隨著微電機的廣泛應用，微電機的保護變得越來越重要。目前國內已有的微電機保護措施，通常電路復雜、靈敏度低、經不起振動，不能耐大的電壓波動和電流波動，對電磁干擾敏感。為改變這一狀態，利用研制的高分子PTC材料，設計制作了微電機的具有過熱過電流保護功能的新型自保結構。將這種微電機的新型自保結構安裝在傳統微電機上，并不改變傳統微電機的外形結構與尺寸，也不降低傳統微電機的機械電學指標。實測數據與理論設計吻合較好。

    這種過熱過電流保護方法，可直接移植到不同種類的微電機上，具有良好的通用性。

    無論是過熱，還是過電流，都會燒毀微電機。二者燒毀微電機的物理過程，都表現為熱過載，其差別僅在于前者是慢變化熱過載，后者是快變化熱過載。要想保護微電機，首先就要對微電機的熱學狀態，或者電流狀況進行檢測。傳統的檢測方式主要有外測法和內測法兩種形式。

    外測法作為微電機保護器中常用的檢測方法，檢測對象是電壓或電流。它將運轉中的微電機視為一個獨立單元，從外部檢測其電流或電壓的變化。當變化超過規定值時，啟動繼電器，切斷電源，保護微電機。例如，傳統的熱繼電器保護裝置，把檢測到的電信號轉換為溫度信號，當被保護微電機因故障而造成電流增加時，該熱繼電器的溫度就會超過極限溫度，繼電器開始動作，從而保護了微電機。這種保護方式對短路、欠壓、過載能起到保護作用，但對斷相保護不可靠。又如，斷相保護器是在微電機外部，檢測斷相時產生的三相不平衡電流或電壓，在它們超過規定值時動作，保護微電機。外測法不直接檢測運轉中的微電機的內部溫度，對環境造成的微電機過熱，即對慢變化熱過載，保護不可靠。

    內測法的檢測對象是溫度。它從微電機的內部檢測運轉中的繞組溫度，當溫度過高時，啟動繼電器，切斷電源。內測法雖然可以有效地檢測微電機的過熱現象，但對于微電機電路中的電流超過規定范圍而引起溫度快速增加，即對于快變化熱過載，反應遲鈍，對微電機的保護也不可靠。

    上述檢測方法，無論是外測法，還是內測法，在測量之后，還需要有一個用于切斷電源的執行系統，因此結構復雜，可靠性降低。

    正溫度系數熱敏電阻(Positive Temper-ature Coefficient，縮寫為PTC)材料分為兩大類，一類是陶瓷PTC材料，一類是高分子PTC材料。陶瓷PTC材科是1950年Philips公司Hayman等人發現的。該類材料從60年代后期以來迅猛發展，各種不同用途的材料相繼問世，并廣泛用于電子設備、家用電器之中。然而陶瓷PTC材料雖有阻值跳變快、居里點可調整、額定工作電壓高等優點，但也有性脆易碎、工藝復雜室溫電阻率較高等缺點，難于滿足微電機幾十到幾百毫安量級的過熱過電流保護的需要。針對這種情況，研制了一種室溫電阻率小、質地柔軟、成本低、易于加工的高分子PTC材料。將這種高分子PTC材料串聯在微電機內部，可以對微電機起到有效的過熱過電流保護作用。

    圖1是高分子PTC材料的電阻一溫度特性。可以看出，在溫度不太高，即在Y1。，溫度以下時，電阻值隨溫度變化不大；當溫度升到p，后，電阻值隨溫度升高，按指數規律迅速增大，這種現象稱為PTC效應，其變化的幅度稱為PTC強度；當溫度升時，電阻值不再隨溫度而升高，PTC效應消失。當高分子PTC材料用于微電機的自保時，微電機的正常工作狀態，對應著高分子PTC材料處于Tpi以下的低溫低阻態，高分子PTC材料的串入不影響微電機的正常工作；因微電機過熱而使與其緊靠在一起的高分子PTC材料的溫度升高時，或者因微電機過電流而使得與其串聯的高分子PTC材料由焦耳效應而使溫度過高時，高分子PTC材料處于Tpl～Tp2的高溫高阻態，它的串入可切斷微電機的電源，保護微電機。本曲線是用聚乙烯作為PTC材料中高分子的主要成分時測得的是由PTC材料中高分子成分的軟化溫度決定的，改變高分子材料的成分可以改變溫度Tp1和Tp2的大小。

