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步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)很燙,你覺(jué)得正常嗎？
步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)很燙,你覺(jué)得正常嗎？
電機(jī)燙的手都摸不上去，會(huì)不會(huì)有啥問(wèn)題呢？是不是電機(jī)有問(wèn)題？電機(jī)會(huì)不會(huì)壞？是不是選型選小了？...... 很多玩伺服運(yùn)控的朋友會(huì)問(wèn)到這樣的問(wèn)題，對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度很敏感，各種擔(dān)心。 下面，小編就和大伙分享下個(gè)人小小的淺見(jiàn)。
首先咱們得先從電機(jī)的發(fā)熱說(shuō)起。 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯處在交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生鐵損，繞組通電后會(huì)產(chǎn)生銅損，還有其他雜散損耗等，這些都會(huì)使電動(dòng)機(jī)溫度升高；另一方面電動(dòng)機(jī)也會(huì)散熱，當(dāng)發(fā)熱與散熱相等時(shí)即達(dá)到平衡狀態(tài)，溫度不再上升而穩(wěn)定在一個(gè)水平上。當(dāng)發(fā)熱量增加或散熱減少時(shí)就會(huì)破壞平衡，使溫度繼續(xù)上升，擴(kuò)大溫差 ，則增加散熱，在另一個(gè)較高的溫度下達(dá)到新的平衡。 所以這里面就有兩個(gè)值需要關(guān)注－電機(jī)的溫度和溫升。 先來(lái)看一下電機(jī)溫度對(duì)其內(nèi)部組件的影響： 永磁體 永磁同步電機(jī)內(nèi)的永磁體通常在接近 180 ℃ 時(shí)有可能減弱或者消除磁性，從而使伺服電機(jī)失去所需的扭矩輸出的能力； 反饋編碼器 現(xiàn)在的伺服電機(jī)內(nèi)置反饋編碼器，通常都充分考慮到了電機(jī)的發(fā)熱，有比較好的耐高溫能力，很多都可以達(dá)到 120 ℃ 以上； 繞組絕緣 目前大部分伺服電機(jī)的絕緣等級(jí)基本都可以達(dá)到 F 級(jí)。也就是說(shuō)其最高允許溫度可以達(dá)到 155 ℃；而即使是 B 級(jí)的絕緣等級(jí)，其最高允許溫度也可以達(dá)到 130 ℃。
這樣看來(lái)，永磁同步電機(jī)對(duì)于較高的溫度還是有一定的耐受能力的，如果參照上面的性能參考溫度，貌似在電機(jī)表面攤個(gè)雞蛋并不是什么問(wèn)題。 那么電機(jī)運(yùn)行溫度最高可以到多少？是否有明確的上限值呢？這就得看電機(jī)的溫升限值了。 前面說(shuō)了，電機(jī)溫度升高是由電動(dòng)機(jī)發(fā)熱引起的，而電機(jī)的發(fā)熱是與其 rms 電流和扭矩直接相關(guān)的，電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)的溫度（通常為環(huán)境溫度）和運(yùn)行一段時(shí)間（實(shí)驗(yàn)條件一般為3小時(shí)）后的溫度之差，稱為溫升。在相同的散熱條件下，電機(jī)的 rms 電流/扭矩越高，電機(jī)發(fā)熱量越高，帶來(lái)電機(jī)溫升的提高。所以，溫升其實(shí)是標(biāo)志著電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中發(fā)熱程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
而關(guān)于電機(jī)運(yùn)行溫度的上限，我們則需要參考電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中關(guān)于溫升限值的指標(biāo)，比如： 100K/60K，以及環(huán)境溫度。 對(duì)于一臺(tái)溫升限值標(biāo)定在 100K 的電機(jī)，如果以 40 ℃ 的環(huán)境溫度開(kāi)始運(yùn)行，則電機(jī)允許溫度可以達(dá)到 140 ℃，而如果環(huán)境溫度為 20 ℃，那么電機(jī)允許溫度可達(dá) 120 ℃。 如果在應(yīng)用中限定了電機(jī)的溫升，也就意味著限制了繞組的 rms 電流，也就是說(shuō)降低了電機(jī)的連續(xù)輸出扭矩。 可以想象一下，如果電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度，手摸上去只是溫乎，或者只是稍微有點(diǎn)燙手，那基本上充其量也就是 50～60 ℃ 的溫度，以室溫 20 ℃ 算，溫升大概 30～40K，可想而知 rms 電流/扭矩其實(shí)還有很大的可用空間。
當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在間歇式的工作制（如 S3），因?yàn)殡姍C(jī)輸出時(shí)間的占空比較低，電機(jī)發(fā)熱時(shí)間較短，而間歇“休息的時(shí)間較長(zhǎng)，電機(jī)散熱量較大，此時(shí)的 rms 電流/扭矩和電機(jī)溫升通常都不會(huì)太高。 對(duì)于連續(xù)式工作制應(yīng)用，如果電機(jī)溫升很低，基本上說(shuō)明電機(jī)的連續(xù)輸出扭矩還有很大的裕量。從物盡其用的角度看，我們一定是希望電機(jī)在其溫升限值范圍內(nèi)，將扭矩特性輸出發(fā)揮最大化。 電機(jī)選型時(shí)盲目的限制溫升，其實(shí)相當(dāng)于選擇較大的電機(jī)并降容使用，同時(shí)，較大的電機(jī)意味著驅(qū)動(dòng)器、電纜、配電元件以及包括電機(jī)本身等一系列組件的系統(tǒng)成本的整體提高，從經(jīng)濟(jì)性的角度看，這對(duì)于設(shè)備的性價(jià)比和總體擁有成本是很不利的。
