Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Nová řada EC motorů Maxon určená pro extrémní podmínky

Požadavky na technická zařízení stále rostou, ať už z pohledu spolehlivosti, bezpečnosti, vý­konnosti, komfortu obsluhy a designu či rozsahu provozních podmínek. Zvláště vysoké po­žadavky jsou kladeny při tzv. kritických úlohách, vyskytujících se zejména v letectví a kosmo­nautice, v lékařství a těžebním průmyslu. V těchto odvětvích jsou zařízení provozována na samotné mezi jmenovité zatížitelnosti konstrukce a někdy i za ní. Důsledkem je zkrácení doby provozního života zařízení a především větší riziko havárie, tj. menší bezpečnost provozu. Firma Maxon motor přichází na trh s novou řadou elektronicky komutovaných (EC) stejno­směrných motorů s výkonem do 240 W s označením EC 22 HD, určených pro extrémní pod­mínky. Nová řada produktů by měla rozšířit možnosti použití EC motorů právě v odvětvích vy­značujících se kritickými úlohami a otevřít zde cestu k novým špičkovým technickým řešením.
 
Významným faktorem ovlivňujícím vlast­nosti motorů, převodovek, snímačů a řídicí elektroniky je teplota jejich pracovního pro­středí. Při výběru pohonu pro určitý účel je nutné brát tuto závislost v úvahu. K posou­zení vhodnosti motoru pro danou úlohu však nestačí znát pouze teplotu okolního prostředí, ale také zatížení a otáčky motoru v závislosti na provozních podmínkách. Nedaří-li se na­lézt motor vhodný pro dané zatížení a provoz­ní podmínky, musí konstruktér často zvážit možnost chlazení, a to jak samotného moto­ru, tak i ostatních komponent. Někdy lze vy­stačit s pasivním chlazením. Stále častěji je ale třeba použít chlazení aktivní, čímž značně vzrostou náklady na realizaci pohonu, a tím i finální cena celého zařízení.
 

Motory do teploty okolí až 200 °C

 
Díky novému konstrukčnímu řešení mo­torů Maxon řady EC 22 HD (Heavy Duty) by měla podstatná část uvedených komplikací při výběru pohonu odpadnout. Nové motory jsou navrženy tak, aby mohly být provozová­ny při teplotách okolí od –55 až do +200 °C. Veškeré komponenty motoru přitom musí být z principu navrženy na teploty vyšší, popř. nižší, než jsou uvedené mezní teplo­ty okolního prostředí. Toto platí především pro kladné teploty. Každý motor je zdrojem tepla vznikajícího v důsledku ztrát ve vinu­tí, ztrát v magnetickém obvodu a mechanic­kých ztrát.
 
Hlavním zdrojem tepla je ztrátový výkon na činných odporech vinutí, jehož velikost lze vypočítat podle vztahu
 
ΔPCu= I2R (W)      (1)
 
kde
ΔPCuje ztrátový výkon ve vinutí,
I střední hodnota proudu,
R odpor vinutí.
 
Ztráty v magnetickém obvodu (vířivými proudy a hysterezní ztráty) vznikají pouze v motorech, v jejichž magnetickém obvodu existuje časově proměnné magnetické pole.
 
Z uvedených důvodů jsou veškeré vnitřní komponenty nových motorů navrženy tak, aby odolávaly teplotám při­nejmenším 240 °C.
 