    高分子PTC材料的電壓一電流(U-I)特性，即伏安特性曲線顯示了高分子PTC材料與周圍環境熱平衡時的端電壓與電流之間的關系。曲線形狀與高分子PTC材料的成分、環境溫度、環境介質種類、放置狀態等有關。當環境溫度下高分子PTC材料變化后的溫度為71，其端電壓與所流過的電流分別為UT和，，RT0和RT分別表示7的電阻值時，可表達為：

式中，BY是該高分子PTC材料的特征參數。

    圖2是制作的高分子PTC材料的電壓一電流特性。

    高分子PTC材料的電流一時間(J—f)關系特性，即高分子PTC材料加上電壓后，電流，與所經歷的時間的關系。它真實地反映出高分子PTC材料在實用過程中的性能特征。

    圖3是室溫電阻值為1 6Ω的高分子PTC材料，加上超常電流或超常電壓時的電流一時間曲線。電流****，稱為起始電流隨著時間的增加，焦耳熱使其本身溫度升高，電阻值增大，電流減小，單位時間產生焦耳熱也隨之減少。焦耳熱與發散向周圍環境的熱量平衡時，電流穩定下來，稱為穩態電流其值除了取決于高分子PTC材料本身外，還與傳熱因素有關。同樣的高分子材料、同樣的傳熱因素，電壓越高，電流越大，達到穩定狀態需要的時間越短。

 

    高分子PTC過熱過電流保護電路如圖4所示，其串聯于微電機的主電路中，緊靠繞組固定在外殼內部。

   圖5繪出了KFD-6型微電機在有保護和無保護結構情況下的實測運行曲線。從中可看出，微電機在正常溫度和正常電壓下起動時，高分子PTC材料的電阻因數值較小，對微電機略有影響，但幾乎可以忽略。隨著微電機起動后阻抗的迅速增加，它們的差別很快消失。另外微電機的起動時間比高分子PTC材料的動作時間要短很多，微電機的起動電流對高分子PTC材料的正常工作不構成影響。

 

    圖6是改造后的KFD-6型微電機堵轉實驗結果。堵轉開始后電流迅速增加，馬上急劇減小，5s后幾乎降為0，微電機得到保護。

    利用設計制造的高分子PTC材料，對傳統的KFD-6型微電機進行了成功的改造。實驗結果表明：

    (1)用高分子PTC材料制作的微電機過熱過電流保護器串聯于微電機電路中，在正常情況下不影響微電機的正常工作。

    (2)用高分子PTC材料制作的微電機過熱過電流保護器安裝在傳統微電機的外殼內部，不改變被改造微電機的外形和尺寸，具有較好的通用性，易于推廣。

    (3)用高分子PTC材料制作的微電機過熱過電流保護器能夠從過熱和過電流兩個方面保護微電機。

    (4)用高分子PTC材料制作的微電機過熱過電流保擴器集中了傳統保護措施中內測法和外測法的優點，克服了它們各自的缺點；而且還省卻了在檢測器后作為執行器的繼電器，從而提高了保護器的可靠性。用高分子PTC材料制作的微電機過熱過電流保護器，集保護器的信息檢測、信息處理、保護動作執行于一身，具有人工智能保護器的特征。

    (5)用高分子PTC材料制作的微電機過熱過電流保護器的缺點在于電阻率開始快速增加的溫度無法調整。高分子PTC材料的軟化溫度約為165℃，老化溫度約為185C，而電機的****允許溫升標準是A級105 ℃、E級120℃、B級130℃、F級155℃、H級180℃。因此高分子PTC材料可用于A級、E級和B級微電機的保護，無法滿足F級和H級微電機的保護。

 

        梁瑞林：：男，1946年1月1日出生，副教授，研究方向為高分子基復合功能材料與電子陶瓷及其應用。