焊机用永磁直流电机

刘宝树

(南京顶端电机有限公司，江苏 南京 210012)

0 前言

作为一个典型的电磁产品，永磁直流电机的工作主要建立在两个最基本的电磁现象上：载流导体在磁场中受到安培力的作用；导体在不平行于磁场方向的运动会产生感应电动势（电磁感应，此处引用动生电势近似描述）。两个效应在电机中的具体表现形式为：

式中 T为电机输出转矩；E为感应电势；p为电机极对数；N为电机绕组总导体数；φ为每极气隙磁通（单位：Wb）；I为电枢电流；a为电枢绕组的并联支路对数；n为转子转速（单位：r/min）。

电机两端加压时，由电流产生的安培力驱动电机运转，电机运转又产生抵消外加电压的感应电动势，并随着电机加速最终与外加电压平衡，输出稳定的转速和扭矩。

1 电机的稳态运行特性（稳定电压、温度）

1.1 机械特性

当电机端电压恒定时，电机的输出转速随电机输出扭矩的变化曲线称为电机的机械特性，如图1所示。

由图1可知，在端电压不变的情况下，随着输出扭矩的增加，电机的输出转速成比例降低。这是因为：随着电机扭矩的增加，必然需要电机的电枢电流有所增加，而在端电压不变的情况下，只有感应电动势降低才可能实现电机电流的增加（这里假设温度一定，电机内阻不变），而由式（2）可知感应电势的降低也就意味着电机转速的降低。

若以k表示这一特性曲线的斜率，则k越大，电机转速随扭矩降得越多，电机特性越软。反之则说明电机特性越硬。电机特性当然越硬越好，但这也意味着电机成本的增加。所以在实际选择送丝电机时，可根据空/负载送丝速度变化要求、载荷波动时送丝速度变化要求（如随着焊丝使用，出现的载荷不断变小；短路过渡过程中，电弧推力的变化等）选择合适的k值。也可以在电路中加入速度反馈系统来降低对k值的依赖。

图1 扭矩-转速特性

1.2 调节特性

当电机输出转矩恒定时，电机的转速随电机电压的变化曲线称为电机的调节特性，典型的转速-电压特性曲线如图2所示。

图2 电压-转速-扭矩特性

由图2可知，随着电机电压的提高，电机的堵转扭矩也对应增加。这是因为电机的输出扭矩是由电枢电流产生的（见式（3））。而电枢电流为

式中 U为电机输入电压；ΔUb为碳刷压降，一般为1～2 V。

由式（3）可知，由于电枢电阻Ra的存在，一定的输入电压对应于一个最大的电枢电流（U/R）即输出转矩。且输入电压越大，其对应的最大的电枢电流越大，使其堵转扭矩也就越大。

将能产生负载所需转矩的最小电压称为电机的最低工作电压。由电压与转速成线性比例关系可知，当电机的最低工作电压和额定电压确定时，电机的最低、最高速度也相应确定。

在电机选型时应充分考虑电机的最低工作电压范围与电机转速调节范围的关系。当所需要的转速范围宽度超过电压范围宽度时，可考虑在保证最低工作电压的前提下，适当提高电机的额定电压。

2 电机运行特性的温度敏感性

上述分析都是假定电机温度是一定的，但实际运行的电机因电阻热等的存在会有一定的温升。随着温度的变化，电机内的永磁体（特别是常用的钕铁硼和铁氧体）的磁通φ会出现较明显的变化。如从稳态运行到热态，电机温度提高了100 K，则铁氧体和永磁体每极气隙磁通量分别减少约12.6%和18%～20%。根据式（1）、式（2）可知，这将显著改变电机的输出转矩和输出转速。此外温度的升高还会提高电机的内阻。图3为实际测试的一台电机在1.5 N·m转矩下、不同输入电压下转速随温度的变化曲线。

图3 电压—转速—温度特性

电机温度的提高会增加电机内阻，减小磁通。一定范围的内阻增加会降低电机转速，而小范围的磁通减小会提高电机转速（当温度变化特别大时，磁通变化会出现很大变化甚至是退磁，这是设计电机时必须避免的）。由图3可知，在一定的电压以下（约3 V），内阻的影响占主导作用，电机转速随温度提高有所降低。在一定的电压以上，磁通减小占主导作用，电机转速随温度提升有所提高。

