Как цифровой привод, шаговый двигатель широко используется в системах управления движением. Когда многие пользователи и друзья используют шаговые двигатели, они замечают, что при работе двигателя выделяется много тепла, и у них возникают сомнения. Не знаю, является ли это явление нормальным. На самом деле, выделение тепла — обычное явление для шаговых двигателей, но какое именно тепло считается нормальным, и как минимизировать его выделение?

Прежде всего, необходимо понять, почему шаговые двигатели выделяют тепло. У различных шаговых двигателей внутренняя часть состоит из железных сердечников и обмоточных катушек. Обмотка обладает сопротивлением, которое при подаче напряжения приводит к потере энергии. Величина этой потери пропорциональна квадрату сопротивления и тока — это то, что мы обычно называем медной потерей. Если ток не является стандартным постоянным или синусоидальным, возникает также гармоническая потеря; кроме того, в сердечнике проявляется эффект гистерезиса и вихревых токов, что также вызывает потери в переменном магнитном поле. Их величина зависит от материала, силы тока, частоты и напряжения — такая потеря называется железными потерями. Как медные, так и железные потери проявляются в виде выделения тепла, что влияет на эффективность двигателя. Шаговые двигатели, как правило, ориентированы на точность позиционирования и выходной крутящий момент. При этом их КПД относительно низкий, а потребляемый ток обычно довольно большой, причём высока гармоническая составляющая. Кроме того, частота переменного тока меняется в зависимости от скорости. Поэтому шаговые двигатели, как правило, нагреваются, причём ситуация бывает более серьёзной, чем у обычных двигателей переменного тока. Кроме того, степень контроля нагрева шагового двигателя в пределах разумного диапазона и возможность допустимого нагрева двигателя зависят в основном от уровня внутренней изоляции двигателя. Внутренние изоляционные свойства разрушаются только при высоких температурах (выше 130 градусов). Следовательно, пока внутренняя температура не превышает 130 градусов, двигатель не повреждается, а температура его поверхности в этот момент остаётся ниже 90 градусов. Поэтому температура поверхности шагового двигателя в норме составляет 70–80 градусов.

Простые методы измерения температуры полезны для точечных термометров, и их также можно приблизительно оценить: если вы можете держать руку на предмете более 1–2 секунд, его температура не превышает 60 градусов; если касаться можно только легким прикосновением — примерно 70–80 градусов; если несколько капель воды быстро испаряются, значит, температура превышает 90 градусов; конечно, можно также использовать термометрический пистолет для детекции. В-третьих, когда тепловыделение шагового двигателя изменяется в зависимости от скорости, при использовании технологии постоянного тока привода ток в шаговом двигателе остается относительно постоянным как на статических, так и на низких скоростях, обеспечивая постоянный крутящий момент. Однако при достижении определенной высокой скорости внутренний противодействующий потенциал двигателя возрастает, что приводит к постепенному уменьшению тока и, соответственно, снижению крутящего момента. Таким образом, нагрев, вызванный медными потерями, зависит от скорости. Как правило, при статических и низких скоростях тепловыделение высоко, а при высоких — низко. Однако изменение железных потерь (хотя они составляют небольшую долю) происходит не так, и общее тепловыделение двигателя является суммой этих двух компонентов, поэтому вышеописанное — лишь общая картина. В-четвертых, хотя в большинстве случаев тепловыделение двигателя не влияет на срок его службы, большинству клиентов нет необходимости обращать на это внимание. Тем не менее, сильный нагрев может иметь некоторые негативные последствия. Например, различное температурное расширение различных частей двигателя приводит к изменению структурных напряжений и небольшим изменениям внутреннего воздушного зазора, что, в свою очередь, влияет на динамический отклик двигателя и может легко привести к срыву шага на высокой скорости. Другой пример — в некоторых случаях чрезмерный нагрев двигателя недопустим, например, в медицинском оборудовании или высокоточном испытательном оборудовании. Поэтому нагрев двигателя следует контролировать по мере необходимости. Наконец, чтобы снизить тепловыделение двигателя, необходимо уменьшить как медные, так и железные потери. Существуют два основных направления снижения медных потерь: уменьшение сопротивления и уменьшение тока. Это требует, чтобы при выборе моделей максимально предпочтительными были двигатели с низким сопротивлением и малым номинальным током. Для двухфазных двигателей двигатели, которые можно использовать последовательно, не нуждаются в параллельных. Однако это часто противоречит требованиям по крутящему моменту и высокой скорости. Что касается выбранного двигателя, следует полностью использовать функцию автоматического управления половинным током драйвера, а также функцию офлайн-режима. Первая автоматически снижает ток, когда двигатель находится в состоянии покоя, а вторая просто отключает подачу тока. Кроме того, поскольку форма тока у драйвера с делением шага близка к синусоидальной, в нем меньше гармоник, и двигатель будет выделять меньше тепла. Способов снижения железных потерь не так много. На них влияет уровень напряжения. Хотя двигатели с высоким напряжением питания обеспечивают улучшение характеристик на высоких скоростях, они также приводят к увеличению тепловыделения. Поэтому следует выбирать оптимальный уровень напряжения питания, учитывая такие параметры, как высокая скорость, стабильность, тепловыделение, шум и другие показатели.