Konstrukce

 
Konstrukční uspořádaní klasických válcových EC mo­torů Maxon je zřejmé z obr. 1. Rotor je tvořen osově vyvrta­ným prstencovým permanent­ním magnetem, který je při­lepen ke hřídeli. Homogenní samonosné vinutí značky Maxon je jako sou­část statoru umístěno uvnitř laminovaného fe­romagnetického pláště bez pólů. Základním přínosem této koncepce vinutí jsou malé prů­měry motorů, snížené ztráty v železe a rovno­měrný točivý moment. Dílčí nedostatky této konstrukce spočívají v následujícím:
  • lepidlo ve spoji magnet-hřídel při vyšších teplotách měkne,
  • vrtat magnety je nákladné a zhor­šují se magnetic­ké vlastnosti,
  • opakované otep­lování a ochlazo­vání zeslabuje le­pený spoj.
Motory nové kon­cepce (obr. 2) mají podobné konstrukč­ní uspořádání jako klasické válcové EC motory, avšak s tím rozdílem, že magnety se již nelepí ke hřídeli. Detaily uspořádá­ní nového typu rotoru jsou patrné z obr. 3. Magnety jsou uloženy v ocelovém pouzdře, k jehož čelům jsou přivařeny čepy hřídele. Ocelové pouzdro chrání magnety před korozí a zabraňuje jejich poškození (rozlomení) při mimořádně velkých rázech a vibracích. Vzhle­dem k vysokým teplotám je použit magnetic­ký materiál SmCo, který má podstatně vyšší Curieho bod, než je tomu u materiálu FeNdB, použitého na klasických motorech Maxon. Celé pouzdro s magnety je vloženo do stato­ru. Kromě toho je svařeno vše, co se pohybu­je, tedy i ložiska s hřídelí. Při tomto novém konstrukčním řešením odpadají i nedostatky způsobené lepením magnetů, a protože vinu­tí kotvy je k tělesu statoru přilepeno teplot­ně odolným lepidlem, jsou tyto nové moto­ry použitelné i při vysokých teplotách okol­ního prostředí.
 
Motory řady EC 22 HD jsou vyráběny jako třífázové dvoupólové, a to ve dvou pro­vedeních. Jedno provedení je určeno pro provoz motoru v oleji a druhá konstrukční va­rianta je určena pro klasické použití, kdy je okolním prostředím vzduch. Konstrukční roz­měry obou variant jsou stejné, a to průměr 22 mm a délka do 90 mm. U motorů urče­ných k použití na vzduchu jsou otvory v pří­rubách tělesa statoru uzavřeny. Je-li motor po­užit v olejové lázni, jsou otvory v přírubách otevřeny a musí být zajištěno, aby olej pro­nikl co nejsnáze do motoru.
 
Ložiska jsou mazána mazacím tukem, který při použití motoru na vzduchu zůstává v ložiskách po celou dobu provozního živo­ta motoru a musí vyhovovat požadovanému rozmezí teploty. Při provozu motoru v oleji je mazací tuk olejem vyplaven a mazání za­jišťuje olej přítomný v motoru.
 

Provozní podmínky

 
Motory EC 22 HD lze provozovat v prostře­dí s tlakem až 170 MPa a s teplotou v rozmezí od –55 do +200 °C. Mohou být vystaveny vi­bracím s efektivní hodnotou zrychlení až 25 g a přetížení a rázům o velikosti až 100 g. Maxi­mální otáčky motoru jsou 20 000 min–1 a maxi­málně přípustná teplota vinutí je 240 °C. Všech­ny provozní parametry motorů jsou udávány v závislosti na teplotě okolního prostředí. Pro představu jsou v tab. 1 uvedeny hodnoty vybra­ných parametrů motorů pro teploty 25 a 200 °C.
 

Tepelné vlastnosti motorů

 
Hlavním zdrojem ztrátového tepla v mo­torech, na jehož odvod je třeba se zaměřit, jsou ztráty ve vinutí. U EC motorů je vinu­tí součástí statoru, takže se přes plášť mo­toru dobře chladí odvodem tepla do okol­ního prostředí. Důležitými parametry jsou přitom tepelný odpor přechodu vinutí-plášť a odpor přechodu plášť-okolí. Velikosti těchto tepelných odporů jsou dány přede­vším vlastnostmi materiálu, např. tepelnou kapacitou, tvarem, velikostí, barvou, úpra­vou povrchů atd.
 
Ke zjištění oteplení vinutí při daném vý­konu je třeba sestavit tepelnou bilanci moto­ru, což lze udělat několika způsoby. Jako nej­vhodnější se jeví metoda tepelných sítí, která je založena na tepelných odporech. Nejdříve je třeba sestavit tepelnou síť, která má v da­ném případě dva uzly, jeden reprezentující vi­nutí a druhý plášť motoru (obr. 4). Pro každý uzel lze sestavit bilanci tepelných toků, tak­že se získá soustava rovnic
 
Rovnice     (2)
 
Rovnice     (3)
 
kde
Rv-pl je tepelný odpor rozhraní mezi vinutím a pláštěm,
Rpl-a tepelný odpor rozhraní mezi pláštěm a okolím,
ta teplota okolí,
tpl teplota pláště motoru,
tv teplota vinutí motoru.
 
