随着微电机的广泛应用，微电机的保护变得越来越重要。目前国内已有的微电机保护措施，通常电路复杂、灵敏度低、经不起振动，不能耐大的电压波动和电流波动，对电磁干扰敏感。为改变这一状态，利用研制的高分子PTC材料，设计制作了微电机的具有过热过电流保护功能的新型自保结构。将这种微电机的新型自保结构安装在传统微电机上，并不改变传统微电机的外形结构与尺寸，也不降低传统微电机的机械电学指标。实测数据与理论设计吻合较好。

    这种过热过电流保护方法，可直接移植到不同种类的微电机上，具有良好的通用性。

    无论是过热，还是过电流，都会烧毁微电机。二者烧毁微电机的物理过程，都表现为热过载，其差别仅在于前者是慢变化热过载，后者是快变化热过载。要想保护微电机，首先就要对微电机的热学状态，或者电流状况进行检测。传统的检测方式主要有外测法和内测法两种形式。

    外测法作为微电机保护器中常用的检测方法，检测对象是电压或电流。它将运转中的微电机视为一个独立单元，从外部检测其电流或电压的变化。当变化超过规定值时，启动继电器，切断电源，保护微电机。例如，传统的热继电器保护装置，把检测到的电信号转换为温度信号，当被保护微电机因故障而造成电流增加时，该热继电器的温度就会超过极限温度，继电器开始动作，从而保护了微电机。这种保护方式对短路、欠压、过载能起到保护作用，但对断相保护不可靠。又如，断相保护器是在微电机外部，检测断相时产生的三相不平衡电流或电压，在它们超过规定值时动作，保护微电机。外测法不直接检测运转中的微电机的内部温度，对环境造成的微电机过热，即对慢变化热过载，保护不可靠。

    内测法的检测对象是温度。它从微电机的内部检测运转中的绕组温度，当温度过高时，启动继电器，切断电源。内测法虽然可以有效地检测微电机的过热现象，但对于微电机电路中的电流超过规定范围而引起温度快速增加，即对于快变化热过载，反应迟钝，对微电机的保护也不可靠。

    上述检测方法，无论是外测法，还是内测法，在测量之后，还需要有一个用于切断电源的执行系统，因此结构复杂，可靠性降低。

    正温度系数热敏电阻(Positive Temper-ature Coefficient，缩写为PTC)材料分为两大类，一类是陶瓷PTC材料，一类是高分子PTC材料。陶瓷PTC材科是1950年Philips公司Hayman等人发现的。该类材料从60年代后期以来迅猛发展，各种不同用途的材料相继问世，并广泛用于电子设备、家用电器之中。然而陶瓷PTC材料虽有阻值跳变快、居里点可调整、额定工作电压高等优点，但也有性脆易碎、工艺复杂室温电阻率较高等缺点，难于满足微电机几十到几百毫安量级的过热过电流保护的需要。针对这种情况，研制了一种室温电阻率小、质地柔软、成本低、易于加工的高分子PTC材料。将这种高分子PTC材料串联在微电机内部，可以对微电机起到有效的过热过电流保护作用。

    图1是高分子PTC材料的电阻一温度特性。可以看出，在温度不太高，即在Y1。，温度以下时，电阻值随温度变化不大；当温度升到p，后，电阻值随温度升高，按指数规律迅速增大，这种现象称为PTC效应，其变化的幅度称为PTC强度；当温度升时，电阻值不再随温度而升高，PTC效应消失。当高分子PTC材料用于微电机的自保时，微电机的正常工作状态，对应着高分子PTC材料处于Tpi以下的低温低阻态，高分子PTC材料的串入不影响微电机的正常工作；因微电机过热而使与其紧靠在一起的高分子PTC材料的温度升高时，或者因微电机过电流而使得与其串联的高分子PTC材料由焦耳效应而使温度过高时，高分子PTC材料处于Tpl～Tp2的高温高阻态，它的串入可切断微电机的电源，保护微电机。本曲线是用聚乙烯作为PTC材料中高分子的主要成分时测得的是由PTC材料中高分子成分的软化温度决定的，改变高分子材料的成分可以改变温度Tp1和Tp2的大小。

