อะไรคือสาเหตุที่ทำให้เกิดความเสี่ยงของการสูญเสียแม่เหล็กถาวรในมอเตอร์แบบเพอร์มาเนนต์แมกเนต (PMSM) ภายในโรงงานที่มีอุณหภูมิสูง

สายการผลิตพลาสติกที่สูญเสียแรงบิด

โรงงานอัดขึ้นรูปพลาสติกแห่งหนึ่งในมณฑลเจ้อเจียง ใช้มอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบ PMSM กำลัง 75 กิโลวัตต์ ขับเครื่องอัดขึ้นรูปหลัก โดยติดตั้งมอเตอร์ไว้ห่างจากฮีตเตอร์ของบาร์เรลเพียงสองเมตร ซึ่งทำให้อุณหภูมิอากาศรอบข้างสูงถึง 68 องศาเซลเซียสในช่วงฤดูร้อน หลังผ่านไปหนึ่งฤดูกาล หัวหน้าสายการผลิตสังเกตเห็นว่าเครื่องอัดขึ้นรูปหมุนช้าลงเมื่อทำงานภายใต้โหลด และกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้มอเตอร์เพิ่มสูงขึ้น แม้จะให้กำลังผลิตเท่าเดิม มอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบ PMSM ที่เคยทำงานได้ดีมาตลอดหนึ่งปี กลับต้องดึงกระแสไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อให้ได้แรงบิดเท่ากับที่ระบุไว้ ทางโรงงานจึงถอดมอเตอร์ออกและส่งไปตรวจสอบ ผลการทดสอบพบว่าสนามแม่เหล็กของโรเตอร์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ จนมอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบ PMSM ไม่สามารถรักษาระดับสนามแม่เหล็กตามค่าที่กำหนดไว้ได้ตลอดกะการทำงาน

แหล่งความร้อนที่เกิดขึ้น

เครื่องทำความร้อนแผ่ความร้อนเข้าไปในช่องหุ้มมอเตอร์ ส่วนเครื่องอัดรีดเองก็ปล่อยอากาศร้อนกลับเข้าสู่ช่องรับลมของพัดลม มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่ติดตั้งอยู่ตำแหน่งนั้นต้องทำงานภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมที่คงที่เกิน 60 องศาเซลเซียส บวกกับความร้อนที่เกิดขึ้นเองจากขดลวด ทำให้โรเตอร์ร้อนกว่าค่าที่ระบุไว้บนป้ายชื่อ มันสำราญในตลับลูกปืนเจือจางลง ฉนวนไฟฟ้าเสื่อมสภาพเร็วขึ้น และแม่เหล็กถาวรอยู่ใกล้ขีดจำกัดอุณหภูมิสูงสุดมากกว่าที่รอบการทำงาน (duty cycle) ที่ออกแบบไว้สำหรับบริเวณนั้นเคยคำนึงถึง

ความเสี่ยงจากการทำงานที่อุณหภูมิสูง

มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) พึ่งพาแม่เหล็กเนโอดิเมียมแบบเผาอัด (sintered neodymium magnets) ซึ่งสามารถรักษาสนามแม่เหล็กได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิไม่เกินเกณฑ์สูงสุดที่กำหนดไว้ตามเกรดของแม่เหล็กเท่านั้น หากอุณหภูมิเกินเกณฑ์นี้ การสูญเสียสนามแม่เหล็กจะกลายเป็นการสูญเสียแบบถาวร: สนามแม่เหล็กอ่อนแอลง แรงบิดลดลง ระบบขับเคลื่อนจึงเพิ่มกระแสไฟฟ้าเพื่อชดเชย แต่กระแสไฟฟ้าส่วนเกินนี้กลับสร้างความร้อนเพิ่มขึ้นอีก มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) จึงอาจเข้าสู่ภาวะเกลียวความร้อน (thermal spiral) ที่สาเหตุและวิธีแก้ไขมาเสริมกันจนแม่เหล็กถาวรได้รับความเสียหายอย่างถาวรขณะใช้งานจริง

เหตุผลที่แม่เหล็กในมอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) เสียหาย

ความล้มเหลวนี้เป็นความล้มเหลวทางกายภาพ ไม่ใช่ทางอิเล็กทรอนิกส์ มอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบ PMSM มีสนามแม่เหล็กอยู่ที่โรเตอร์ ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิของแม่เหล็กเกินค่าที่กำหนดไว้ การจัดเรียงตัวของอะตอมจะเริ่มคลายตัว แม่เหล็กเกรดสูงกว่าสามารถทนความร้อนได้มากกว่า แต่ทุกเกรดย่อมมีขีดจำกัดสูงสุดที่แน่นอน และมอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบ PMSM จะไม่แสดงสัญญาณเตือนใดๆ เมื่อโรเตอร์เข้าใกล้ขีดจำกัดนั้นในช่วงอากาศร้อน

