步进电机运转时很烫,正常吗?

步进电机运转时很烫,正常吗?

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。  
首先咱们得先从电机的发热说起。步进电机运行时,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:  
1、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;
2、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; 
3、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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