    高分子PTC材料的电压一电流(U-I)特性，即伏安特性曲线显示了高分子PTC材料与周围环境热平衡时的端电压与电流之间的关系。曲线形状与高分子PTC材料的成分、环境温度、环境介质种类、放置状态等有关。当环境温度下高分子PTC材料变化后的温度为71，其端电压与所流过的电流分别为UT和，，RT0和RT分别表示7的电阻值时，可表达为：

式中，BY是该高分子PTC材料的特征参数。

    图2是制作的高分子PTC材料的电压一电流特性。

    高分子PTC材料的电流一时间(J—f)关系特性，即高分子PTC材料加上电压后，电流，与所经历的时间的关系。它真实地反映出高分子PTC材料在实用过程中的性能特征。

    图3是室温电阻值为1 6Ω的高分子PTC材料，加上超常电流或超常电压时的电流一时间曲线。电流****，称为起始电流随着时间的增加，焦耳热使其本身温度升高，电阻值增大，电流减小，单位时间产生焦耳热也随之减少。焦耳热与发散向周围环境的热量平衡时，电流稳定下来，称为稳态电流其值除了取决于高分子PTC材料本身外，还与传热因素有关。同样的高分子材料、同样的传热因素，电压越高，电流越大，达到稳定状态需要的时间越短。

 

    高分子PTC过热过电流保护电路如图4所示，其串联于微电机的主电路中，紧靠绕组固定在外壳内部。

   图5绘出了KFD-6型微电机在有保护和无保护结构情况下的实测运行曲线。从中可看出，微电机在正常温度和正常电压下起动时，高分子PTC材料的电阻因数值较小，对微电机略有影响，但几乎可以忽略。随着微电机起动后阻抗的迅速增加，它们的差别很快消失。另外微电机的起动时间比高分子PTC材料的动作时间要短很多，微电机的起动电流对高分子PTC材料的正常工作不构成影响。

 

    图6是改造后的KFD-6型微电机堵转实验结果。堵转开始后电流迅速增加，马上急剧减小，5s后几乎降为0，微电机得到保护。

    利用设计制造的高分子PTC材料，对传统的KFD-6型微电机进行了成功的改造。实验结果表明：

    (1)用高分子PTC材料制作的微电机过热过电流保护器串联于微电机电路中，在正常情况下不影响微电机的正常工作。

    (2)用高分子PTC材料制作的微电机过热过电流保护器安装在传统微电机的外壳内部，不改变被改造微电机的外形和尺寸，具有较好的通用性，易于推广。

    (3)用高分子PTC材料制作的微电机过热过电流保护器能够从过热和过电流两个方面保护微电机。

    (4)用高分子PTC材料制作的微电机过热过电流保扩器集中了传统保护措施中内测法和外测法的优点，克服了它们各自的缺点；而且还省却了在检测器后作为执行器的继电器，从而提高了保护器的可靠性。用高分子PTC材料制作的微电机过热过电流保护器，集保护器的信息检测、信息处理、保护动作执行于一身，具有人工智能保护器的特征。

    (5)用高分子PTC材料制作的微电机过热过电流保护器的缺点在于电阻率开始快速增加的温度无法调整。高分子PTC材料的软化温度约为165℃，老化温度约为185C，而电机的****允许温升标准是A级105 ℃、E级120℃、B级130℃、F级155℃、H级180℃。因此高分子PTC材料可用于A级、E级和B级微电机的保护，无法满足F级和H级微电机的保护。

 

        梁瑞林：：男，1946年1月1日出生，副教授，研究方向为高分子基复合功能材料与电子陶瓷及其应用。