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步进电机散热的三种方式

通过减少空闲电流和运行电流来降低电动机的热量-或切换至闭环控制。

步进电机由于其简单的设置和开环配置的精确定位,因此被广泛用作运动控制设备。但是会产生与发热相关的问题。这是因为为开环步进电机供电的驱动器不使用反馈来控制提供给该电机的电流量。取而代之的是,驱动器始终提供全电流…而不考虑电动机上的扭矩需求。因此,电机消耗的功率过高……。浪费能量并产生可避免的热量。

在某些应用中,操作员使用尽可能多的电流来运行开环步进电机,以产生最大的转矩。这样可以确保电机在应用中达到其位置。但是随着电流的增加,电动机温度也会增加。如果电动机温度升高得太高,绕组会短路并且电动机会停止运行。因此,设计工程师(和电动机最终用户)必须找到方法,在避免电动机过热的同时最大化电动机扭矩。

一种工业方法是将驱动器设置为赋予电动机其额定电流。这样做会使电动机变热,但不会太热。步进电机温度达到70°,80°甚至90°C是正常的。尽管这些温度使其太热而无法接触电机,但电机本身并未受到损害。

但是,设计工程师(以及电动机最终用户)还能如何减少电动机的热量?在这里,我们将探索另外三种方式:

  1. 减少空闲(保持)电流

  2. 降低运行电流

  3. 切换到闭环控制

首先-降低电动机的空闲(保持)电流

当电动机加速和减速以达到其标记时,许多运动控制应用都需要最大的扭矩。但是,当电动机空转或保持位置时,它需要的扭矩要少得多。这些情况是减少电动机电流的好时机。

大多数现代步进驱动器会自动执行此操作。例如,驱动器可能会将闲置电流降低到运行电流的50%。更复杂的步进驱动器使设计工程师可以将空闲电流编程为0到100%之间的任何值。如果步进电机甚至花费很少的时间静止不动,则减少空转电流会对电机热量产生重大影响。

第二–降低运行电流

选择步进电机时,许多设计工程师会谨慎行事-通常为当前应用选择具有足够扭矩(而不是仅仅足够扭矩)的电机。在这些情况下,可以通过一些反复试验来降低电动机的运行电流。基本上,这需要少量降低运行电流并监视运动输出。如果试运行成功,请再次降低运行电流并重新测试电动机性能。

继续进行调整,直到电机错位或失速。然后稍微增加电流,以便电动机恢复精确定位。在某些情况下,特别是当步进电机的尺寸过大时,工程师可以将运行电流降低到足以显着降低电机温度的程度。

第三-切换至闭环步进电机系统

当用闭环步进电动机系统代替开环步进电动机系统时,会最大程度地减少热量的产生。配备高分辨率编码器并由合适的闭环驱动器供电时,步进电机可在伺服控制环内操作。这种相对较新的系统配置需要工程师更换应用程序的电动机和驱动器。但是降低温度的幅度通常是值得的。

回顾一下,闭环步进电动机系统使用反馈回路来精确控制步进电动机的电流,速度和位置。电流回路可确保驱动器提供给电机的电流仅为满足转矩需求所需的量。当电动机不产生转矩(或产生的转矩小于最大转矩)时,电动机的电流将相应地自动下降。这种闭环控制方案可显着提高电动机温度,在某些应用中可将其降低多达50%或更高。

闭环步进器的其他好处是更快的加速和更高的吞吐量(比额定保持转矩高出多达50%的转矩)以及更安静的运行(甚至更安静10 dB),因为电机绕组中的电流更少。加上没有失速,系统精度更高。


闭环步进电机集成了高分辨率编码器,并由集成的闭环驱动器驱动,当负载不需要扭矩时,该驱动器会自动减小流向电动机的电流。


测试结果证实,闭环步进电机仅在需要时才消耗电流,因此它们比开环选项运行时更凉,功耗更低。考虑同时运行开环和闭环变化以获得相同运动曲线的实际测试:

  • 加速= 100转/秒2和减速= 100转/秒2

  • 距离= 5转和速度= 10转/秒

  • 停留时间= 0.1秒

两者均具有设定的负载惯量和转子惯量,并通过48 Vdc电源供电。下图中的结果表明,提供此类输出的开环步进系统的平均功耗为43.8W。

相反,可比较的闭环步进系统仅消耗14.2 W的功率即可交付相同的程序。降低的功耗可减少热量产生并降低电费。


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Applied Motion Products进行的测试结果证实,闭环步进系统消耗的电流比同类开环步进系统消耗的电流少,并且保持较低的温度。

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