Vyřešením soustavy rovnic (2) a (3) se zjistí teploty vinutí a pláště v ustáleném sta­vu při požadovaném výkonu motoru a teplotě okolí. Pro zjištění dynamiky oteplení motoru je nutné do tepelné sítě zakomponovat ještě teplotní časové konstanty pro jednotlivé uzly. Tyto konstanty jsou také uvedeny v katalogu.
 
Při dosazení údajů pro obě provedení mo­torů do rovnic (2) a (3) a porovnání výsledků bude patrné, že teplota pouzdra motoru chla­zeného vzduchem je bližší teplotě vinutí než teplotě okolí. Naopak pro motor chlazený ole­jem bude teplota oleje, pouzdra a vinutí při­bližně stejná. Tento závěr lze odvodit i z po­měrů jednotlivých tepelných odporů pro dané okolní prostředí (tab. 2).
 
Dalším zdrojem tepla EC motorů jsou ztráty v magnetickém obvodu, tj. ztráty ví­řivými proudy, a hysterezní ztráty. Urču­jí se obtížněji, protože jejich hodnota závisí na hmotnosti aktivních částí magnetického obvodu, činném odporu materiálu paketu sta­toru, ploše hysterezní smyčky materiálu mag­netického obvodu a frekvenci změn magne­tického pole. Obecně lze říci, že se uplatňují zejména při velkých otáčkách.
 

Vliv teploty na výkon

 
Měrný odpor mědi s teplotou roste o 0,392 % na stupeň Celsia, což znamená, že odpor R vi­nutí motoru je při teplotě 75 °C o 20 % vět­ší než při teplotě 25 °C. K dosažení stejné­ho točivého momentu (proudu v motoru) je proto třeba zvýšit napájecí napětí. Při nulové rychlosti je vliv odporu R na rozběhový mo­ment lineární a s růstem otáček se vliv úbytku na činném odporu vinutí zmenšuje v důsled­ku zvyšování indukovaného napětí.
 
Teplota rovněž ovlivňuje tvar hysterez­ní smyčky materiálu permanentního mag­netu, protože pohyby atomů permanentního magnetu se s rostoucí teplotou zintenzivňu­jí. Tím je narušováno orientované uspořádání magnetických domén, kterého bylo dosaže­no magnetováním. Pro kvalitu permanentní­ho magnetu je důležitý tvar jeho demagneti­zační křivky a především její dva body, rema­nence Br a koercitivita Hc. S růstem teploty klesá remanence magnetu, a tudíž i magne­tická indukce Bδ ve vzduchové mezeře. Dů­sledkem je menší točivý moment při stejně velkém proudu ve vinutí statoru.
 
Ze zmíněných důvodů jsou charakteris­tiky motorů udávány v závislosti na teplotě (obr. 5, obr. 6). Z uvedených charakteristik je patrné, že motory určené k použití v oleji je možné provozovat při vyšších výkonech, a to právě díky lepšímu odvodu tepla z mo­toru. Charakteristiky jsou rozděleny do ně­kolika oblastí podle teploty okolí a bílou barvou je v grafu vyznačena oblast krátko­dobého provozu. Jednotlivé odstíny červené znázorňují oblasti trvalého provozu motoru pro danou teplotu. Černě jsou znázorněny výkonové křivky.
 

Převodovky, snímače, elektronika

 
Ve většině úloh, např. při ovládání klapek a ventilů, jsou požadovány velké síly a mo­menty, a je tudíž nutné použít převodovky. Ty jsou obvykle specifické pro danou úlohu. Zde jsou dvě možnosti – buď firma Maxon navrh­ne a vyrobí převodovku na zakázku, nebo zákazník použije svoji či jinou převodovku. Připraveny jsou i převodovky s pohybovými šrouby poskytující lineární pohyb.
 
Motory mohou být dodávány jak s Hallo­vými snímači umístěnými na desce plošných spojů, kde nosná konstrukce jejich otočné části nesoucí řídicí magnet je rovněž přivaře­na k hřídeli, tak i bez těchto senzorů. Vlastní Hallovy snímače jsou schopny pracovat při teplotě až –55 °C, mají tedy nadstandardní teplotní odolnost.
 
