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小容量無刷直流電動機的熱阻及連續功率

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:435

摘  要:介紹了小容量無刷直流電動機(BLDCM)熱阻和熱導參數的含義和測量方法。給出BLDCM熱阻和熱導測量的實例結果,進行分析后得出熱導參數隨電動機幾何尺寸變化的某些規律。從熱導參數與連續輸出功率相關的角度分析了BLDCM設計功率與幾何尺寸及轉速等的關系,不能單純從電磁關系確定。

1  引  言

   小容量無刷直流電動機應用日廣,它的各項基本技術參數都受到廣泛的關注,如轉矩系數、電勢系數、繞組電感、運行效率等。熱阻(熱導)表示電動機的散熱能力,與電動機運行時的溫升直接相關,與電動機的連續輸出功率有關,也是電動機的重要參數之一??墒窃趪鴥刃‰姍C的文章中,很少有這方面的研究和討論。本文不是對該問題的詳細分析,只是從工程的角度對某一機座號的電動機進行實例研究,從中對小容量BLDCM的熱阻(或熱導)建立一些定量的概念,以及對它的一般特性的認識,對BLDCM的設計者和應用工程師都是很有益處的。

2繞組對環境(大氣)的熱阻

   在一些BLDCM產品目錄的技術指標中,常??梢钥吹桨欣@組對環境的熱阻Rw~a這一項,它是指BLDCM在堵轉情況下繞組的溫升(τw)與繞組內銅損耗(Pw)之比:   C/W    (1)即每瓦繞組銅損引起的繞組溫升值。它的倒數稱為熱導(Λw—a):    W/C    (2)即繞組對環境單位溫差時單位時間內散出的熱量??梢钥闯?,這項參數與繞組的容許溫升直接決定了繞組容許的連續堵轉電流,因而決定了連續堵轉轉矩的值。

   如果電動機不是堵轉,在正常運行情況下,它的連續輸出功率也是受到繞組容許溫升的限制,只是這時同樣繞組對環境的溫升是由電動機的總損耗(∑P)——包括繞組銅損、鐵損、機械損耗等決定的,與∑P全部集中在繞組內引起的溫升會有些區別。如果定義BLDCM運行時的繞組溫升與總損耗的比值為電動機的熱阻(Rm),并能給出它的值,則通過這個參數來分析電動機運行問題會很方便??墒荁LDCM運行時損耗分配狀態不斷變化,Rm便沒有一個固定的值,也無法進行實際測定。

   小容量BLDCM的特點是表面自然冷卻,電動機機殼表面對環境的溫升占繞組溫升的主要部分;繞組在電動機定子上,與機殼之間的溫差不大,熱阻較小,所以電動機內部的損耗如果相同,即使分布有些變化,繞組的溫升也不會有多少改變。從這一實際情況出發,有理由用繞組對環境的熱阻(Rw一a)來判斷電動機運行情況下的溫升,以及判斷容許的連續輸出功率,不會有很大的出入?;谶@種分析,本文所指的電動機的熱阻(或熱導)都是指的Rw一a(或∧

w一a)。

3熱阻測試實例

   實驗用的樣機是珠海運控電機有限公司生產的57機座的BLDCM,有三種長度尺寸,如圖1所示。實驗的目的是為了一般研究分析用,對實驗的條件沒有很嚴格的規定,實驗在室溫無通風條件下進行,電動機安裝在公司常用的測試支架上和底板上,支架的尺寸如圖2所示。