เกรดของแม่เหล็กกำหนดเพดานสูงสุด

แม่เหล็กเนโอดิเมียมมีหลายเกรด เช่น เกรดที่ใช้งานได้สูงสุดที่ 150 °C, 180 °C และ 200 °C โดยมอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบ PMSM ที่ออกแบบสำหรับงานเบาอาจใช้แม่เหล็กเกรดต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ในเวิร์กช็อปที่มีอุณหภูมิสูง การเลือกใช้แม่เหล็กเกรดสูงกว่าจึงปลอดภัยกว่า เพราะระยะห่างระหว่างอุณหภูมิแวดล้อมบวกกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจากขดลวดคือสิ่งที่รักษาเสถียรภาพของแม่เหล็กไว้ การระบุเกรดผิดเป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการเสื่อมสมบัติแม่เหล็กก่อนวัยอันควรในมอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบ PMSM ที่ทำงานใกล้เตาอบ

กระแสไฟฟ้ากระชากเพิ่มความร้อน

เมื่อสนามแม่เหล็กลดลง ตัวควบคุมจะเพิ่มกระแสไฟฟ้าเพื่อรักษาความเร็วไว้ และกระแสไฟฟ้านั้นจะไหลผ่านขดลวดเกิดเป็นการสูญเสียพลังงานที่ทำให้เครื่องทั้งหมดร้อนขึ้น ขณะอยู่ในสถานะนี้ มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) จะร้อนยิ่งกว่าเดิม ส่งผลให้แม่เหล็กถูกใช้งานเกินขีดจำกัดที่กำหนดไว้มากขึ้น วงจรแบบเกลียวเช่นนี้จึงเป็นเหตุผลที่อุณหภูมิเริ่มต้นที่สูงเกินเล็กน้อยอาจนำไปสู่ความเสียหายของโรเตอร์อย่างถาวร แทนที่จะเป็นเพียงการหยุดทำงานชั่วคราวตามปกติที่โรงงาน

มาตรฐานที่กำหนดขีดจำกัด

มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ต้องระบุค่าพารามิเตอร์ตามกฎเกณฑ์ด้านความร้อนเดียวกับเครื่องจักรหมุนทั่วไป โดยรหัสมาตรฐานต่าง ๆ ได้กำหนดค่าตัวเลขที่รับประกันความปลอดภัยของแม่เหล็กไว้ แผ่นป้ายกำกับค่าเทคนิค (rating plate) และรายงานผลการทดสอบ คือสิ่งที่วิศวกรโรงงานพิจารณาก่อนนำอุปกรณ์ไปใช้งานจริงในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงและระบบระบายอากาศไม่ดี

IEC 60034-1 ชนิดของชั้นอุณหภูมิ

IEC 60034-1 กำหนดระดับอุณหภูมิของฉนวน — ระดับ B ที่ 130 °C, ระดับ F ที่ 155 °C, และระดับ H ที่ 180 °C — โดยมอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) จะได้รับการจัดให้อยู่ในหนึ่งในระดับเหล่านี้ ระดับดังกล่าวระบุปริมาณความร้อนรวมสูงสุดที่มอเตอร์สามารถทนได้ แต่เกรดของแม่เหล็กจะกำหนดขีดจำกัดภายในที่เข้มงวดกว่า ดังนั้นทั้งสองปัจจัยจึงต้องสอดคล้องกันเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงและระบบระบายอากาศไม่เพียงพอ

IEC 60034-25 การลดกำลังงานของอินเวอร์เตอร์

IEC 60034-25 ให้แนวทางในการใช้มอเตอร์ที่ขับด้วยอินเวอร์เตอร์ และแนะนำให้ผู้ระบุข้อกำหนดลดกำลังงานของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) เมื่อความร้อนจากฮาร์โมนิกหรือความถี่การสลับสูงทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานเพิ่มขึ้น ในโรงงานที่มีอุณหภูมิสูง การลดกำลังงานนี้ไม่ใช่ทางเลือก แต่เป็นสิ่งจำเป็น เนื่องจากการสูญเสียพลังงานเพิ่มเติมจากอินเวอร์เตอร์จะซ้อนทับกับความร้อนจากกระบวนการที่มีอยู่แล้วบริเวณโรเตอร์ และเร่งให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างรวดเร็ว

วิธีปกป้องมอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM)

การป้องกันส่วนใหญ่คือการเลือกและตรวจสอบ ไม่ใช่การซ่อมแซม มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่ได้รับการระบุค่า การระบายความร้อน และการเฝ้าสังเกตอย่างเหมาะสมจะรักษาค่าฟลักซ์ไว้ได้นานหลายปี แม้ในสภาพแวดล้อมที่อบอุ่น เช่น โรงซ่อม ในขณะที่มอเตอร์ที่มีข้อกำหนดต่ำเกินไปจะเสียหายอย่างเงียบเชียบและสร้างค่าใช้จ่ายสูงเมื่อใช้งานจริง