Příslušně teplotně odolné musí být i všechny ostatní elektrické a elektronické prvky. Z důvodu odolnosti proti vysokým teplotám má přívodní kabel plášť z teflonu s odolností do 240 °C a desky plošných spo­jů jsou vyrobeny ze speciálního polyimidu, který při 200 °C sice ztmavne, ale zůstá­vá nepoškozen a je funkční až do teplo­ty 260 °C.
 

Oblasti použití

 
Nové konstrukční řešení otevírá EC moto­rům do výkonu 200 W mnoho nových mož­ností použití v mnoha různých úlohách. Obě verze motorů, k použití na vzduchu i v oleji, najdou obecně uplatnění v prostředí s extrém­ními teplotami, v prostředí s extrémními rázy a vibracemi podle MIL-STD810F/Jan2000, konkrétně např. ve vrtacích soupravách určených k prozkoumávání zemského podloží v hloubkách větších než 2 500 m.
 
Motory přizpůsobené k použití na vzdu­chu jsou předurčeny pro oblast letectví, kde mohou být použity k pohonu palivových čer­padel spalovacích motorů a ve spouštěcích soustavách turbínových leteckých motorů, kde teploty okolí mo­hou přesahovat 150 °C. Mimořádně vhodné jsou také pro úlohy spjaté s ultravysokým vakuem (nepatrný vývin plynů až do teploty 240 °C) a v průmyslu např. k po­honu čerpadel a ovlá­dání armatur chladicích systémů tekutých kovů, k řízení parametrů paliva nebo páry, ovládání ventilů turbín v plyno­vých a parních elektrár­nách atd.
 

Závěr

 
V úlohách, v nichž se již EC motory značky Maxon osvědčily, usnad­ní tato nová, mimořádně odolná konstrukce jejich další použití. Jako před­stavitele z již několika vesmírných misí lze jme­novat dva šestikolové ro­boty Spirit a Opportuni­ty, které více než tři roky brázdí a zkoumají ne­hostinný povrch planety Mars. Původně se před­pokládalo, že doba jejich života bude nanejvýš asi tři měsíce. Jejich vy­trvalost je tudíž velkým překvapením. Svěd­čí o kvalitě mj. použitých motorů a dokazuje oprávněnost tvrzení, že jsou určeny pro kri­tické úlohy. Stejně tomu je u nových motorů EC 22 HD, které jsou již použity ve více než stovce mimořádně náročných úloh.
 
Poděkování
Příspěvek vznikl s podporou projektu spe­cifického výzkumu Fakulty strojního inže­nýrství Vysokého učení technického v Brně Environmentální a bezpečnostní aspekty vý­roby a vývoje, výroby a provozu strojů.
 
Literatura:
[1] BROŽ, V. – SINGULE, V.: Motory Maxon vhodné pro vysoké teploty. Automa, 2008, roč. 14, č. 8-9, s. 81–83.
[2] Firemní materiály firmy Maxon motor ag.
Ing. Jiří Toman
doc. Ing. Vladislav Singule, CSc.
Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně
 
Obr. 1. Klasické konstrukční uspořádání EC motorů maxon
Obr. 2. Konstrukční uspořádání odolných motorů řady EC 22 HD
Obr. 3. Uspořádání rotoru v odolných moto­rech řady EC 22 HD (nahoře: ocelové pouzdro s čepy hřídele, dole: vysokoteplotní magnet)
Obr. 4. Tepelná síť motoru EC 22 HD
Obr. 5. Provozní rozsahy motoru určeného k použití na vzduchu (n – otáčky, M – točivý moment)
Obr. 6. Provozní rozsahy motoru určeného k použití v oleji (n – otáčky, M – točivý moment)
 
Tab. 1. Provozní parametry motorů EC 22 HD v závislosti na teplotě okolního prostředí ta
Tab. 2. Tepelné odpory motorů EC 22 HD
 

Společnost Maxon motor v ČR a SR

Společnost Maxon motor je v České republice a na Slovensku zastupována společností Uzimex Praha, spol. s r. o., jejíž technici zajišťují technickou podporu od vývojové fáze pro­jektu až po zavedení zařízení do výroby a následně také spolehlivou výrobní logistiku. Kon­taktní i všechny potřebné technické údaje a katalogy i články o využití produktů společnos­ti Maxon motor v nejrůznějších odvětvích průmyslu naleznou zájemci na www.uzimex.cz.