„Горещ картоф!“ - Това може би е първото нещо, което много инженери, производители и студенти имат относно микростъпковите двигатели по време на дебъгване на проекти. Изключително често срещано явление е микростъпковите двигатели да генерират топлина по време на работа. Но ключовото е колко висока е нормалната температура? И колко висока температура показва проблем?

Силното нагряване не само намалява ефективността, въртящия момент и точността на двигателя, но и ускорява стареенето на вътрешната изолация в дългосрочен план, което в крайна сметка води до трайни повреди на двигателя. Ако се борите с топлината на микро стъпкови двигатели на вашия 3D принтер, CNC машина или робот, тогава тази статия е за вас. Ще се задълбочим в основните причини за треската и ще ви предоставим 5 решения за незабавно охлаждане.

Част 1: Проучване на първопричината – защо микростъпковият двигател генерира топлина?

Първо, необходимо е да се изясни една основна концепция: нагряването на микростъпковите двигатели е неизбежно и не може да бъде напълно избегнато. Нагряването му идва главно от два аспекта:

1. Загуба на желязо (загуба на ядро): Статорът на двигателя е изработен от подредени силициеви стоманени листове, а променливото магнитно поле генерира вихрови токове и хистерезис в него, причинявайки генериране на топлина. Тази част от загубите е свързана със скоростта (честотата) на двигателя и колкото по-висока е скоростта, толкова по-големи са загубите в желязото.

2. Загуба на мед (загуба на съпротивление на намотката): Това е основният източник на топлина, а също и част, върху чието оптимизиране можем да се съсредоточим. Следва закона на Джаул: P=I² × R.

P (загуба на мощност): Енергията, директно преобразувана в топлина.

I (ток):Токът, протичащ през намотката на двигателя.

R (Съпротивление):Вътрешното съпротивление на намотката на двигателя.

Казано по-просто, количеството генерирана топлина е пропорционално на квадрата на тока. Това означава, че дори малко увеличение на тока може да доведе до квадратно увеличение на топлината. Почти всички наши решения се въртят около това как научно да се управлява този ток (I).

Част 2: Пет основни виновници – Анализ на специфични причини, водещи до силна треска

Когато температурата на двигателя е твърде висока (например, твърде гореща на допир, обикновено надвишаваща 70-80°C), това обикновено се дължи на една или повече от следните причини:

Първият виновник е, че задвижващият ток е настроен твърде високо

Това е най-често срещаният и основен контролен пункт. За да получат по-голям изходен въртящ момент, потребителите често завъртат твърде много потенциометъра за регулиране на тока на драйвери (като A4988, TMC2208, TB6600). Това директно води до тока на намотката (I), значително надвишаващ номиналната стойност на двигателя, и съгласно P=I² × R, топлината се увеличава рязко. Запомнете: увеличаването на въртящия момент е за сметка на топлина.

Втори виновник: Неправилно напрежение и режим на шофиране

Захранващото напрежение е твърде високо: Системата със стъпков двигател използва „задвижване с постоянен ток“, но по-високото захранващо напрежение означава, че драйверът може да „натиска“ тока в намотката на двигателя с по-висока скорост, което е от полза за подобряване на производителността при висока скорост. При ниски скорости или в покой обаче, прекомерното напрежение може да доведе до твърде често прекъсване на тока, увеличавайки загубите в превключвателя и причинявайки нагряване както на драйвера, така и на двигателя.

Неизползване на микростъпки или недостатъчно подразделяне:В режим на пълна стъпка, формата на вълната на тока е правоъгълна и токът се променя драстично. Стойността на тока в бобината се променя внезапно между 0 и максималната стойност, което води до големи пулсации и шум на въртящия момент, както и до относително ниска ефективност. Микростъпките изглаждат кривата на промяна на тока (приблизително синусоида), намаляват хармоничните загуби и пулсациите на въртящия момент, работят по-плавно и обикновено намаляват средното генериране на топлина до известна степен.

Трети виновник: Претоварване или механични проблеми

Превишаване на номиналното натоварване: Ако двигателят работи под товар, близък до или надвишаващ задържащия си въртящ момент за дълго време, за да преодолее съпротивлението, драйверът ще продължи да осигурява висок ток, което ще доведе до устойчива висока температура.

Механично триене, несъосност и заклинване: Неправилният монтаж на съединителите, лошите направляващи релси и чуждите предмети във водещия винт могат да причинят допълнителни и ненужни натоварвания на двигателя, принуждавайки го да работи по-усилено и да генерира повече топлина.

Четвърти виновник: Неправилен избор на двигател

Малък кон, теглещ голяма каруца. Ако самият проект изисква голям въртящ момент и изберете двигател с твърде малък размер (например, използващ NEMA 17 за изпълнение на работа по NEMA 23), тогава той може да работи само под претоварване за дълго време и силното нагряване е неизбежен резултат.