在实际的电机选型时应考虑其温升带来的影响：电机温升既要满足绕组绝缘的要求，又要满足输出转速、扭矩稳定性的需求。在实际控制线路设计时，对于电机固有的温度敏感性，可考虑在控制系统中引入适当温度系数的热敏电阻进行补偿以提高电机的热稳定性。

3 电机动态特性

电机的动态过程是一个非常复杂的机电瞬变过程。在整个机电过渡过程中，电气过渡和机械过渡同时存在，两者相互交叠，相互影响。由于电机驱动系统的电路形式多种多样，在此仅讨论电机结构对自身动态响应的影响，对具体电路结构不作展开讨论。

根据电机理论，电机角速度对输入电压传递函数为

式中 Kt为电机的转矩系数；Ra为电机电枢内阻；RΩ为电机阻力系数；La为电枢电感；J为电机转动惯量。

3.1 电机结构参数对其动态响应的影响

某款常规电机参数如表1所示。

表1 某款常规电机参数

其单位阶跃相应特性如图4所示。

图4 电压-转速响应特性曲线

由式（4）可知，理想的电机电压-转速系统为一二阶系统。当电机的结构参数不同时，可能呈现不同的工作状态（过阻尼、临界阻尼、欠阻尼），在此讨论主要结构参数的影响。

（1）电枢电感La。运用表1参数的电机，改变电枢电感La，电压-速度动态特性如图5所示。

由图5可知，随着La的增加，电机转速-电压的阶跃响应逐渐由过阻尼响应变为欠阻尼响应。且随着La的增加，动态响应的超调量逐渐增大，动态特性变差。当外围电路增益设置不当时系统稳定性会进一步变差，甚至成为不稳定系统。在选型时应根据对电机稳定性的要求，选择合适的La。当无法兼顾电、磁参数时，应对控制系统进行优化。

（2）电机转动惯量J。随着J的变化，电压-速度动态特性如图6所示。

图5 La改变时，电机电压-转速动态特性

图6 J改变时电机电压-转速动态特性

由图6可知，随着J的增加，转速对电压的动态响应时间明显增加。其产生的影响有：①电机速度对电压变化的响应变慢；②由于没有增加超调量，系统平稳性有一定的增加。所以在电机选型时，应选择合适的J值。在响应速度无特殊要求时，可以考虑选用J值较大的电机，以增加运行过程中的稳定性。

3.2 电机动态特性对系统工作频率选择的影响

目前很多送丝电机采用PWM进行调速，那么电机的动态特性对PWM的频率选择有什么影响呢？用表1参数电机分析不同频率下电机的动态响应（如前所述，只讨论开环控制下电机的响应特性）。给电机分别施加：①峰值电压42 V，10 Hz，50%占空比的方波电压；②峰值电压42 V，50 Hz，50%占空比的方波电压；③峰值电压42 V，1 kHZ，50%占空比的方波电压。同时加载1.5 N·m(正常送丝时的电机输出扭矩，因电机传动比关系，折算到电机转子处的转矩约0.075 N·m)时的电机转速特性如图7所示。

由图7可知，工作频率为10 Hz时，电机转速同步加电周期出现极大波动，无法稳定工作。当工作频率增加到50 Hz时，电机在经过5个加电周期后会达到一个相对稳定状态，此时电机可以连续运行，但转速存在一定的波动。当频率进一步增加到1kHz，电机可稳定运行，此时虽仍存在一定的转速波动，但波动幅度很小，随着工作频率的进一步增加，电机转速波动幅度将进一步减小，转速稳定性进一步提高。

频率是不是越高越好呢？在实际控制系统中，工作频率的增加引起的寄生阻抗损耗和开关器件开关损耗的增加，将导致电机输出功率的减小。同时受开关器件控制极工作频率及EMC的限制，工作频率也不能选的过高，一般在实际电路中常采用5～20 kHz的工作频率。

图7 10 Hz、50 Hz、1 kHz 电机工作特性