永磁直流伺服電機淺析，永磁伺服電機的熱阻與時間常數(shù)測試

　　伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。目前，在數(shù)控機床進給驅(qū)動中采用的直流電動機主要是大慣量寬調(diào)速永磁式直流伺服電動機，本節(jié)將主要對這種電動機進行分析介紹。

　　永磁直流伺服電機分析

　　1.永磁直流伺服電動機基本結(jié)構(gòu)與特點

　　這種電機的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其同普通直流電動機的結(jié)構(gòu)類似，也是由定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器等組成。該種電動機的定子磁極是個采用鋁鎳鈷合金、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，且在一個槽內(nèi)分布有幾個虛槽以減少轉(zhuǎn)矩波動。電刷的材料也經(jīng)過仔細篩選，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(zhuǎn)變壓器、脈沖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于調(diào)速、機械性能較好的優(yōu)點，又具有小慣量直流電機快速響應(yīng)性能的優(yōu)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(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極下的范圍進入定子S極下的范圍時，導(dǎo)體上的電流也要發(fā)生反向。因此轉(zhuǎn)子的總磁勢正交，在轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場相互作用下產(chǎn)生了電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動機轉(zhuǎn)動。

　　機械特性是電機的靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運行時帶動負載的性能，此時，電磁轉(zhuǎn)矩與外負載相等。當(dāng)電機帶動負載時，電機轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(shù)測試

　　熱阻是反應(yīng)阻止熱量傳遞的綜合參數(shù)，電機熱阻是指從電機內(nèi)的熱源（繞組、鐵心等）到冷卻介質(zhì)之間對熱流的阻抗。熱時間常數(shù)又叫熱響應(yīng)時間，電機的熱時間常數(shù)是指在恒定功耗的技術(shù)規(guī)定條件下，電機繞組溫升達到穩(wěn)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(shù)，為了便于分析我們通常選用一種模型（圖1：電機熱模型）對熱時間常數(shù)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(shù)測試進行詳細介紹。

　　1、永磁伺服電機熱阻、熱時間常數(shù)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行。若是風(fēng)機電機，試驗應(yīng)在風(fēng)機電機的規(guī)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）

　?。ā?theta;）a——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、永磁伺服電機熱阻、熱時間常數(shù)試驗程序

　　永磁伺服電機熱阻、熱時間常數(shù)試驗時依據(jù)以下步驟進行：

　?。╝） 用不大于最大連續(xù)電流值的電流驅(qū)動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(jié)果加上環(huán)境溫度θa；

　?。╠） 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。

　?。╢） 熱時間常數(shù)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(guān)參數(shù)的確定可參見圖示2。

　　說明：

　　τth=——熱時間常數(shù)，單位為分（min）；

　　θf——熱穩(wěn)定時的溫度，單位為攝氏度（℃）；

　　θa——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）；

　　θt——在t時刻的溫度，單位為攝氏度（℃）。