危险环境下科尔摩根伺服电机设计的注意事项
虽然伺服电机和驱动器广泛应用于各种工业应用，但当它们在极或危险环境中运行时，我们应该考虑哪些事项？ 许多情况下，电机本身运行在极环境下，而驱动电子系统则受到保护，不受危险影响。 本博客文章将讨论伺服电机面对的性能挑战和电机在极环境下运行时需要考虑的设计问题。
环境类型：
极温度 - 典型伺服电机的额定值是在基于 40°C 环境温度的工业环境中测定的。 操作温度的范围常介于 -10°C 低温和 50°C 环境高温 对于靠近烘箱的应用或井下环境的操作，温度范围可能会高得多。 在制冷、冷藏、低温系统中，或在南极，可能会出现 -40°C 和更低的温度。
真空 - 标准电机设计为可以在有限的大气压力范围内运行。 某些机械加工应用或关键部件可能需要在真空中操作指过程，来限制大气压力造成的影响。 与高海拔和空间相关的应用也会在真空度提高的相关条件下运行。
无尘室 - 通常与工业真空应用密切相关，无尘室对通过空气进入环境的污染物有严格的限制。
水 - 电机要与水隔离。 标准电机的防尘和防潮密封级别是基于 IP 等级来确定的，大多数电机设计采用 IP54 等级。 潮湿的环境要求采用 IP65 或更高等级。 在食品加工行业，需要防止水雾和腐蚀的环境比比皆是。 还可能需要进行高压冲洗或长时间浸泡。 潜水应用不仅需要防止进水，还需要考虑更高的压力要求。
卫生 - 包含在食品加工要求中，卫生环境不仅需要高压和高温冲洗，还需要防止病原体在电机表面滋生。 采用铝制或钢制外壳设计的电机在大多数工业环境中运行良好，但由于氧化作用和表面形状不规则可能导致病原体滋生，因此不适用于卫生环境。
易爆 – 在谷物升降机、面粉厂、纺织厂或其他含可燃气体、粉尘、蒸汽或纤维的设施中使用的应用，需要适用于这些特定危险的特别电机设计。
辐射 – 对于靠近核反应堆或处于高辐射量太空环境中的电机应用，选择适合的电机材料以尽量减少性能随时间减弱是一项充满挑战的工作。
高振动和冲击 - 标准伺服电机的设计可以应对超出典型工业环境的振动，然而，对于高重复振动或突然的冲击振动，需要额外考虑。
基于环境的特殊注意事项
以上强调的每一种环境都偏离了典型的工业环境，电机设计者必须有所考量。 这些环境条件混合在一起（例如极寒冷和极炎热的环境）更是一项难以应对的挑战。
极温度 - 所有电机额定值均根据电机线圈温升与特定环境温度来确定。 温升使线圈温度升高到电机绝缘系统最大允许的额定温度值，之后为系统分配特定的额定等级值（F、H 等）。 在炎热环境下，电机扭矩输出受限于其特定的降低损耗以避免电机线圈过热的能力。 针对这种环境的一种调整方式，是根据额定温度与环境温度的差值对电机进行降额。 另一种考虑的做法，是采用更高额定等级值的绝缘材料来改进绝缘系统，从而允许更高的温升。 应对温度升高的其他方法，是使空气在电机上方或电机内流通来冷却电机，或者采用液体冷却法，向定制的电机外壳注入流体来冷却电机。 寒冷环境则以其他方式影响电机，例如轴承润滑脂性能下降，甚至电机材料（例如引线）变得易脆。 谨慎选择电机材料和轴承润滑油能够解决低温环境下出现的问题。
真空 - 在真空中，电机散热的对流能力有限，因此，与高温问题一样，要么对电机进行降额，要么必须采用一种方法来提高电机的热传导能力。 由于电机材料和轴承润滑油的除气特性，电机材料和轴承的选择也很重要。
无尘室 - 对于在无尘室环境中使用的电机而言，材料的选择至关重要。 根据无尘室的不同等级，必须基于无尘室的温度和大气压力水平，仔细检查电机构造所使用材料的除气特性。 引线、轴承润滑脂和轴封等材料非常容易释放分子微粒，污染无尘室的环境。
水 - 密封方法可以防止不必要的水渗出，渗出的水可能会接触到内部材料而引起腐蚀。 单纯地增加密封件可能无法实现坚固的防水设计。 一个具有良好密封性的电机实际上可能存在与电机内部压力及自然加热和冷却循环系统相关的固有问题。 随着电机温度的升高，由此产生的内部压力会对密封件产生推力。 随着电机的冷却，内部压力的降低又会将密封件往回拉。 密封件的持续弯曲最终会导致密封件失效。 如果允许电机随温度升高而排气，那么电机内部压力不会增加而导致密封件磨损。 潜水电机在内部设计有非腐蚀性流体和一个压力囊，当电机逐渐在水中下沉时，该压力囊可适应压力的变化。
卫生 - 与潮湿环境类似，密封对于卫生应用而言也很重要。 此外，为了防止病原体在裂缝和缝隙中滋生，电机表面所有暴露区域都需要采用不锈钢材料。 电机外壳的边缘应是圆润的，没有能够聚集液体的接头或连接硬件，并且任何平坦区域都应与安装位置保持相对倾斜。 密封材料和电缆需要根据食品行业应用中的食品级要求来确定。 典型密封要求为 IP69K（耐高压、高温及腐蚀性化学品）。
易爆 – 易爆环境的问题需要针对环境中会导致爆炸的特殊气体、蒸汽、纤维或粉尘来缓解。 电机的设计应在绕组发生短路并引发内部爆炸时，其外壳的每个接头处均能限制和承受可能的火焰。 具体防爆等级由美国 UL、欧洲 ATEX 或中国 CCC 管理。 等级规定了具体的爆炸危险和严重程度。
辐射 - 辐射环境由总体累积辐射量来衡量，它确定特定时间段内的辐射水平。 电机材料根据该指标来选择。 标准电机材料在高浓度辐射下会在短时间内发生性能降级。 然而，抗辐射电机所选择的材料能够耐受总体累积辐射量，从而在较长时间内保持性能不变。
振动和冲击 - 冲击的方向和振动的频率将决定减轻潜在的电机损坏的最佳方式。 一种常见的解决方案是选择适合的轴承系统和反馈装置。 在高冲击环境下，与易碎的光栅编码器相比，旋变编码器等坚固的反馈装置是更好的选择。 可能需要采用不同类型或尺寸的轴承，具体取决于冲击和振动级别。
尽管这些恶劣条件给电机设计者带来了巨大挑战，但许多电机已经成功地在这些类型的环境中运行。 设计者应该认真研究类似环境中的成功应用，帮助选择适合在危险或极环境中使用的电机材料和机械构造。
