 85 % momentu při nulové rychlosti.
Záleží přitom na rozměrech motoru a na přípustné rychlosti otáčení, která je v rozmezí od 15 000 min–1 do 100 000 min–1.
 
U diskových motorů EC Maxon při vyšší rychlosti otáčení také vzniká více tepla, ale současně je intenzivnější i chlazení, protože vnější rotor působí jako chladicí ventilátor. Odvod tepla přitom s rychlostí otáčení roste strměji než vznikající ztrátové teplo, a motory je proto možné při vyšších rychlostech zatížit více než při pomalém chodu.
 

5. Vliv teploty na točivý moment

Měrný odpor mědi s teplotou roste o 0,392 % na kelvin, což znamená, že vinutí má při 75 °C o 20 % větší odpor R než při 25 °C. Pro dosažení stejného momentu je proto nutné zvýšit napětí. Při nulové rychlosti je vliv odporu R na rozběhový moment lineární, ale se zvyšující se rychlostí otáčení se vliv úbytku napětí na činném odporu vinutí s ohledem na indukované napětí zmenšuje.
 
Teplota rovněž ovlivňuje tvar hysterezní smyčky materiálu permanentního magnetu. Je možné si to zjednodušeně představit tak, že se pohyby atomů permanentního magnetu s rostoucí teplotou zintenzivňují. Tím dochází k narušování orientovaného uspořádání magnetických domén, kterého bylo dosaženo magnetováním. Pro kvalitu permanentního magnetu je důležitý tvar jeho demagnetizační křivky a především dvě hodnoty, které z ní lze přečíst: remanence Br a koercitivita Hc. Růstem teploty se snižuje remanence magnetu a v důsledku toho klesá i magnetická indukce Bδ ve vzduchové mezeře. Stejný proud ve vinutí proto vytvoří menší moment. Koercitivita Hc se s teplotou zvyšuje a magnet je odolnější proti odmagnetování působením reakce kotvy nebo zvětšováním vzduchové mezery. Rozhodující pro hustotu energie, danou součinem velikostí magnetické indukce a intenzity magnetického pole v pracovním bodě magnetu BH (J·m–3), je však hodnota remanence Br, a růst teploty proto zmenšuje momentovou konstantu motoru kM (mN·m/A).
 
Vliv teploty na jmenovitý moment motoru je graficky znázorněn na obr. 3 (červená křivka). Modrá křivka v obr. 3 ukazuje, jak se situace může zlepšit zabudováním motoru do rámu stroje. Jako příklad je uvedena situace, kdy se původní tepelný odpor přestupu tepla z pouzdra motoru do okolního vzduchu Rth2 zmenšil zlepšením odvodu tepla do rámu stroje na polovinu (Rth2mod = 0,5Rth2). Vztah pro výpočet proudu I(TU), zahrnující vliv změn Rth2, tedy změn podmínek odvodu tepla z pouzdra motoru, je:
 
(5)
 
Citlivost magnetického materiálu na zvyšování teploty lze posoudit podle teploty jeho Curieova bodu, při které materiál ztratí magnetické vlastnosti a remanence se zmenší na nulu. Pro některé materiály používané u motorů firmy Maxon jsou hodnoty Curieova bodu uvedeny v tab. 1.
 
Posouzení vhodnosti magnetu pro danou úlohu se ponechává na výrobci motorů. Příkladem jsou motory EC 16 a EC 22 pro lékařské účely, vhodné pro sterilizaci vodní párou o teplotě 134 °C a tlaku 230 kPa po dobu 20 min. Magnet z materiálu NdFeB je při tomto procesu napadán korozí. Řešením je osmkrát dražší magnet Sm2Co17.
 

6. Převodovky

Motory pro vysoké teploty okolí jsou téměř vždy vybaveny převodovkami. Většina planetových převodovek Maxon má nejvyšší přípustnou provozní teplotu okolí TU = 100 °C. To platí jak pro větší převodovky s kuličkovými ložisky, tak i pro převodovky o průměru od 6 do 16 mm, které jsou vybaveny kuličkovými nebo kluznými samomaznými ložisky. Mezní teplotu lze zvýšit o několik desítek stupňů Celsia použitím maziva určeného pro vysokou teplotu, jehož viskozita je při teplotě 25 °C nižší. Pro kuličková ložiska je to tuk, pro kluzná olej.
 