เลือกระดับเกรดของแม่เหล็กที่สูงกว่ากรณีที่เลวร้ายที่สุด

ระบุค่าอุณหภูมิของแม่เหล็กให้รองรับอุณหภูมิแวดล้อมสูงสุดที่พื้นที่ติดตั้งจะพบ รวมกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจากขดลวด และเพิ่มขอบปลอดภัยอีกส่วนหนึ่ง จากนั้นจึงเลือกเกรดที่สูงขึ้นอีกหนึ่งระดับ มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่ติดตั้งในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิ 60 °C ไม่ควรใช้แม่เหล็กที่ระบุค่า 150 °C หากแม่เหล็กเกรด 200 °C สามารถติดตั้งลงในโครงมอเตอร์ได้ เพราะขอบปลอดภัยนี้คือสิ่งที่ช่วยให้มอเตอร์ทนต่อคลื่นความร้อนได้ รอยประทับเกรดบนป้ายชื่อคือหลักฐานที่โรงงานเก็บไว้ยืนยัน

ติดตามอุณหภูมิและการระบายอากาศ

ติดตั้งเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิของสเตเตอร์และแบริ่ง พร้อมรักษาความสะอาดและเย็นของอากาศที่ไหลเข้า เนื่องจากมอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ใช้อากาศรอบตัวในการระบายความร้อน ให้บันทึกค่าการวัดเปรียบเทียบกับค่าพื้นฐาน และดำเนินการทันทีเมื่อค่าเริ่มเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ ก่อนที่โรเตอร์จะถึงขีดจำกัด อุปกรณ์ตัดวงจรความร้อน (thermal cutout) และเกรดแม่เหล็กที่ระบุโดยบริษัท Enneng Motor จะช่วยให้โรงงานยืนยันขีดจำกัดของแม่เหล็กบนป้ายชื่อ (nameplate) ได้ก่อนฤดูร้อน

นอกเหนือจากการเลือกเกรดแม่เหล็กแล้ว การจัดวางตำแหน่งในห้องติดตั้ง (bay layout) มีผลต่ออุณหภูมิของโรเตอร์มากกว่าที่วิศวกรส่วนใหญ่คาดไว้ มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่ติดตั้งอยู่ในแนวลมร้อนจากท่อไอเสียของเครื่องทำความร้อนจะทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่ามอเตอร์รุ่นเดียวกันที่ติดตั้งในมุมที่ร่มเย็น ดังนั้นการย้ายตู้ครอบหรือติดตั้งแผ่นเบี่ยงทิศทางอากาศเฉพาะจุดมักสร้างระยะปลอดภัยที่จำเป็นเพื่อป้องกันการสูญเสียสมบัติแม่เหล็ก การปรับเปลี่ยนสถานที่ติดตั้งแบบง่ายๆ เช่นนี้มีต้นทุนต่ำกว่าการซ่อมแซมแม่เหล็กใหม่หลายเท่า และยังปกป้องสนามแม่เหล็กโดยไม่ต้องสัมผัสตัวมอเตอร์เอง

คำถามที่พบบ่อย

อุณหภูมิเท่าใดที่ทำให้มอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) เสียหาย

แม่เหล็กนีโอดิเมียมที่ผ่านกระบวนการเผาขึ้นรูปจะสูญเสียสนามแม่เหล็กเมื่ออุณหภูมิเกินค่าที่ระบุไว้สำหรับเกรดของมัน โดยทั่วไปคือ ๑๕๐ °ซ สำหรับเกรดมาตรฐาน และสูงสุดถึง ๒๐๐ °ซ สำหรับเกรดทนความร้อนสูง มอเตอร์แบบแม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่ติดตั้งในโรงงานที่มีอุณหภูมิแวดล้อม ๖๐ °ซ และมีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิขดลวดอีก ๙๐ °ซ จะอยู่ใกล้ขอบเขตต่ำสุดของเกรดแม่เหล็กนั้นแล้ว ความเสียหายที่เกิดขึ้นนี้ไม่สามารถฟื้นฟูกลับคืนได้ ดังนั้นเกรดของแม่เหล็กจึงต้องสามารถรองรับอุณหภูมิสูงสุดที่โรเตอร์อาจประสบได้ พร้อมระยะปลอดภัยเพิ่มเติม