當(dāng)然，需要注意的是，盡管伺服電機(jī)自身有一定的高溫承受能力，但實(shí)際應(yīng)用中卻可能因?yàn)槠渌鞣N因素對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行限定。比如，有些伺服減速機(jī)，其潤(rùn)滑采用的是脂潤(rùn)滑，從溫度較高的電機(jī)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的熱量，極有可能影響減速機(jī)軸承的潤(rùn)滑效果，造成減速機(jī)軸承的磨損和損壞，所以，為了避免這種情況，經(jīng)常會(huì)針對(duì)該減速機(jī)，對(duì)與之匹配的電機(jī)提出限制運(yùn)行溫度的建議（比如須低于 90 ℃） 同時(shí)，我們也不能因?yàn)殡姍C(jī)本身的這種高溫耐受能力，而忽略電機(jī)工作環(huán)境溫度與其散熱環(huán)境。 一臺(tái)自然冷卻的溫升限值 100K 電機(jī)，如果其所處的運(yùn)行環(huán)境散熱不佳，比如處在不通風(fēng)的密閉空間內(nèi)，此時(shí)即使電機(jī)工作在額定連續(xù)扭矩范圍內(nèi)，也可能因?yàn)殡姍C(jī)發(fā)熱與散熱的失衡導(dǎo)致電機(jī)溫升超過(guò) 100K，甚至導(dǎo)致電機(jī)過(guò)溫報(bào)警。 如果電機(jī)運(yùn)行環(huán)境的散熱條件已經(jīng)非常好了，但仍然溫升過(guò)高，此時(shí)除了可以考慮換更大功率的電機(jī)，也可以考慮使用強(qiáng)制風(fēng)冷（風(fēng)扇）或水冷的冷卻方式，比如對(duì)于 MSK 系列電機(jī)，采用強(qiáng)制風(fēng)冷后，電機(jī)連續(xù)扭矩輸出比 60K 時(shí)提升了 50% 之多，而水冷幾乎將其提升了一倍。
所以，對(duì)于電機(jī)較高的運(yùn)行溫度，我們并不需要那么敏感，但也不能掉以輕心。關(guān)鍵還是要看這個(gè)所謂較高的溫升背后的機(jī)理是否符合電機(jī)發(fā)熱的基本規(guī)律。 目前，市面上大部分永磁伺服電機(jī)產(chǎn)品，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中都已經(jīng)充分考慮到了其發(fā)熱模型，并且基于非常嚴(yán)格的數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證，標(biāo)定了電機(jī)的溫升限值和相應(yīng)的連續(xù)扭矩。有些產(chǎn)品直接在產(chǎn)品手冊(cè)中就有很明確的標(biāo)定，有的則是在其選型軟件中給出溫升參考值和扭矩曲線。此外，通常伺服電機(jī)的反饋信號(hào)中，都會(huì)有一組熱保護(hù)開(kāi)關(guān)信號(hào)，給到驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)，起到對(duì)電機(jī)的過(guò)溫保護(hù)作用。可以說(shuō)，在發(fā)熱和溫升的問(wèn)題上，一般的伺服電機(jī)在自身產(chǎn)品層面表現(xiàn)得還是相當(dāng)靠譜的。 盡管如此，我始終認(rèn)為，從設(shè)備運(yùn)維的方面，我們始終需要關(guān)注和觀察電機(jī)溫升與其扭矩/電流輸出水平的變化趨勢(shì)，因?yàn)檫@個(gè)趨勢(shì)有可能預(yù)示著設(shè)備運(yùn)控系統(tǒng)的某些潛在問(wèn)題征兆。
通常如果是根據(jù)工藝應(yīng)用需求作出的運(yùn)控系統(tǒng)選型，基本上可以得出理論上的 rms 扭矩水平，并依據(jù)產(chǎn)品選型手冊(cè)或軟件，估算出電機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱程度和溫升值。但如果實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這個(gè)溫升差別較大，那就有必要比較一下電機(jī)實(shí)際的扭矩/電流反饋與理論計(jì)算值了。如果理論值與實(shí)際反饋值有差距，就需要仔細(xì)研究下這個(gè)差距到底在哪里了，是因?yàn)檎ú患褞?lái)的電機(jī)抖動(dòng)造成的，還是理論計(jì)算忽略了某些大的負(fù)載，抑或是運(yùn)行中有阻尼或堵轉(zhuǎn)的情況.....等等。
在實(shí)際設(shè)備運(yùn)維操作中，可以定期（每小時(shí)或每班次...等等）對(duì)電機(jī)的運(yùn)行溫度和平均輸出扭矩/電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，并對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行比對(duì)。這個(gè)操作可以是手動(dòng)測(cè)量和人工記錄，通常使用測(cè)溫儀器測(cè)量電機(jī)表面溫度，這個(gè)溫度與繞組溫度還是有一點(diǎn)差別的，取決于電機(jī)的散熱狀態(tài)；也可以通過(guò)運(yùn)控系統(tǒng)自動(dòng)完成，不少伺服電機(jī)都具有智能編碼器反饋，可以準(zhǔn)確的讀取電機(jī)內(nèi)部溫度，這樣就可以借助控制程序自動(dòng)完成電機(jī)溫度與輸出扭矩值的比對(duì)，幫助在電機(jī)過(guò)溫報(bào)警前，對(duì)某些設(shè)備潛在問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防性的維護(hù)。
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