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电机运转时很烫,你觉得正常吗?

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浏览:- 发布日期:2016-08-20 10:44:28【
“电机烫的手都摸不上去,会不会有啥问题呢?” 
“是不是电机有问题?”
“电机会不会坏?”
“是不是选型选小了?”......
很多玩伺服运控的朋友会问到这样的问题,对电机运行时的温度很敏感,各种担心。
下面,小编就和大伙分享下个人小小的浅见。

85mm标准型步进电机

首先咱们得先从电机的发热说起。
电机运行时,电动机铁芯处在交变磁场中会产生铁损,绕组通电后会产生铜损,还有其他杂散损耗等,这些都会使电动机温度升高;另一方面电动机也会散热,当发热与散热相等时即达到平衡状态,温度不再上升而稳定在一个水平上。当发热量增加或散热减少时就会破坏平衡,使温度继续上升,扩大温差 ,则增加散热,在另一个较高的温度下达到新的平衡。
所以这里面就有两个值需要关注-电机的温度和温升。
先来看一下电机温度对其内部组件的影响:
• 永磁体
永磁同步电机内的永磁体通常在接近 180 ℃ 时有可能减弱或者消除磁性,从而使伺服电机失去所需的扭矩输出的能力;
• 反馈编码器
现在的伺服电机内置反馈编码器,通常都充分考虑到了电机的发热,有比较好的耐高温能力,很多都可以达到 120 ℃ 以上;
• 绕组绝缘
目前大部分伺服电机的绝缘等级基本都可以达到 F 级。也就是说其最高允许温度可以达到 155 ℃;而即使是 B 级的绝缘等级,其最高允许温度也可以达到 130 ℃。
这样看来,永磁同步电机对于较高的温度还是有一定的耐受能力的,如果参照上面的“性能参考温度”,貌似在电机表面摊个鸡蛋并不是什么问题。
那么电机运行温度最高可以到多少?是否有明确的上限值呢?这就得看电机的“温升”限值了。
前面说了,电机温度升高是由电动机发热引起的,而电机的发热是与其 rms 电流和扭矩直接相关的,电机开始运行时的温度(通常为环境温度)和运行一段时间(实验条件一般为3小时)后的温度之差,称为温升。在相同的散热条件下,电机的 rms 电流/扭矩越高,电机发热量越高,带来电机温升的提高。所以,温升其实是标志着电动机运行中发热程度的一项重要指标。
而关于电机运行温度的上限,我们则需要参考电机技术数据中关于温升限值的指标,比如: 100K/60K,以及环境温度。
对于一台温升限值标定在 100K 的电机,如果以 40 ℃ 的环境温度开始运行,则电机允许温度可以达到 140 ℃,而如果环境温度为 20 ℃,那么电机允许温度可达 120 ℃。
如果在应用中限定了电机的温升,也就意味着限制了绕组的 rms 电流,也就是说降低了电机的连续输出扭矩。
可以想象一下,如果电机运行时的温度,手摸上去只是温乎,或者只是稍微有点烫手,那基本上充其量也就是 50~60 ℃ 的温度,以室温 20 ℃ 算,温升大概 30~40K,可想而知 rms 电流/扭矩其实还有很大的可用空间。
当电机运行在间歇式的工作制(如 S3),因为电机输出时间的占空比较低,电机发热时间较短,而间歇“休息”的时间较长,电机散热量较大,此时的 rms 电流/扭矩和电机温升通常都不会太高。
对于连续式工作制应用,如果电机温升很低,基本上说明电机的连续输出扭矩还有很大的裕量。从物尽其用的角度看,我们一定是希望电机在其温升限值范围内,将扭矩特性输出发挥最大化。
电机选型时盲目的限制温升,其实相当于选择较大的电机并降容使用,同时,较大的电机意味着驱动器、电缆、配电元件以及包括电机本身等一系列组件的系统成本的整体提高,从经济性的角度看,这对于设备的性价比和总体拥有成本是很不利的。
当然,需要注意的是,尽管伺服电机自身有一定的高温承受能力,但实际应用中却可能因为其他各种因素对电机温度进行限定。比如,有些伺服减速机,其润滑采用的是脂润滑,从温度较高的电机传导过来的热量,极有可能影响减速机轴承的润滑效果,造成减速机轴承的磨损和损坏,所以,为了避免这种情况,经常会针对该减速机,对与之匹配的电机提出限制运行温度的建议(比如须低于 90 ℃)
同时,我们也不能因为电机本身的这种“高温耐受能力”,而忽略电机工作环境温度与其散热环境。
一台自然冷却的温升限值 100K 电机,如果其所处的运行环境散热不佳,比如处在不通风的密闭空间内,此时即使电机工作在额定连续扭矩范围内,也可能因为电机发热与散热的失衡导致电机温升超过 100K,甚至导致电机过温报警。
如果电机运行环境的散热条件已经非常好了,但仍然温升过高,此时除了可以考虑换更大功率的电机,也可以考虑使用“强制风冷”(风扇)或“水冷”的冷却方式,比如对于 MSK 系列电机,采用“强制风冷”后,电机连续扭矩输出比 60K 时提升了 50% 之多,而“水冷”几乎将其提升了一倍。
所以,对于电机较高的运行温度,我们并不需要那么敏感,但也不能掉以轻心。关键还是要看这个所谓“较高”的温升背后的机理是否符合电机发热的基本规律。
目前,市面上大部分永磁伺服电机产品,在产品设计和制造过程中都已经充分考虑到了其发热模型,并且基于非常严格的数据分析和验证,标定了电机的温升限值和相应的连续扭矩。有些产品直接在产品手册中就有很明确的标定,有的则是在其选型软件中给出温升参考值和扭矩曲线。此外,通常伺服电机的反馈信号中,都会有一组热保护开关信号,给到驱动器和控制系统,起到对电机的过温保护作用。可以说,在发热和温升的问题上,一般的伺服电机在自身产品层面表现得还是相当靠谱的。
尽管如此,我始终认为,从设备运维的方面,我们始终需要关注和观察电机温升与其扭矩/电流输出水平的变化趋势,因为这个趋势有可能预示着设备运控系统的某些潜在问题征兆。
通常如果是根据工艺应用需求作出的运控系统选型,基本上可以得出“理论上”的 rms 扭矩水平,并依据产品选型手册或软件,估算出电机运行时的发热程度和温升值。但如果实际运行时,这个温升差别较大,那就有必要比较一下电机实际的扭矩/电流反馈与“理论”计算值了。如果“理论”值与“实际”反馈值有差距,就需要仔细研究下这个差距到底在哪里了,是因为整定不佳带来的电机抖动造成的,还是“理论”计算忽略了某些大的负载,抑或是运行中有阻尼或堵转的情况.....等等。
在实际设备运维操作中,可以定期(每小时或每班次...等等)对电机的运行温度和平均输出扭矩/电流进行监测记录,并对变化趋势进行比对。这个操作可以是手动测量和人工记录,通常使用测温仪器测量电机表面温度,这个温度与绕组温度还是有一点差别的,取决于电机的散热状态;也可以通过运控系统自动完成,不少伺服电机都具有智能编码器反馈,可以准确的读取电机内部温度,这样就可以借助控制程序自动完成电机温度与输出扭矩值的比对,帮助在电机过温报警前,对某些设备潜在问题进行预防性的维护。
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