«Гаряча картопля!» – це може бути першим дотиком багатьох інженерів, виробників та студентів до мікрокрокових двигунів під час налагодження проекту. Для мікрокрокових двигунів нагрівання під час роботи є надзвичайно поширеним явищем. Але головне – наскільки висока температура вважається нормальною? А яка висока температура вказує на проблему?

Сильне нагрівання не лише знижує ефективність двигуна, крутний момент і точність, але й прискорює старіння внутрішньої ізоляції з часом, що зрештою призводить до незворотного пошкодження двигуна. Якщо ви маєте проблеми з нагріванням мікрокрокових двигунів на вашому 3D-принтері, верстаті з ЧПК або роботі, то ця стаття для вас. Ми заглибимося в першопричини перегріву та надамо вам 5 негайних рішень для охолодження.

Частина 1: Дослідження першопричини – чому мікрокроковий двигун генерує тепло?

По-перше, необхідно уточнити основну концепцію: нагрівання мікрокрокових двигунів неминуче і його неможливо повністю уникнути. Його нагрівання в основному виникає з двох причин:

1. Втрата заліза (втрата ядра): Статор двигуна виготовлений із складених один з одного листів кремнієвої сталі, а змінне магнітне поле генеруватиме в ньому вихрові струми та гістерезис, що спричиняє виділення тепла. Ця частина втрат пов'язана зі швидкістю обертання двигуна (частотою), і чим вища швидкість, тим зазвичай більші втрати в сталі.

2. Втрати в міді (втрати опору обмотки): Це основне джерело тепла, а також частина, на оптимізації якої ми можемо зосередитися. Це відповідає закону Джоуля: P=I² × R.

P (втрати потужності): Енергія безпосередньо перетворюється на тепло.

I (струм):Струм, що протікає через обмотку двигуна.

R (Опір):Внутрішній опір обмотки двигуна.

Простіше кажучи, кількість виробленого тепла пропорційна квадрату сили струму. Це означає, що навіть невелике збільшення сили струму може призвести до квадратичного сплеску тепла. Майже всі наші рішення зосереджені на тому, як науково керувати цим струмом (I).

Частина 2: П'ять основних винуватців – аналіз конкретних причин, що призводять до сильної лихоманки

Коли температура двигуна занадто висока (наприклад, занадто гаряча на дотик, зазвичай перевищує 70-80 °C), це зазвичай спричинено однією або кількома з наступних причин:

Перша причина полягає в тому, що струм керування встановлено занадто високо.

Це найпоширеніша та основна контрольна точка. Щоб отримати більший вихідний крутний момент, користувачі часто занадто сильно повертають потенціометр регулювання струму на драйверах (таких як A4988, TMC2208, TB6600). Це безпосередньо призводить до того, що струм обмотки (I) значно перевищує номінальне значення двигуна, і відповідно до P=I² × R, нагрівання різко збільшується. Пам'ятайте: збільшення крутного моменту відбувається за рахунок нагрівання.

Другий винуватець: неправильна напруга та режим руху

Занадто висока напруга живлення: Система крокового двигуна використовує «привід постійного струму», але вища напруга живлення означає, що драйвер може «подавати» струм в обмотку двигуна з більшою швидкістю, що корисно для покращення високошвидкісної роботи. Однак на низьких швидкостях або в стані спокою надмірна напруга може призвести до занадто частого падіння струму, збільшуючи втрати на перемиканнях і спричиняючи нагрівання як драйвера, так і двигуна.

Невикористання мікрокрокового виконання або недостатнє поділ:У режимі повного кроку форма хвилі струму є прямокутною, і струм різко змінюється. Значення струму в котушці раптово змінюється між 0 і максимальним значенням, що призводить до великих пульсацій крутного моменту та шуму, а також відносно низького ККД. А мікрокроковий режим згладжує криву зміни струму (приблизно синусоїда), зменшує втрати гармонік та пульсації крутного моменту, працює більш плавно та зазвичай певною мірою зменшує середнє тепловиділення.

Третій винуватець: перевантаження або механічні проблеми

Перевищення номінального навантаження: Якщо двигун працює під навантаженням, близьким до або перевищуючим його утримувальний момент, протягом тривалого часу, то для подолання опору драйвер продовжуватиме подавати високий струм, що призведе до стійкого підвищення температури.

Механічне тертя, перекіс та заклинювання: Неправильне встановлення муфт, погані напрямні рейки та сторонні предмети в ходовому гвинті можуть спричинити додаткові та непотрібні навантаження на двигун, змушуючи його працювати інтенсивніше та виробляти більше тепла.

Четвертий винуватець: неправильний вибір двигуна

Маленький кінь, що тягне великий віз. Якщо сам проект вимагає великого крутного моменту, а ви обрали двигун занадто малого розміру (наприклад, використовуючи NEMA 17 для виконання роботи NEMA 23), то він може працювати лише з перевантаженням протягом тривалого часу, і сильне нагрівання є неминучим результатом.

