通过Dan Montone, PITTMAN Motors/AMETEK Precision Motion Control, Harleysville, PA

电机性能随温度变化而变化。了解热和温度变化的影响将有助于为应用选择正确的电机。

在给定的条件下，电机的性能会发生多大的变化?

在这里，我们看一个具体的例子，变化的电机性能使用特定的一组条件。初始数据为:

• 终端电压(V_T) 24 V
• 空载速度，(n₀) 3160转
• 无负载电流，(I₀0.30)
• 锁定转子转矩，(T_LR) 2.88海里
• 锁定转子电流，(I_LR40.7)
• 终端电阻(R_太) 0.59Ω
• 电压常数(K_E) 0.071 V / (rad / s)
• 转矩常数(K_T) 0.071 Nm /
• 电动机调节(R_米) 1111转/ Nm
• 电机初始温度，(Ѳ_我) 25°C
• 稳定电枢温度，(Ѳ_f) 125°C
• 电枢温升，(Ѳ_r) 100°C

条件:

• 初始电机数据是在室温25°C下使用快速测功机测试创建的
• 在电机负载一致的情况下，电枢温度稳定到125°C
• 没有使用散热器或强制气流
• 电机开环运行(无反馈调节轴输出功率)
• 电源使用-调节，50A最大输出，低输出阻抗
• 铜电机绕组
• 锶铁氧体(陶瓷)永磁体

当电枢温升稳定在100°C时，与电机初始温度25°C相比，终端电阻将更高，磁通密度将更低。这将导致R的变化_太K_T和K_E．

下面的计算假设永磁体和绕线电枢的温度相同。电机电枢是机器中携带电流的部分，它的温度永远比永磁体高。实际上，K的实际变化_TK_E，运动调节将不像下面的例子中演示的那样明显。

估计电机在125°C高温下的特性

增加终端电阻
R_太(f)= R_太(我)X [1 + α]_导体(Ѳ_f——Ѳ_我R)]_太(f)= 0.59Ω x[1 + 0.0040(125°C - 25°C)] R_太(f)= 0.83Ω

降低转矩和电压常数(K用于两个K_E和K_T假设国际标准单位)
K_(f)= K_(我)X [1 + α]_磁铁(Ѳ_f——Ѳ_我) K_(f)= 0.071 V/rad/s x[1 +(-0.0020)(125°C - 25°C)] K_(f)= 0.057 V/rad/s或Nm/A

降低锁定转子(失速)电流
我_LR= V_T/ R_太(f)
我_LR= 24v / 0.83Ω
我_LR= 28.92

降低锁定转子(失速)转矩
T_LR=我_LRx K_{T (f)}
T_LR= 28.92A x 0.057Nm/A
T_LR= 1.65海里

增加空载速度
n₀= 9.5493 x [V_T——我₀x R_太(f)) / K_{E (f)}] n₀= 9.5493 x [(24V - 0.30A x 0.83 Ω) / 0.057V/rad/s] n₀= 3979转

增加电机调节
R_米= n₀/ T_LR
R_米= 3979 RPM / 1.65 Nm
R_米= 2412 RPM / Nm

有趣的是，注意到多少性能变化与给定的电机温度的增加。尽管分析有助于理解这一现象，但它绝不是完美的。有几件事要记住。例如:

1)我们假设电机的所有部件都稳定上升100°C。在实际操作中，各种电机部件在不同的温度下会稳定下来，缠绕的电机电枢是最高的。

2)磁性材料的温度系数是该材料的平均值。在现实中，一个特定材料类别的不同等级的值会与平均值稍有偏差。

3)直流电机的真实热模型极其复杂。理论上很难得到准确的数值，因为要考虑的变量太多了。

然而，第一个近似分析对于应用电机和理解其在特定应用中的局限性是非常有帮助的。

电机常量和最大输出功率
很少，如果有的话，是电机运行在最大功率点长时间。除了小的，低功率的电机，大多数不能在不超过额定温度的情况下在最大功率点连续运行。下面的方程可以用来确定电机曲线上任意一点的功率和最大输出功率。

式6a -电机输出功率(任意点)
P_出= ω x T

式6b -最大输出功率
P_马克斯= 0.25 x ω₀x T_LR

式6c -最大输出功率(理论)
P_马克斯= 0.25 x (V_T²/ R_太）

方程6b和6c说明了电机阻力对机器输出功率能力的影响。虽然看方程6b并不直观，但在高温下较高的绕组电阻是降低电机最大输出功率能力的主要原因。即使磁通量降低，这同样由电机速度的增加补偿(由于降低K_E)．如果电阻保持不变，即使磁通密度降低，也不会显著改变电机的最大输出功率。在现实中，电阻越高(R_太)与降低的磁通密度(降低K_T)减少锁定转子转矩比仅仅减少磁通密度更大，这占最大输出功率的减少。

