永磁直流伺服電機淺析,永磁伺服電機的熱阻與時間常數測試

　　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動機，是一種補助馬達間接變速裝置。目前，在數控工具機進給驅動中採用的直流電動機主要是大慣量寬調速永磁式直流伺服電動機，本節將主要對這種電動機進行分析介紹。

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　　1.永磁直流伺服電動機基本結構與特點

　　這種電機的基本結構如圖所示，其同普通直流電動機的結構類似，也是由定子、轉子、電刷和換向器等組成。該種電動機的定子磁極是個採用鋁鎳鈷合金、釹鐵硼、或稀土鈷等材料所做成的永久磁體，矯頑力很高，能夠產生極大的峰值轉矩以滿足高的加、減速要求；且即使在較高的磁通密度下保持性能穩定（即不出現退磁）。轉子的鐵心上斜槽數目較多，且在一個槽內分布有幾個虛槽以減少轉矩波動。電刷的材料也經過仔細篩選，使得其可以在較大的加速度狀態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、脈衝編碼器可以裝在電動機軸上，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。該種電動機既具有一般直流電動機便於調速、機械性能較好的優點，又具有小慣量直流電機快速響應性能的優勢。

　　

　　2.永磁直流伺服電動機工作原理

　　直流電動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，只要一轉過中性線，從定子S極下的範圍進入了定子N極下的範圍，由於電刷和換向器的作用，那麼這根導體上的電流一定要反向；反之則由定子N極下的範圍進入定子S極下的範圍時，導體上的電流也要發生反向。因此轉子的總磁勢正交，在轉子磁場與定子磁場相互作用下產生了電動機的電磁轉矩，從而使電動機轉動。

　　機械特性是電機的靜態特性，是穩定運行時帶動負載的性能，此時，電磁轉矩與外負載相等。當電機帶動負載時，電機轉速與理想轉速產生轉速差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）到冷卻介質之間對熱流的阻抗。熱時間常數又叫熱響應時間，電機的熱時間常數是指在恆定功耗的技術規定條件下，電機繞組溫升達到穩定值的63.2%所需時間。

　　電機的熱模型包含了幾種熱時間常數，為了便於分析我們通常選用一種模型（圖1：電機熱模型）對熱時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間常數測試進行詳細介紹。

　　1、永磁伺服電機熱阻、熱時間常數試驗條件

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

　　

　　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）

　　（△θ）a——在環境溫度下的溫升，單位為開（K）；

　　θa——環境溫度，單位為攝氏度（℃）。

　　2、永磁伺服電機熱阻、熱時間常數試驗程序

　　永磁伺服電機熱阻、熱時間常數試驗時依據以下步驟進行：

　　（a） 用不大於最大連續電流值的電流驅動電機並使電機達到熱平衡狀態；

　　（b） 確定溫升（△θ）a；

　　（c） 用（△θ）a乘以0.368，結果加上環境溫度θa；

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

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

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

　　

　　說明：

　　τth=——熱時間常數，單位為分（min）；

　　θf——熱穩定時的溫度，單位為攝氏度（℃）；

　　θa——環境溫度，單位為攝氏度（℃）；

　　θt——在t時刻的溫度，單位為攝氏度（℃）。