永磁直流伺服電機淺析，永磁伺服電機的熱阻與時(shí)間常數測試

　　伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動(dòng)控制對象。伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動(dòng)機，是一種補助馬達間接變速裝置。目前，在數控機床進(jìn)給驅動(dòng)中采用的直流電動(dòng)機主要是大慣量寬調速永磁式直流伺服電動(dòng)機，本節將主要對這種電動(dòng)機進(jìn)行分析介紹。

　　永磁直流伺服電機分析

　　1.永磁直流伺服電動(dòng)機基本結構與特點(diǎn)

　　這種電機的基本結構如圖所示，其同普通直流電動(dòng)機的結構類(lèi)似，也是由定子、轉子、電刷和換向器等組成。該種電動(dòng)機的定子磁極是個(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)生極大的峰值轉矩以滿(mǎn)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定（即不出現退磁）。轉子的鐵心上斜槽數目較多，且在一個(gè)槽內分布有幾個(gè)虛槽以減少轉矩波動(dòng)。電刷的材料也經(jīng)過(guò)仔細篩選，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。低波紋測速機等其它檢測元件如旋轉變壓器、脈沖編碼器可以裝在電動(dòng)機軸上，從而可得到精密的速度和位置檢測信號，以反饋到速度控制單元和位置控制單元。該種電動(dòng)機既具有一般直流電動(dòng)機便于調速、機械性能較好的優(yōu)點(diǎn)，又具有小慣量直流電機快速響應性能的優(yōu)勢。

　　2.永磁直流伺服電動(dòng)機工作原理

　　直流電動(dòng)機工作原理的示意圖如圖所示。

　　在轉子繞組中的任何一根導體，只要一轉過(guò)中性線(xiàn)，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)，導體上的電流也要發(fā)生反向。因此轉子的總磁勢正交，在轉子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用下產(chǎn)生了電動(dòng)機的電磁轉矩，從而使電動(dòng)機轉動(dòng)。

　　機械特性是電機的靜態(tài)特性，是穩定運行時(shí)帶動(dòng)負載的性能，此時(shí)，電磁轉矩與外負載相等。當電機帶動(dòng)負載時(shí)，電機轉速與理想轉速產(chǎn)生轉速差Δn，它反映了電機機械特性的硬度，Δn越小，表明機械特性越硬，性能越好。

　　永磁伺服電機的熱阻與時(shí)間常數測試

　　熱阻是反應阻止熱量傳遞的綜合參數，電機熱阻是指從電機內的熱源（繞組、鐵心等）到冷卻介質(zhì)之間對熱流的阻抗。熱時(shí)間常數又叫熱響應時(shí)間，電機的熱時(shí)間常數是指在恒定功耗的技術(shù)規定條件下，電機繞組溫升達到穩定值的63.2%所需時(shí)間。

　　電機的熱模型包含了幾種熱時(shí)間常數，為了便于分析我們通常選用一種模型（圖1：電機熱模型）對熱時(shí)間常數及熱阻完成測試，下面本文對永磁伺服電機的熱阻測試和熱時(shí)間常數測試進(jìn)行詳細介紹。

　　1、永磁伺服電機熱阻、熱時(shí)間常數試驗條件

　　測試試驗時(shí)為方便電機自身均勻散熱，被試電機可以在低速（低于5r/min）下運行，散熱板與其他接觸部分作隔熱處理。試驗在恒溫條件下進(jìn)行。若是風(fēng)機電機，試驗應在風(fēng)機電機的規定的冷卻條件下進(jìn)行。

　　說(shuō)明：

　　P——功率損耗，單位為瓦特（W）；

　　TC——熱容，單位為焦每開(kāi)（J/K）；

　　Rth——熱阻，單位為開(kāi)每瓦（K/W）

　?。ā?theta;）a——在環(huán)境溫度下的溫升，單位為開(kāi)（K）；

　　θa——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）。

　　2、永磁伺服電機熱阻、熱時(shí)間常數試驗程序

　　永磁伺服電機熱阻、熱時(shí)間常數試驗時(shí)依據以下步驟進(jìn)行：

　?。╝） 用不大于最大連續電流值的電流驅動(dòng)電機并使電機達到熱平衡狀態(tài)；

　?。╞） 確定溫升（△θ）a；

　?。╟） 用（△θ）a乘以0.368，結果加上環(huán)境溫度θa；

　?。╠） 將電源斷開(kāi)，記錄電機的溫度下降到c）步驟計算出的溫度值所需的時(shí)間t；

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

　?。╢） 熱時(shí)間常數τth=TC*Rth，是在d）步驟中記錄的時(shí)間t，則熱阻Rth=（△θ）a/P，試驗過(guò)程中相關(guān)參數的確定可參見(jiàn)圖示2。

　　說(shuō)明：

　　τth=——熱時(shí)間常數，單位為分（min）；

　　θf——熱穩定時(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（℃）。