 圖1  實驗樣機的外形尺寸

   圖2  測試支架尺寸

   在BLDCM的定子繞組內通以恒定直流電流(Iw),測取繞組端電壓(Vw),Vw隨時間的變化反映繞組電阻的變化,從中可以得出繞組溫度及溫升的變化及溫升的穩定值(τw),它與相應輸入功率VwIw的比值便是所求的繞組對環境的熱阻Rw一a。應指出的是,在此繞組溫升用電阻法求出,是繞組的平均溫升。機殼表面的溫度用紅外點溫計測量,表面溫度實際上不均勻,大體上中間高一些,二端較低,為了獲得一個較為確定的值,實驗時統一規定測取機殼上大體對應定子鐵心中部的溫度,所以獲得的實際是機殼的最高溫升(τk)。繞組與機殼之間的溫差(τw—τk)是繞組的平均溫度與機殼最高溫度的差,以及用它求出的繞組對機殼及機殼對環境的熱阻(Rw-kRk一a)或熱導(∧w一k,∧k一a)都是一種工程上的參數,雖然與理論上的參數不完全一致,但便于工程實踐應用,只要明確它的具體定義,便不會產生混淆,用來研究分析工程問題時一樣有效。

   1臺57BL一C一10型電動機,三相繞組并聯,通以1人恒定直流電流。測得繞組及機殼的溫升曲線如圖3所示??梢钥闯龃蠹s經過1h的時間,溫升便達到穩定值,為τw=33.51 lC,τk=28C,對應的繞組銅損耗為26.5W,得:Rw一a=1.265C/W,Rk一a=1.057C/W,Rw一k=O.208C/W。應指出的是電動機的熱阻參數因受電機制造工藝和測試環境條件的影響,會有一定的分散性,對于某一種型號的電動機,實際上在某一數值范圍內,如果要給出一個明確的值,則應測一定的臺數取它們的平均值,作為例子,表1給出57BL一C型電動機的一組數據。由此求出熱阻和熱導的平均值同時列于表中。

   圖3  實測溫升曲線示例

   用同樣的方法測出57#機座另二種長度BLDCM的平均熱阻參數,一起在表2中列出。熱導與散熱或導熱的面積成正比關系,把它們的值與電動機的長度或鐵心長度的關系作成曲線時,應呈線性關系。圖4的橫坐標用鐵心的迭長表示,L=O處的熱導值表示與鐵心迭長無關的熱導分量.可以稱為相應的端部分分量(∧0),例如繞組對環境熱導的

端部分量(∧w~a),機殼對環境熱導的端部分量(∧~a)和繞組對機殼熱導的端部分量(∧w-k.0)。隨鐵心長度變化的部分便稱為相應的鐵心部分分量(∧L)。圖5是熱導端部分量(∧)和鐵心部分分量(∧L)的示意圖(∧0=∧0l+∧02)。于是可得:

表1  57BL一C型電動機熱阻參數

表2  57BL型電動機的平均熱阻參數

 圖4  熱導與鐵心達長的關糸曲線

 圖5  熱導端部分量(∧0)和鐵心部分分址(∧L)示意圖(∧0=∧01+∧02)

將表2的數據處理后,可得:∧w~a=0.46+0.004L  W/C

                         ∧k~a=0.55+0.004L   W/C     (4)

                         ∧w~k=3.26+0.004L   W/C

   上式中L為鐵心迭長.用mm為單位.相應于A、B、C型電動機,L一25mm,50mm和75mm。代入上式或從圖4曲線可以清楚地看出,當電動機的鐵心迭長成倍增加時,從電磁關系來看,電動機的轉矩和功率應能成比例地增大,可是它的散熱能力(熱導)卻增加得不多。電動機熱導(或熱阻)參數的這種特性,一定會影響到系列設計時電動機功率等級以及轉速等的確定。

4  熱導影響連續運行功率實例及結論

   圖6a、b和c所表示為3臺不同鐵心長度BLDCM運行特性的實測曲線,它們標稱的額定轉速是3 000r/min,額定功率為100W、200W和300W。從特性曲線看.這3臺BLDCM輸出上述相應的功率沒有問題,通常主要從電磁性能角度考慮也完全正確,因為三種不同長度電動機的鐵心迭長成倍變化,電磁轉矩也按比例增大,在轉速不變情況下,得出功率成倍增大的結果是很自然的。