Пети виновник: Лоша работна среда и лоши условия за разсейване на топлината

Висока околна температура: Двигателят работи в затворено пространство или в среда с други източници на топлина наблизо (като например 3D принтери или лазерни глави), което значително намалява ефективността му на разсейване на топлината.

Недостатъчна естествена конвекция: Самият двигател е източник на топлина. Ако околният въздух не циркулира, топлината не може да се отвежда своевременно, което води до натрупване на топлина и непрекъснато повишаване на температурата.

Част 3: Практически решения - 5 ефективни метода за охлаждане на вашия микро стъпков двигател

След като установим причината, можем да предпишем правилното лекарство. Моля, отстранете неизправностите и оптимизирайте в следния ред:

Решение 1: Точно задайте тока на задвижване (най-ефективно, първа стъпка)

Метод на работа:Използвайте мултицет, за да измерите текущото референтно напрежение (Vref) на драйвера и изчислете съответната стойност на тока по формулата (различни формули за различните драйвери). Задайте го на 70% -90% от номиналния фазов ток на двигателя. Например, двигател с номинален ток 1.5A може да бъде зададен между 1.0A и 1.3A.

Защо е ефективно: Това директно намалява I във формулата за генериране на топлина и намалява топлинните загуби с квадратни пъти. Когато въртящият момент е достатъчен, това е най-рентабилният метод за охлаждане.

Решение 2: Оптимизирайте задвижващото напрежение и активирайте микростъпково управление

Задвижващо напрежение: Изберете напрежение, което отговаря на вашите изисквания за скорост. За повечето настолни приложения, диапазонът от 24V до 36V е добър баланс между производителност и генериране на топлина. Избягвайте използването на прекомерно високо напрежение. 

Активиране на микростъпки с високо подразделяне: Настройте драйвера на по-висок микро-стъпков режим (като например 16 или 32 подразделения). Това не само осигурява по-плавно и по-тихо движение, но и намалява хармоничните загуби поради гладката форма на вълната на тока, което помага за намаляване на генерирането на топлина по време на работа със средна и ниска скорост.

Решение 3: Инсталиране на радиатори и принудително въздушно охлаждане (физическо разсейване на топлината)

Ребра за разсейване на топлината: За повечето миниатюрни стъпкови двигатели (особено NEMA 17), залепването или затягането на ребра за разсейване на топлината от алуминиева сплав върху корпуса на двигателя е най-директният и икономичен метод. Радиаторът значително увеличава площта на разсейване на топлината от двигателя, използвайки естествена конвекция на въздуха за отвеждане на топлината.

Принудително въздушно охлаждане: Ако ефектът на охлаждане все още не е идеален, особено в затворени пространства, добавянето на малък вентилатор (като например 4010 или 5015) за принудително въздушно охлаждане е най-доброто решение. Въздушният поток може бързо да отнесе топлината и охлаждащият ефект е изключително значителен. Това е стандартната практика при 3D принтери и CNC машини.

Решение 4: Оптимизиране на настройките на устройството (разширени техники)

Много съвременни интелигентни задвижвания предлагат усъвършенствана функционалност за управление на тока:

StealthShop II и цикъл на разпространение: С активирана тази функция, когато двигателят е неподвижен за определен период от време, задвижващият ток автоматично ще намалее до 50% или дори по-малко от работния ток. Тъй като двигателят е в състояние на задържане през по-голямата част от времето, тази функция може значително да намали статичното нагряване.

Защо работи: Интелигентно управление на тока, осигуряващо достатъчна мощност, когато е необходима, намаляващо разхищението, когато не е необходимо, и директно пестене на енергия и охлаждане от източника.

Решение 5: Проверете механичната структура и изберете отново (фундаментално решение)

Механична проверка: Завъртете ръчно вала на двигателя (в изключено състояние) и проверете дали е плавен. Проверете цялата трансмисионна система, за да се уверите, че няма зони на стегнатост, триене или заклинване. Една плавна механична система може значително да намали натоварването на двигателя.

Повторен избор: Ако след като сте изпробвали всички горепосочени методи, двигателят все още е горещ и въртящият момент е едва достатъчен, тогава е вероятно двигателят да е бил избран с твърде малък размер. Подмяната на двигателя с такъв с по-големи спецификации (като например надграждане от NEMA 17 до NEMA 23) или с по-висок номинален ток и позволяването му да работи в рамките на комфортната си зона, естествено ще реши фундаментално проблема с нагряването.

Следвайте процеса за разследване:

Ако микро стъпков двигател се нагрява силно, можете систематично да решите проблема, като следвате следния процес:

Моторът силно прегрява

Стъпка 1: Проверете дали токът на задвижването е зададен твърде високо?

Стъпка 2: Проверете дали механичното натоварване е твърде голямо или триенето е високо?

Стъпка 3: Инсталирайте устройства за физическо охлаждане

Прикрепете радиатор

Добавете принудително въздушно охлаждане (малък вентилатор)

Температурата подобри ли се?

Стъпка 4: Помислете за повторен избор и замяна с по-голям модел двигател