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步進電機運轉時很燙,你覺得正常嗎？
步進電機運轉時很燙,你覺得正常嗎？
電機燙的手都摸不上去，會不會有啥問題呢？是不是電機有問題？電機會不會壞？是不是選型選小了？...... 很多玩伺服運控的朋友會問到這樣的問題，對電機運行時的溫度很敏感，各種擔心。 下面，小編就和大伙分享下個人小小的淺見。
首先咱們得先從電機的發熱說起。 步進電機運行時，電動機鐵芯處在交變磁場中會產生鐵損，繞組通電后會產生銅損，還有其他雜散損耗等，這些都會使電動機溫度升高；另一方面電動機也會散熱，當發熱與散熱相等時即達到平衡狀態，溫度不再上升而穩定在一個水平上。當發熱量增加或散熱減少時就會破壞平衡，使溫度繼續上升，擴大溫差 ，則增加散熱，在另一個較高的溫度下達到新的平衡。 所以這里面就有兩個值需要關注－電機的溫度和溫升。 先來看一下電機溫度對其內部組件的影響： 永磁體 永磁同步電機內的永磁體通常在接近 180 ℃ 時有可能減弱或者消除磁性，從而使伺服電機失去所需的扭矩輸出的能力； 反饋編碼器 現在的伺服電機內置反饋編碼器，通常都充分考慮到了電機的發熱，有比較好的耐高溫能力，很多都可以達到 120 ℃ 以上； 繞組絕緣 目前大部分伺服電機的絕緣等級基本都可以達到 F 級。也就是說其最高允許溫度可以達到 155 ℃；而即使是 B 級的絕緣等級，其最高允許溫度也可以達到 130 ℃。
這樣看來，永磁同步電機對于較高的溫度還是有一定的耐受能力的，如果參照上面的性能參考溫度，貌似在電機表面攤個雞蛋并不是什么問題。 那么電機運行溫度最高可以到多少？是否有明確的上限值呢？這就得看電機的溫升限值了。 前面說了，電機溫度升高是由電動機發熱引起的，而電機的發熱是與其 rms 電流和扭矩直接相關的，電機開始運行時的溫度（通常為環境溫度）和運行一段時間（實驗條件一般為3小時）后的溫度之差，稱為溫升。在相同的散熱條件下，電機的 rms 電流/扭矩越高，電機發熱量越高，帶來電機溫升的提高。所以，溫升其實是標志著電動機運行中發熱程度的一項重要指標。
而關于電機運行溫度的上限，我們則需要參考電機技術數據中關于溫升限值的指標，比如： 100K/60K，以及環境溫度。 對于一臺溫升限值標定在 100K 的電機，如果以 40 ℃ 的環境溫度開始運行，則電機允許溫度可以達到 140 ℃，而如果環境溫度為 20 ℃，那么電機允許溫度可達 120 ℃。 如果在應用中限定了電機的溫升，也就意味著限制了繞組的 rms 電流，也就是說降低了電機的連續輸出扭矩。 可以想象一下，如果電機運行時的溫度，手摸上去只是溫乎，或者只是稍微有點燙手，那基本上充其量也就是 50～60 ℃ 的溫度，以室溫 20 ℃ 算，溫升大概 30～40K，可想而知 rms 電流/扭矩其實還有很大的可用空間。
當電機運行在間歇式的工作制（如 S3），因為電機輸出時間的占空比較低，電機發熱時間較短，而間歇“休息的時間較長，電機散熱量較大，此時的 rms 電流/扭矩和電機溫升通常都不會太高。 對于連續式工作制應用，如果電機溫升很低，基本上說明電機的連續輸出扭矩還有很大的裕量。從物盡其用的角度看，我們一定是希望電機在其溫升限值范圍內，將扭矩特性輸出發揮最大化。 電機選型時盲目的限制溫升，其實相當于選擇較大的電機并降容使用，同時，較大的電機意味著驅動器、電纜、配電元件以及包括電機本身等一系列組件的系統成本的整體提高，從經濟性的角度看，這對于設備的性價比和總體擁有成本是很不利的。
當然，需要注意的是，盡管伺服電機自身有一定的高溫承受能力，但實際應用中卻可能因為其他各種因素對電機溫度進行限定。比如，有些伺服減速機，其潤滑采用的是脂潤滑，從溫度較高的電機傳導過來的熱量，極有可能影響減速機軸承的潤滑效果，造成減速機軸承的磨損和損壞，所以，為了避免這種情況，經常會針對該減速機，對與之匹配的電機提出限制運行溫度的建議（比如須低于 90 ℃） 同時，我們也不能因為電機本身的這種高溫耐受能力，而忽略電機工作環境溫度與其散熱環境。 一臺自然冷卻的溫升限值 100K 電機，如果其所處的運行環境散熱不佳，比如處在不通風的密閉空間內，此時即使電機工作在額定連續扭矩范圍內，也可能因為電機發熱與散熱的失衡導致電機溫升超過 100K，甚至導致電機過溫報警。 如果電機運行環境的散熱條件已經非常好了，但仍然溫升過高，此時除了可以考慮換更大功率的電機，也可以考慮使用強制風冷（風扇）或水冷的冷卻方式，比如對于 MSK 系列電機，采用強制風冷后，電機連續扭矩輸出比 60K 時提升了 50% 之多，而水冷幾乎將其提升了一倍。
所以，對于電機較高的運行溫度，我們并不需要那么敏感，但也不能掉以輕心。關鍵還是要看這個所謂較高的溫升背后的機理是否符合電機發熱的基本規律。 目前，市面上大部分永磁伺服電機產品，在產品設計和制造過程中都已經充分考慮到了其發熱模型，并且基于非常嚴格的數據分析和驗證，標定了電機的溫升限值和相應的連續扭矩。有些產品直接在產品手冊中就有很明確的標定，有的則是在其選型軟件中給出溫升參考值和扭矩曲線。此外，通常伺服電機的反饋信號中，都會有一組熱保護開關信號，給到驅動器和控制系統，起到對電機的過溫保護作用。可以說，在發熱和溫升的問題上，一般的伺服電機在自身產品層面表現得還是相當靠譜的。 盡管如此，我始終認為，從設備運維的方面，我們始終需要關注和觀察電機溫升與其扭矩/電流輸出水平的變化趨勢，因為這個趨勢有可能預示著設備運控系統的某些潛在問題征兆。
通常如果是根據工藝應用需求作出的運控系統選型，基本上可以得出理論上的 rms 扭矩水平，并依據產品選型手冊或軟件，估算出電機運行時的發熱程度和溫升值。但如果實際運行時，這個溫升差別較大，那就有必要比較一下電機實際的扭矩/電流反饋與理論計算值了。如果理論值與實際反饋值有差距，就需要仔細研究下這個差距到底在哪里了，是因為整定不佳帶來的電機抖動造成的，還是理論計算忽略了某些大的負載，抑或是運行中有阻尼或堵轉的情況.....等等。
在實際設備運維操作中，可以定期（每小時或每班次...等等）對電機的運行溫度和平均輸出扭矩/電流進行監測記錄，并對變化趨勢進行比對。這個操作可以是手動測量和人工記錄，通常使用測溫儀器測量電機表面溫度，這個溫度與繞組溫度還是有一點差別的，取決于電機的散熱狀態；也可以通過運控系統自動完成，不少伺服電機都具有智能編碼器反饋，可以準確的讀取電機內部溫度，這樣就可以借助控制程序自動完成電機溫度與輸出扭矩值的比對，幫助在電機過溫報警前，對某些設備潛在問題進行預防性的維護。
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