最大输出功率@ 25°C
P_max(我)= 0.25 x ω₀x T_LR
P_max(我)= 0.25 x 331 rad/s x 2.88 Nm
P_max(我)= 238 W

最大输出功率@ 125°C
P_马克斯(f)= 0.25 x ω₀x T_LR
P_马克斯(f)= 0.25 x 417 rad/s x 1.65 Nm
P_马克斯(f)= 172 W

高温下的最大功率约为室温下最大功率的70%。这是一个显著的变化，这是增加电机阻力的直接结果。公式6c给出的结果在上述数字的1%或2%内。该方程有助于快速估计任何直流电机的最大功率能力。

公布的数据-电机曲线有许多品种
大多数直流电机性能图表将显示至少两条曲线;速度和转矩，电流和转矩。制造商可能决定以略微不同的方式显示信息，并同时提供其他信息，如输出功率和效率曲线。

一个示例电机曲线去除所有其他变量，并假设电机是用一个固定的终端电压测试，使用低阻抗电源，并逐步加载测力计。测试要尽可能快地进行，以使电机温升降到最低。如果被测试的电机是一个小的次分数马力电机，测功机可能加载电机，直到轴转速达到零或接近零RPM。在较大的电机情况下，可将测功计设置为逐步加载电机到大约最大功率点。然后可以推断曲线的其余部分。这两种情况下的结果数据(理论上)是直线速度与转矩和电流与转矩曲线。

一些制造商，特别是那些提供完整伺服系统的制造商，可能会将性能曲线作为信息的“混合”，其中包括系统级别的限制。考虑的限制可以包括许多事情，如持续电流能力、峰值电流能力、驱动器/放大器功率限制、最大直流母线电压、最高电机额定温度、电机饱和和机械速度限制。许多制造商可能会说明电机转矩在“Y”轴上，速度在“X”轴上。图4中的示例曲线说明了如果考虑了最大转速、最大温升和峰值驱动电流等因素，数据可能会是什么样子。无论数据如何发布或考虑了其他系统因素，电机参数R_太K_T和K_E对于了解电机的真正性能至关重要。

在评估各种性能曲线时要记住的另一个因素是，实际的测试条件可能并不总是明显的。不同的供应商会发布不同的信息。在电机在测功机上快速测试的情况下(以减少温升)，这种方法往往是非常一致的，并提供一个良好的基线。缺点是结果不能代表最坏的情况。

如果在最高额定温度下测试电机，当电机温度稳定在一个明显高于室温的值时，用户将更好地理解电机的能力。缺点是有许多其他变量可以倾斜测试结果，如温度测量的方法，电机安装(造成热沉效应)，电机周围的空气流动，等等。一些电机制造商会在最坏的情况下测试他们的电机;电机稳定到完全额定温度，没有热下沉或强制气流。没有严格的指导方针规定制造商应该如何呈现性能数据。在评估信息时，重要的是要记住要问正确的问题。

整体电机结构和传热
机械结构影响电机的传热特性。在带有机械换向器和电刷的直流电机中，铜绕组绕在电枢周围的槽中。电枢上的铜绕组产生的热量将通过电枢层压片传导到电机轴和轴承系统。通过对流，热量也会通过气隙迁移到永磁体和外壳上，在那里它最终会被消散到周围的环境中。虽然一些热量传递是通过叠层叠片直接传导到轴承系统和外壳，但产生的大部分热量将通过气隙和磁铁流动。

在无刷直流电动机的情况下，铜绕组缠绕在槽中(在无槽无刷电机中)或形成对磁背铁(在无槽无刷电机中)，并构建为电机外壳内表面的一部分。这种结构允许从产生热量的铜到电机外壳的直接导热路径，在那里它将被消散到环境中。在无刷电机的永磁体是在机器的旋转部分。

在任何一种情况下，如果没有经验测试，即使不是不可能，也很难预测单个组件的温升，但有一点是肯定的;单个组件(电机内的热点)的热上升在有刷电机和无刷电机之间是不同的，所有其他因素保持相同。

没有什么可以替代应用程序测试
前面的讨论和计算示例的目的是为了更好地理解电机性能是如何随温度变化的。在应用条件下，对电机进行测试和验证是不可替代的。由于涉及的变量和假设的数量，一个适当的理论处理是不可行的。然而，示例计算可以作为初步近似，以了解可能变化的大小。

要了解电机在实际运行条件下的性能，最好的方法是用数据采集系统随着时间的推移收集温度数据，同时尽可能近距离地模拟应用。电机的各个部分应使用连接到轴承、端铃、绕组(在无刷电机的情况下)、磁铁(在有刷电机的情况下)和电机外壳的热电偶进行监控。记住要经常与应用程序工程师讨论设计标准。

转载信息> >

阿美泰克精密运动控制
www.ametek.com

运动控制技巧

---

了下:运动控制技巧

---