永磁直流伺服電機(jī)淺析，永磁伺服電機(jī)的熱阻與時(shí)間常數(shù)測(cè)試

　　伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。目前，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中采用的直流電動(dòng)機(jī)主要是大慣量寬調(diào)速永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，本節(jié)將主要對(duì)這種電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析介紹。

　　永磁直流伺服電機(jī)分析

　　1.永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

　　這種電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其同普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，也是由定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器等組成。該種電動(dòng)機(jī)的定子磁極是個(gè)采用鋁鎳鈷合金、釹鐵硼、或稀土鈷等材料所做成的永久磁體，矯頑力很高，能夠產(chǎn)生極大的峰值轉(zhuǎn)矩以滿足高的加、減速要求；且即使在較高的磁通密度下保持性能穩(wěn)定（即不出現(xiàn)退磁）。轉(zhuǎn)子的鐵心上斜槽數(shù)目較多，且在一個(gè)槽內(nèi)分布有幾個(gè)虛槽以減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。電刷的材料也經(jīng)過仔細(xì)篩選，使得其可以在較大的加速度狀態(tài)下也有良好的換向性能。低波紋測(cè)速機(jī)等其它檢測(cè)元件如旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器可以裝在電動(dòng)機(jī)軸上，從而可得到精密的速度和位置檢測(cè)信號(hào)，以反饋到速度控制單元和位置控制單元。該種電動(dòng)機(jī)既具有一般直流電動(dòng)機(jī)便于調(diào)速、機(jī)械性能較好的優(yōu)點(diǎn)，又具有小慣量直流電機(jī)快速響應(yīng)性能的優(yōu)勢(shì)。

　　2.永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理

　　直流電動(dòng)機(jī)工作原理的示意圖如圖所示。

　　在轉(zhuǎn)子繞組中的任何一根導(dǎo)體，只要一轉(zhuǎn)過中性線，從定子S極下的范圍進(jìn)入了定子N極下的范圍，由于電刷和換向器的作用，那么這根導(dǎo)體上的電流一定要反向；反之則由定子N極下的范圍進(jìn)入定子S極下的范圍時(shí)，導(dǎo)體上的電流也要發(fā)生反向。因此轉(zhuǎn)子的總磁勢(shì)正交，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用下產(chǎn)生了電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　機(jī)械特性是電機(jī)的靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)負(fù)載的性能，此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與外負(fù)載相等。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差Δn，它反映了電機(jī)機(jī)械特性的硬度，Δn越小，表明機(jī)械特性越硬，性能越好。

　　永磁伺服電機(jī)的熱阻與時(shí)間常數(shù)測(cè)試

　　熱阻是反應(yīng)阻止熱量傳遞的綜合參數(shù)，電機(jī)熱阻是指從電機(jī)內(nèi)的熱源（繞組、鐵心等）到冷卻介質(zhì)之間對(duì)熱流的阻抗。熱時(shí)間常數(shù)又叫熱響應(yīng)時(shí)間，電機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)是指在恒定功耗的技術(shù)規(guī)定條件下，電機(jī)繞組溫升達(dá)到穩(wěn)定值的63.2%所需時(shí)間。

　　電機(jī)的熱模型包含了幾種熱時(shí)間常數(shù)，為了便于分析我們通常選用一種模型（圖1：電機(jī)熱模型）對(duì)熱時(shí)間常數(shù)及熱阻完成測(cè)試，下面本文對(duì)永磁伺服電機(jī)的熱阻測(cè)試和熱時(shí)間常數(shù)測(cè)試進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　1、永磁伺服電機(jī)熱阻、熱時(shí)間常數(shù)試驗(yàn)條件

　　測(cè)試試驗(yàn)時(shí)為方便電機(jī)自身均勻散熱，被試電機(jī)可以在低速（低于5r/min）下運(yùn)行，散熱板與其他接觸部分作隔熱處理。試驗(yàn)在恒溫條件下進(jìn)行。若是風(fēng)機(jī)電機(jī)，試驗(yàn)應(yīng)在風(fēng)機(jī)電機(jī)的規(guī)定的冷卻條件下進(jìn)行。

　　說明：

　　P——功率損耗，單位為瓦特（W）；

　　TC——熱容，單位為焦每開（J/K）；

　　Rth——熱阻，單位為開每瓦（K/W）

　?。ā鳓龋゛——在環(huán)境溫度下的溫升，單位為開（K）；

　　θa——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

　　2、永磁伺服電機(jī)熱阻、熱時(shí)間常數(shù)試驗(yàn)程序

　　永磁伺服電機(jī)熱阻、熱時(shí)間常數(shù)試驗(yàn)時(shí)依據(jù)以下步驟進(jìn)行：

　　（a） 用不大于最大連續(xù)電流值的電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)并使電機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)；

　?。╞） 確定溫升（△θ）a；

　　（c） 用（△θ）a乘以0.368，結(jié)果加上環(huán)境溫度θa；

　　（d） 將電源斷開，記錄電機(jī)的溫度下降到c）步驟計(jì)算出的溫度值所需的時(shí)間t；

　?。╡） 用P=I^2R計(jì)算功率損耗，式中I為電流值，R為溫度在θf(wàn)時(shí)的繞組電阻。

　　（f） 熱時(shí)間常數(shù)τth=TC*Rth，是在d）步驟中記錄的時(shí)間t，則熱阻Rth=（△θ）a/P，試驗(yàn)過程中相關(guān)參數(shù)的確定可參見圖示2。

　　說明：

　　τth=——熱時(shí)間常數(shù)，單位為分（min）；

　　θf(wàn)——熱穩(wěn)定時(shí)的溫度，單位為攝氏度（℃）；

　　θa——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）；

　　θt——在t時(shí)刻的溫度，單位為攝氏度（℃）。