探討溫度對(duì)電機(jī)性能的影響（二）

本篇文章主要探討電機(jī)在自行過熱到燒毀的背后原因。

在我們的上一篇文章中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)在不同的溫度下表現(xiàn)各異，尤其是永磁電機(jī)的變化最為顯著。這主要的原因可以從扭矩公式中找到答案。當(dāng)磁鐵因溫度上升而磁力下降時(shí)，扭矩公式中的磁力(B)值便會(huì)降低，從而直接導(dǎo)致輸出扭矩(T)值的減少。這也帶來了一個(gè)值得探討的問題：供應(yīng)商提供的電機(jī)特性曲線，究竟是在什么溫度下測量的結(jié)果？電機(jī)在長時(shí)間運(yùn)行后，溫度升高，其輸出特性是否仍然滿足需求？

圖（1）

關(guān)于扭矩公式，實(shí)際上，電機(jī)的特性曲線大都是在室溫下進(jìn)行測量的，而不是在長時(shí)間運(yùn)行后的電機(jī)溫升特性。因此，當(dāng)我們查詢資料后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)電機(jī)的最大扭矩值為10Nm，這只是電機(jī)剛開始運(yùn)行后的最大值。當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后，電機(jī)內(nèi)部溫度持續(xù)上升，輸出扭矩也會(huì)隨之下降，具體的下降程度則取決于磁鐵的溫度敏感度。

圖（2）

由于永磁電機(jī)對(duì)溫度的反應(yīng)過于敏感，因此，筆者早年便建議磁鐵制造商改變研發(fā)方向，而不是單純提升磁鐵的最大磁力，更重要的是提高磁鐵的耐熱能力和降低溫度敏感度，這樣更適合電機(jī)的使用場景。因此，近年來已經(jīng)有了耐高溫的強(qiáng)磁配方產(chǎn)出，通常會(huì)在磁鐵型號(hào)后面加上一個(gè)H，表示適用于高溫環(huán)境。采用這種耐高溫磁鐵，就不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)闇囟壬仙鴮?dǎo)致的大幅度扭矩下降的情況。

除了永磁電機(jī)之外，其他的電機(jī)是否也會(huì)受到溫度的影響呢？答案是肯定的。除了我們?cè)谥暗奈恼轮刑岬降模驗(yàn)闇囟壬邔?dǎo)致漆包線電阻值上升，進(jìn)而增加銅損耗，降低電機(jī)效率之外，實(shí)際上也會(huì)導(dǎo)致扭矩的下降。主要的原因在于，電機(jī)的工作電壓在固定的情況下，電阻卻因?yàn)闇囟壬叨黾?，這就會(huì)導(dǎo)致輸入電流(i)值被限制，從而減少。一旦電機(jī)的電流(I)值被限制或者減少，就會(huì)直接影響到輸出扭矩的最大值或隨之減小，就像圖（1）的扭矩方程式所示的那樣。

電阻效應(yīng)詳解

正如我們?cè)谏衔闹兴?，由于銅材的溫度敏感度并不高，其產(chǎn)生的影響相對(duì)有限。因此，傳統(tǒng)電機(jī)工廠提供的電機(jī)特性曲線基于室溫測量，即使在升溫后使用，也不會(huì)有顯著的差異。在常見的應(yīng)用中，當(dāng)電機(jī)溫升導(dǎo)致扭矩減弱時(shí)，我們通常會(huì)任其自然衰減。例如，家中的電風(fēng)扇剛開啟時(shí)的轉(zhuǎn)速可能有1400RPM，使用半小時(shí)后，轉(zhuǎn)速可能降至1300RPM，雖然減少了100RPM，但這對(duì)我們而言并無大礙。

然而，在工業(yè)應(yīng)用中，熱量是一個(gè)可怕的惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致電機(jī)燒毀。主要的問題在于，當(dāng)扭矩T需要持續(xù)保持固定值時(shí)，無論是磁鐵或漆包線圈電阻引起的額外下降，都需要通過增加電流來補(bǔ)償。然而，新增的電流會(huì)產(chǎn)生新的銅損值，且電流是平方倍的關(guān)系，如下圖中上方的銅損方程式所示。新增的銅損將導(dǎo)致電機(jī)溫度再次升高，效率進(jìn)一步降低，扭矩再次下降。此時(shí)，我們需要再次增加電流來補(bǔ)償降低的扭矩值，如此重復(fù)，最終可能導(dǎo)致溫度過高，電機(jī)燃燒。

電機(jī)過熱破壞循環(huán)

從以上我們可以了解，電機(jī)中的熱量實(shí)際上是一個(gè)令人頭疼的問題。因此，電機(jī)行業(yè)內(nèi)有句諺語說，"做電機(jī)一生，都在解決噪音和熱量問題"。要實(shí)際解決電機(jī)的熱量問題，有兩個(gè)方向，一是讓電機(jī)不發(fā)熱，這目前主要是學(xué)術(shù)界的研究課題，被稱為超導(dǎo)電機(jī)，其核心概念是將電阻降至零。另一個(gè)方向是提高散熱能力，這是工業(yè)界的主要處理方向，因此，我們會(huì)看到電機(jī)會(huì)安裝風(fēng)扇進(jìn)行空冷，甚至在電動(dòng)車中，會(huì)引入水冷系統(tǒng)。

關(guān)鍵要點(diǎn)總結(jié)：電機(jī)的過熱是非常嚴(yán)重的問題，不僅直接影響電機(jī)的使用效率（熱損耗），還將影響電機(jī)的使用壽命，因此我們必須時(shí)刻警惕。