เลือกเกรดของแม่เหล็กสำหรับพื้นที่ที่มีอุณหภูมิสูงอย่างไร

การเลือกเกรดจะนำอุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด อุณหภูมิขดลวดที่เพิ่มขึ้น และระยะปลอดภัยมารวมกัน จากนั้นจึงเลือกเกรดแม่เหล็กนีโอดิเมียมที่สูงกว่าค่าที่คำนวณได้หนึ่งระดับ มอเตอร์แบบแม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่ติดตั้งใกล้เตาอบหรือเครื่องอัดรีดควรใช้แม่เหล็กเกรด ๑๘๐ °ซ หรือ ๒๐๐ °ซ แทนที่จะใช้เกรดมาตรฐาน ๑๕๐ °ซ บริษัท เอ็นเนิง มอเตอร์ บันทึกเกรดแม่เหล็กไว้บนป้ายชื่อ เพื่อให้โรงงานตรวจสอบยืนยันได้ว่าขีดจำกัดอุณหภูมิของแม่เหล็กสอดคล้องกับสภาพความร้อนของพื้นที่ติดตั้ง

สัญญาณแจ้งเตือนจากกระแสควบคุมของอินเวอร์เตอร์สามารถบ่งชี้ถึงการสูญเสียสมบัติแม่เหล็กได้หรือไม่

ใช่ ขณะที่สนามแม่เหล็กลดลง ตัวควบคุมจะเพิ่มกระแสเพื่อรักษาความเร็ว ดังนั้นการเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ ของกระแสภายใต้ภาระคงที่จึงเป็นสัญญาณแรกเริ่ม สำหรับมอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่ต้องการแอมแปร์มากขึ้นเพื่อให้ได้กำลังขาออกเท่าเดิม แสดงว่าอาจสูญเสียฟลักซ์แล้ว การติดตามแนวโน้มของกระแสสเตเตอร์เทียบกับค่าพื้นฐานจะช่วยตรวจจับปัญหานี้ก่อนที่โรเตอร์จะเสียหายอย่างถาวรในโรงซ่อม

ฮาร์โมนิกจากอินเวอร์เตอร์ทำให้การถอดแม่เหล็กแย่ลงหรือไม่

อาจทำให้แย่ลงได้ ฮาร์โมนิกจากการสลับสัญญาณเพิ่มการสูญเสียทั้งในส่วนทองแดงและเหล็ก ซึ่งทำให้เครื่องจักรร้อนเกินสมมุติฐานแบบไซนัส สำหรับมอเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่ทำงานกับอินเวอร์เตอร์ที่รุนแรง ควรลดกำลังการใช้งานตามมาตรฐาน IEC 60034-25 เนื่องจากความร้อนส่วนเกินจากคอนเวอร์เตอร์จะทับซ้อนกับความร้อนจากกระบวนการ การกรองที่เหมาะสมและการตั้งค่าการสลับสัญญาณอย่างถูกต้องจะช่วยรักษาโรเตอร์ไว้ภายในงบประมาณความร้อนที่กำหนด

ควรบำรุงรักษามอเตอร์ที่ใช้งานในสภาพแวดล้อมร้อนอย่างไร

รักษาอุณหภูมิของอากาศที่ไหลเข้าให้เย็นและสะอาด ติดตามอุณหภูมิของแบริ่งและสเตเตอร์อย่างสม่ำเสมอ และดำเนินการทันทีเมื่อตรวจพบการเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ โมเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ไม่แสดงสัญญาณเตือนที่โรเตอร์ให้เห็นด้วยตาเปล่า จึงต้องพึ่งเซนเซอร์ในการตรวจสอบ ควรตรวจสอบเส้นทางการระบายความร้อนทุกฤดูกาล และยืนยันว่าเกรดที่ระบุบนป้ายชื่อตรงกับข้อกำหนดของพื้นที่ติดตั้งก่อนถึงช่วงพีคของหน้าร้อนที่มีอุณหภูมิสูง

แม่เหล็กเกรดสูงกว่าคุ้มค่ากับราคาที่เพิ่มขึ้นหรือไม่

โดยทั่วไป ใช่ — โดยเฉพาะในงานที่ต้องใช้งานภายใต้อุณหภูมิสูง ทางเลือกอื่นคือโมเตอร์แม่เหล็กถาวร (PMSM) ที่สูญเสียฟลักซ์แม่เหล็กและจำเป็นต้องซ่อมโรเตอร์ใหม่ ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการอัปเกรดเกรดแม่เหล็กตั้งแต่ขั้นตอนการซื้อหลายเท่า สำหรับเวิร์กช็อปที่มีอุณหภูมิแวดล้อมเกิน ๕๐ °ซ แม่เหล็กเกรดสูงกว่าจะช่วยรักษาประสิทธิภาพการส่งออกไว้ได้ และหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานแบบไม่คาดฝัน ดังนั้นค่าพรีเมียมเล็กน้อยจึงคืนทุนได้ผ่านเวลาการทำงานที่เพิ่มขึ้น