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如何很好的解决步进电机发热问题

2014年02月06日 专题, 步进电机, 步进电机原理本站原创 ⁄ 共 2251字 ⁄ 字号 暂无评论 ⁄ 阅读 24,016 次

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每台电机都在一个特定的内部温度下运转。其他部件的温度不应与电机外壳的温度一样高。所有电机的铭牌上都应列出标准运转温度。现在有人开始使用红外热像仪去综合检测电机的温度分布情况。虽然红外热像仪无法看到电机内部,但外部表面温度足以指示出内部温度高低。随着电机内部温度的升高,其外表面的温度也升高。如下图所示:

 

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以上方法可以作为一种检测电机温度的方法。一般要真正解决电机的发热问题,必须要从电机本身的原理方向出发,并分析相关的驱动线路。

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步进电机作为一种数字式执行元件,在运动控制系统中得到广泛的应用。许多用户朋友在使用步进电机的时候,感觉电机工作时有较大的发热,心存疑虑,不 知这种现象是否正常。实际上发热是步进电机的一个普遍现象,但怎样的发热程度才算正常,以及如何尽量减小步进电机发热呢?本文将对这些问题做一简单的分 析。网上也给出了很多的方法。现在总结如下:

 

1. 步进电机为什么会发热

对于各种步进电机而言,内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻,通电会产生损耗,损耗大小与电阻和电流的平方成正比,这就是我们常说的铜损, 如果电流不是标准的直流或正弦波,还会产生谐波损耗;铁心有磁滞涡流效应,在交变磁场中也会产生损耗,其大小与材料,电流,频率,电压有关,这叫铁损。铜 损和铁损都会以发热的形式表现出来,从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出,效率比较低,电流一般比较大,且谐波成分高,电流交变的频 率也随转速而变化,因而步进电机普遍存在发热情况,且情况比一般交流电机严重。

 

2. 步进电机发热的合理范围:

电机发热允许到什么程度,主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下(130度以上)才会被破坏。所以只要内部不超过130度,电机便不会 损坏,而这时表面温度会在90度以下。所以,步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法有用点温计的,也可以粗略判断:用手可以触摸 1-2秒以上,不超过60度;用手只能碰一下,大约在70-80度;滴几滴水迅速气化,则90度以上了。

 

3. 步进电机发热随速度变化的情况:

采用恒流驱动技术时,步进电机在静态和低速下,电流会维持相对恒定,以保持恒力矩输出。速度高到一定程度,电机内部反电势升高,电流将逐步下降,力 矩也会下降。因此,因铜损带来的发热情况就与速度相关了。静态和低速时一般发热高,高速时发热低。但是铁损(虽然占的比例较小)变化的情况却不尽然,而电 机整个的发热是二者之和,所以上述只是一般情况。

 

4. 发热带来的影响:

电机发热虽然一般不会影响电机的寿命,对大多数客户来说没必要理会。但是,严重的发热会带来一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构 应力的变化和内部气隙的微小变化,会影响电机的动态响应,高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热,如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电 机的发热应当进行必要的控制。

 

5. 如何减少电机的发热:

减少发热,就是减少铜损和铁损。 减少铜损有两个方向,减少电阻和电流,这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机,对两相电机,能用串联的电机就不用并联电机。但是这往往与力矩 和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机,则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能,前者在电机处于静态时自动减少电流,后者干脆将电流切断。另 外,细分驱动器由于电流波形接近正弦,谐波少,电机发热也会较少。 减少铁损的办法不多,电压等级与之有关,高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升,但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级,兼顾高速性,平 稳性和发热,噪音等指标。

 

总结:

任何电机都会发热,只是发热程度不同而已。关于各种电机步进电机而言,内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻,通电会产生损耗, 损耗大小与电阻和电流的平方成正比,这就是我们常说的铜损,假设电流不是标准的直流或正弦波,还会产生谐波损耗;死心有磁滞涡流效应,在交变磁场中也会产 生损耗,其大小与材料,电流,频率,电压有关,这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的方式表现出来,从而影响电机的效率。

 

步进电机普通追求定位精度和力矩输出,效率比较低,电流普通比较大,且谐波成分高,电流交变的频率也随转速而变化,因而电机步进电机普遍存在发热情况,且情况比普通交流电机严重。

 

电机发热固然普通不会影响电机的寿命,对大多数客户来说没必要理会。但是,严重的发热会带来一些负面影响。如电机内部各部分热收缩系数不同招致 结构应力的变化和内部气隙的微小变化,会影响电机的动态响应,高速会容易失步。又如有些场所不允许电机的过度发热,如医疗器械和高精度的测试设备等。因此 对电机的发热应当中止必要的控制。我们的步进电机用在钢铁机器人上,环境温度100多度,至今工作正常。

 

要减少步进电机的发可以采取的措 施如下:假设电机步进电机驱动器有自动半流方式,尽量让其工作在半流状态,由于此时电机步进电机全流工作发热最 大。假设负载力矩范围允许的情况下,可以把电机额定电流降下来,比如5A电机,让其工作在4A状态下,选择低电阻,低电流的电机步进电机,减少铜损和铁 损。加装风机,强迫散热。

 

扩展阅读:

1. 从步进电机的结构/静态/动态指标角度进行步进电机选型

2. 步进电机驱动器外围电路故障排除方法

3. 常用步进电机技术术语

4. 步进电机驱动器的选型要点

5. 步进电机结构和运转原理

 

 

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