Expert Blog

高溫之下使用 DC 馬達

熟諳 maxon 產品目錄和技術規格的人會注意到,我們的馬達有特定的最大環境條件和繞組溫度。大多數 DC 馬達的最高環境溫度在 85⁰C 和 100⁰C 之間,而繞組溫度最大則在 100⁰C 和 125⁰C 之間。為什麼?

首先,環境溫度和繞組溫度有所區別。電源輸入分為電壓(V)和電流(A)。電壓決定了轉速,電流則決定轉矩。在使用期間,電流會在繞組裡產生熱,以至當馬達在高溫環境之下運轉時,無法像在一般工作溫度下那樣努力工作,否則就會燒壞。

熱會引起哪些問題?

馬達內部有一個磁路,由永久磁鐵、電磁鐵和馬達繞組所產生。永久磁鐵和繞組都會受到熱的影響。釹磁鐵大約在 160⁰C 開始退磁,磁性減弱。不幸的是,即使讓馬達冷卻也無法回復磁鐵的磁力;這是一種永久衰退現象。繞組外包覆有絕緣清漆,旨在保持穩定性和隔熱。當溫度上升超過 160⁰C 時,清漆會軟化,繞組也會開始變形,導致絕緣層摩擦損壞,最後引起短路和馬達故障。劇烈升溫會導致清漆和絕緣層融化,也會引起短路。最後的結果都一樣,便是馬達損毀。

maxon 高溫馬達

不出人意外地,在一些高溫環境下,人們仍會希望使用馬達,例如鑽入地殼以取得原油、天然氣或地熱能,或是飛機引擎中的閥門促動器。maxon 有一系列 DC 馬達是專為這些環境設計的。無刷 HD(Heavy Duty)重載系列可以在高達 200⁰C 的環境溫度下工作,繞組更可承受達 240⁰C 的高溫。

這些馬達要如何在這樣的高溫下工作?

maxon HD 馬達內的磁鐵採用釤鈷(SmCo)製成。釤鈷稀土磁鐵在開始退磁之前,可以承受更高的溫度,繞組銅線絕緣層的額定溫度也更高。最終,浸漬清漆可承受更高的額定溫度,因此可確保繞組在整個工作溫度範圍內都有良好的穩定性。

為什麼不讓所有馬達都有承受高溫的能力?

製造一個高溫馬達的過程並不容易;銅線繞組上的強化絕緣層非常堅硬,讓繞線更困難,而且這也不適合所有纏繞方式。另一個原因是成本。材料更專業,成本就更高。而當一個應用沒有必要使用如此專業材料時,有誰會希望使用如此高價的馬達呢?

在大批量應用中,若因 HD 系列的範圍有限而沒有合適的馬達,maxon 可以針對有高溫需求的大批量專案為標準馬達進行升級。maxon 會檢視生產繞組的可行性,然後建立一個量產規模的批次,以確保線材的產量足夠。最後,如果產量足夠,便會製作馬達樣品,並驗證技術規格。

當應用即將超過環境溫度極限時,該怎麼辦?

與 maxon 技術方面的銷售工程師連絡。我們都接受過專門訓練,目的在於能夠在正確環境中為正確的應用選出正確的產品。

首先,我們會問一系列有關應用的問題,例如輸出的轉速和轉矩多高、  馬達的工作週期為何、輸入電源是多少等。接下來,我們會察看環境、溫度、衝擊和振動等各個因素。我們也會詢問是否有其他限制,例如空間包絡、重量等。一旦我們收集到所有資料,我們就會開始審視可能的選擇,然後提供合適的解決方案。

若有高溫情形,我們必須執行熱分析,以確保馬達不會在運行時燒壞。我們會分析在特定環境溫度下工作週期中的轉速和轉矩變化。我們使用 maxon 所開發的軟體,可以獲得重要資訊,包括繞組溫度、是否會達到或超過最高繞組溫度、工作週期中是否有足夠時間讓繞組冷卻,以及在多個週期之後,繞組是否仍能維持低於最高溫度等。

透過我們的訓練和可使用的工具,我們將只推薦我們確信能滿足需求的解決方案。

作者: Andrew Gibson

© by © maxon motor ag