П'ятий винуватець: погані умови праці та погана тепловіддача

Висока температура навколишнього середовища: Двигун працює в замкнутому просторі або в середовищі з іншими джерелами тепла поблизу (наприклад, 3D-принтерами або лазерними головками), що значно знижує ефективність його розсіювання тепла.

Недостатня природна конвекція: Сам двигун є джерелом тепла. Якщо навколишнє повітря не циркулює, тепло не може своєчасно відводитися, що призводить до накопичення тепла та постійного підвищення температури.

Частина 3: Практичні рішення - 5 ефективних методів охолодження вашого мікрокрокового двигуна

Після визначення причини ми зможемо призначити правильні ліки. Будь ласка, усувайте несправності та оптимізуйте їх у такому порядку:

Рішення 1: Точно встановіть струм керування (найефективніший, перший крок)

Спосіб роботи:Виміряйте опорну напругу струму (Vref) на драйвері за допомогою мультиметра та обчисліть відповідне значення струму за формулою (різні формули для різних драйверів). Встановіть його на рівні 70% - 90% від номінального фазного струму двигуна. Наприклад, двигун з номінальним струмом 1,5 А можна встановити в діапазоні від 1,0 А до 1,3 А.

Чому це ефективно: Це безпосередньо зменшує I у формулі тепловиділення та зменшує втрати тепла у квадратичних разах. Коли крутний момент достатній, це найекономічніший метод охолодження.

Рішення 2: Оптимізуйте напругу керування та ввімкніть мікрокрокове керування

Напруга приводу: Оберіть напругу, яка відповідає вашим вимогам до швидкості. Для більшості настільних програм діапазон 24–36 В забезпечує хороший баланс між продуктивністю та виділенням тепла. Уникайте використання надмірно високої напруги. 

Увімкнути мікрокрокове виконання з високим рівнем поділу: Встановіть драйвер на режим вищого мікрокроку (наприклад, 16- або 32-діодне підрозділення). Це не тільки забезпечує плавніший і тихіший рух, але й зменшує втрати гармонік завдяки плавній формі хвилі струму, що допомагає зменшити теплоутворення під час роботи на середній та низькій швидкості.

Рішення 3: Встановлення радіаторів та примусового повітряного охолодження (фізичне відведення тепла)

Ребра для розсіювання тепла: Для більшості мініатюрних крокових двигунів (особливо NEMA 17) найпростішим та найекономічнішим методом є приклеювання або затискання ребер тепловідведення з алюмінієвого сплаву до корпусу двигуна. Радіатор значно збільшує площу поверхні тепловідведення двигуна, використовуючи природну конвекцію повітря для відведення тепла.

Примусове повітряне охолодження: Якщо ефект радіатора все ще не ідеальний, особливо в закритих приміщеннях, найкращим рішенням є додавання невеликого вентилятора (наприклад, 4010 або 5015) для примусового повітряного охолодження. Потік повітря може швидко відводити тепло, а ефект охолодження надзвичайно значний. Це стандартна практика на 3D-принтерах та верстатах з ЧПК.

Рішення 4: Оптимізація налаштувань диска (розширені методи)

Багато сучасних інтелектуальних приводів пропонують розширені функції керування струмом:

StealthShop II та цикл поширення: Якщо цю функцію ввімкнено, коли двигун певний час не працює, струм руху автоматично зменшиться до 50% або навіть нижче робочого струму. Оскільки двигун більшу частину часу перебуває в стані зупинки, ця функція може значно зменшити статичне нагрівання.

Чому це працює: Інтелектуальне управління струмом, що забезпечує достатню потужність за потреби, зменшує втрати, коли вони не потрібні, та безпосередньо економить енергію та охолодження від джерела.

Рішення 5: Перевірте механічну структуру та виконайте повторний вибір (фундаментальне рішення)

Механічний огляд: Вручну поверніть вал двигуна (у вимкненому стані) та перевірте, чи він плавно обертається. Перевірте всю систему передачі, щоб переконатися у відсутності ділянок, що спричиняють натяг, тертя або заклинювання. Плавна механічна система може значно зменшити навантаження на двигун.

Повторний вибір: Якщо після спроби всіх вищезазначених методів двигун все ще гарячий, а крутного моменту ледве вистачає, то, ймовірно, двигун було обрано занадто малим. Заміна двигуна на двигун з більшими характеристиками (наприклад, оновлення з NEMA 17 до NEMA 23) або з вищим номінальним струмом та дозвіл йому працювати в межах комфортної зони, природним чином, фундаментально вирішить проблему нагрівання.

Виконайте такі дії для дослідження:

Зіткнувшись із сильним нагріванням мікрокрокового двигуна, ви можете систематично вирішити проблему, виконавши наступний процес:

Мотор сильно перегрівається

Крок 1: Перевірте, чи не встановлено занадто високий струм приводу?

Крок 2: Перевірте, чи не занадто велике механічне навантаження або чи не занадто високе тертя?

Крок 3: Встановлення фізичних пристроїв охолодження

Прикріпіть радіатор

Додати примусове повітряне охолодження (невеликий вентилятор)

Температура покращилася?

Крок 4: Розгляньте можливість повторного вибору та заміни на більшу модель двигуна