   可是如果考慮發熱的限制會怎樣,先考察57BL一A一10一30(1)型電動機,它的繞組對環境的熱導為∧w-a=0.55W/C,按B級絕緣繞組平均溫升容許值80°C計,電動機的總損耗應該不超過EP一0.55×80=44W.從圖6a得相應的輸出功率為93.6W,與給定的額定值接近。用相同的方法考慮57BL一B一20—30(1)和57BL一C一30—30(1),得

到由發熱限定的連續輸出功率分別為1 61.6W和1 96.3W,與給定的額定值(200W和300W)相差較遠。

圖6  運行特性曲線買例

本文的實際數據和分析清楚地表明了小容量BLDCM散熱能力的特點,同一機座的電動機,隨著鐵心迭長的增加,散熱條件變差。從電磁設計的角度出發,電動機的電磁轉矩可以隨鐵心迭長成正比增加,在轉速不變的條件下,功率和損耗(效率不變時)隨著成正比增長,熱導則增加較慢,溫升便升高達到限定值.使得BLDCM的功率只能按散熱能力增大   的速度增長。為了獲得更大的功率輸出,從原則上講可以從三個方面人手:①提高電動機絕緣等級,例如用H級絕緣在國外的電機中較普遍。②改進電動機設計,提高運行效率。③改進電動機結構工藝,使熱導增大。BLDCM繞組對環境的熱導主要受二方面的影響,一是機殼對空氣的熱導,通常設計成有散熱筋的機殼可增加該部分熱導:另一方面是繞組對機殼之間的熱導,這主要取決于繞組的結構和絕緣浸漬工藝等,本文測試用的樣機繞組對機殼的散熱已

作了改善,熱導較大,文獻[1]中有1臺57BL一A型有槽電機就不一樣,Rw-k較大。

 圖7  運行特性曲線實例

   對BLDCM熱導參數的掌握和了解,有利于正確和快速確定電動機改造設計的方案。對于制造廠,BLDCM的基本規格總是很有限的,可是用戶往往會有許多不同要求,例如轉速的要求就會在很大的范圍內變化,較一般的可能是每分鐘幾十轉、幾百轉、幾千轉、幾萬轉或更高一些。從電磁關系的角度看,對于尺寸一定的電動機,內部電磁負荷基本確定的情況下,可以產生基本上一定的電磁轉矩,與電動機的轉速沒有直接的關系,這說明電動機的輸出功率可以隨轉速升高而成正比增大;但是從另一方面,即散熱條件和容許溫升的角度,則對于幾何尺寸一定的電動機,散熱條件和絕緣條件不變的情況下,電動機總損耗限定的值不變,與電動機的轉速也沒有大的關系,這說明電動機的輸出功率基本上不能改變(效率一定時)。實際上,幾何尺寸一定的電動機,當它的輸出功率受溫升和散熱條件限定時,只能隨

電動機效率的提高而增大。圖7示1臺轉速較高,額定轉速為7500r/min的57BL一A型BLDCM。與額定轉速3000r/min的電動機相比,額定轉速提高到2.5倍,如果保持額定轉矩不變,則輸出功率也將增至2.5倍。但是前面的實例數據表明,3000r/mm的57BL一人型電動機,輸出100W時散熱能力已沒有余量,增加輸出功率時除非提高效率保持總損耗不增加,否則在增大的輸出功率下不容許連續運行。圖7的實例表明,保持同樣的損耗值,最大連續輸出功率約為130W,比3000r/min的電動機提高了30 %多。相應的效率為74.7%,比3000r/min電動機時的值(68.0 %/)有所提高。高速電動機輸出功率不隨轉速成比例增長時,轉矩有所下降,說明電動機內部電磁負荷降低了,相應地損耗會減小,因而效率提高,當然這是在機械損耗不異常增大的條件下。電動機受發熱限定的功率與效率的關系可用下式表示:

    對57BL一A型電動機,Λw-aτW-m=44W,P2m=f(ηm)的關系如圖8所示。應注意的是叩m指的是最大輸出功率點的效率。

 圖8  最大連續功率與效率的關系

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