U samomazných ložisek je olej obsažen v jejich pórech. Pro vytvoření olejového filmu je třeba pohybem hřídele zvýšit teplotu ložiska, aby se olej vytlačil. Svou roli při tom hraje viskozita. Má-li převodovka pracovat nejen při vysoké, ale i při velmi nízké teplotě, je vytlačování a zpětné nasátí oleje do pórů problematické. Životnost kluzného ložiska je proto kratší, nicméně i mezi nejmenšími převodovkami lze vybrat provedení s kuličkovými ložisky, která jsou na velký rozsah teplot
méně citlivá.
 

7. Snímače

Odolnost snímačů k vysokým teplotám okolí je dána odolností jejich elektronických součástek. Snímač se třemi Hallovými sondami, který je standardní výbavou motorů EC Maxon s přípustnou teplotou vinutí Tmax = 155 °C, snáší teplotu pouzdra, jež je o 10 až 20 °C nižší. U motorů EC-max je deska se snímači dokonce těsně vedle vinutí, protože snímače využívají pro svoji činnost silový magnet rotoru. To znamená, že snímač nijak neomezuje přípustné zatížení motoru.
 
Funkce inkrementálních snímačů typu MR je založena na změně odporu vodičů z materiálu s orientovanou texturou v závislosti na směru magnetického pole. Vodiče mikroskopického průřezu z NiFe mění svůj odpor přibližně o 3 % v závislosti na směru magnetického pole. Změna odporu s teplotou je vyšší než vliv směru magnetického pole, a proto je snímač tvořen několika čidly, zapojenými do Wheatstoneova můstku. Tyto snímače jsou běžně použitelné do 85 °C.
 
Standardní rozsah pracovních teplot optických inkrementálních snímačů HEDS a HEDL je do 100 °C.
 
Rezolver neobsahuje žádné elektronické součásti – pracuje jako polohový transformátor s otočným vinutím. Odolává provozním teplotám do 155 °C, tedy jako nejodolnější motor. Jeho analogovou informaci o poloze lze některým z převodníků převést na digitální, např. ve formátu dvou kanálů inkrementálního snímače.
 

8. Elektronika

Standardní provozní teplota okolí TU pro řídicí jednotky elektrických pohonů je 45 °C. Toto omezení mají i řídicí jednotky EPOS. Výrazný pokrok představuje nová koncepce kompaktního pohonu MCD, u kterého řídicí jednotka, integrovaná do jednoho konstrukčního celku s motorem EC30 o výkonu 60 W, snese teplotu pouzdra do 100 °C. Dalším pokrokem je hybridní řídicí jednotka, určená pro zabudování do motoru EC Maxon, jejíž provozní teplota je do 125 °C.
 

9. Závěr a pozvání na MSV Brno 2008

Vývojoví pracovníci firmy Maxon důsledně sledují, jak se mění požadavky kladené na elektrické pohony. Kromě neustále náročnějších požadavků na zvětšování koncentrace výkonu, snižování hluku a minimalizování vůle v převodech rostou také požadavky vyplývající z jejich použití v extrémních podmínkách.
 
Uvedený článek dokladuje vhodnost použití motorů Maxon v prostředí s vysokou okolní teplotou. Kompaktní pohon MCD je příkladem integrace pohonu s řídicí elektronikou do malého prostoru, přičemž přípustná teplota pouzdra je 100 °C. Nejpádnějším důkazem zkušeností s provozem motorů v extrémních podmínkách je jejich použití v robotech vyslaných na Mars.
 
Ve stánku společnosti Uzimex Praha, spol. s r. o., v hale V, č.107, najdou zájemci v průběhu MSV 2008 několik nejnovějších výrobků od firmy Maxon. Technici společnosti Uzimex jsou připraveni se zájemci konzultovat jejich použití v konkrétních úlohách.
Ing. Václav Brož,
doc. Ing. Vladislav Singule, CSc.,
ústav výrobních strojů, systémů a robotiky,
Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně
 
Literatura:
[1] SINGULE, V.: Vlastnosti a použití mikromotorů. Automa, 2008, roč. 14, č. 3, s. 62–64.
[2] BROŽ, V.: Jaký elektrický pohon do 400 W? Automa, 2007, roč. 13, č. 8-9, s. 53–55.
 
Obr. 1. Komutátorový motor DC Maxon (nahoře) a motor s elektronickou komutací EC Maxon (dole)
Obr. 2. Stanovení maximálního přípustného trvalého proudu motoru pro danou teplotu okolí
Obr. 3. Vliv teploty a zástavby motoru na jmenovitý moment motoru
 
Tab. 1. Teploty Curieova bodu pro některé materiály