引言

步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，工程師常碰到一個(gè)問題——電機(jī)溫度太高。手摸上去發(fā)燙，嚴(yán)重時(shí)根本不敢碰。這篇文章聊聊步進(jìn)電機(jī)為什么發(fā)熱、溫度高了有什么后果，以及怎么解決。

一、步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱的原因分析

所謂"電機(jī)發(fā)燙"，說白了就是運(yùn)行溫度明顯超出正常范圍。要講清楚這個(gè)事，得從熱平衡說起。

1.1 熱平衡：溫度到底由什么決定

電機(jī)一通電，繞組發(fā)熱，鐵芯交變磁化也發(fā)熱，軸承摩擦同樣發(fā)熱。同時(shí)，它也在散熱——通過外殼跟空氣換熱，靠的是熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種方式，綜合效果用傳熱系數(shù)h表示，公式如下：

其中h是傳熱系數(shù)，A是散熱面積，ΔT是電機(jī)與環(huán)境溫差（T電機(jī)-T環(huán)境）

圖1 產(chǎn)/散熱功率與溫度的關(guān)系

可以看出，電機(jī)產(chǎn)熱不隨溫度改變，而散熱功率取決于溫差。運(yùn)行初期，電機(jī)溫度與常溫一致，因此散熱功率幾乎為零，因此熱量積累，電機(jī)溫度上升；隨著電機(jī)溫度上升，散熱功率逐步上升，最終與產(chǎn)熱功率相等，從而溫度也達(dá)到最大值不再變化（圖1所示）。

1.2 產(chǎn)熱端

步進(jìn)電機(jī)的熱源有三種：

（1）銅損——大頭

銅損說白了就是線圈電阻產(chǎn)生的焦耳熱。公式很簡單：

I 是相電流有效值，R 是繞組電阻。銅損占了總發(fā)熱的 70% 到 85%，是最大的熱源。一般我們42步進(jìn)電機(jī)的額定電流為1-2A，線圈電阻為2歐左右，因此額定工況下發(fā)熱功率一般不超過10W。

（2）鐵損——磁滯加渦流

鐵損來自定子和轉(zhuǎn)子硅鋼片里的磁滯和渦流損耗。跟轉(zhuǎn)速有關(guān)——轉(zhuǎn)得快、頻率高，鐵損就大。對于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率，鐵損很小。

（3）機(jī)械損耗——軸承摩擦和風(fēng)阻

這部分包括軸承摩擦和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來的風(fēng)阻，占發(fā)熱總量不到 5%，轉(zhuǎn)速越高越明顯，對于步進(jìn)電機(jī)而言機(jī)械損耗同樣非常小。

那么從產(chǎn)熱端來看，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重的最主要原因就是超額定電流運(yùn)行。根據(jù)公式（2），發(fā)熱跟電流平方成正比。電流超了額定值，發(fā)熱量是平方倍地往上翻。舉個(gè)數(shù)字：電流漲 20%，銅損漲 44%；漲 50%，銅損直接翻了一倍多——125%。

步進(jìn)電機(jī)用的是恒流驅(qū)動。驅(qū)動器通過斬波恒流實(shí)時(shí)監(jiān)測繞組電流，讓電流始終穩(wěn)在設(shè)定值附近。問題是，如果驅(qū)動器電流設(shè)超了——比如額定 2A 的電機(jī)接了設(shè)定成 3A 的驅(qū)動器——繞組里就一直過 3A 的電流，銅損變成原來的 2.25 倍，溫度嘩嘩往上躥，電機(jī)很快發(fā)燙甚至燒掉。

實(shí)踐中容易踩的坑：

● 驅(qū)動器撥碼或軟件參數(shù)設(shè)錯(cuò)，電流給大了

● 電機(jī)和驅(qū)動器型號不匹配

● 電機(jī)選小了，為了夠力矩硬往上調(diào)電流

1.3 散熱端

（1）環(huán)境溫度高

根據(jù)公式P = h · A · (T電機(jī) ? T環(huán)境) ，環(huán)境溫度升高后，要達(dá)到相同的散熱功率，溫差 ΔT 得保持住，那 電機(jī)溫度只能跟著漲。

舉個(gè)例子：電機(jī)在 25°C 常溫下平衡溫度 80°C（溫差 55°C）。把它放進(jìn) 45°C 的環(huán)境里，要保持同樣的散熱能力，溫差還得是 55°C，平衡溫度就變成 100°C 了。這就是同一臺電機(jī)夏天比冬天燙的原因。

（2）散熱條件差

電機(jī)散熱主要靠兩條路：熱傳導(dǎo)（通過安裝面?zhèn)鞯綑C(jī)架）和對流（外殼跟空氣換熱）。下面幾種情況會嚴(yán)重拖累散熱：

a) 被不導(dǎo)熱的材料包著

根據(jù)熱傳導(dǎo)公式（傅里葉定律）：

其中k是導(dǎo)熱系數(shù)，A是接觸面積，d是傳熱材料厚度，ΔT 是溫差。如果電機(jī)外面包了塑料殼或者保溫棉這類東西，導(dǎo)熱系數(shù)k 可能低到金屬的幾百分之一，熱量根本傳不出去。常見場景：電機(jī)裝在密閉塑料殼里、外面纏了一堆線纜膠帶。

b) 密閉不通風(fēng)

除了熱傳導(dǎo)，對流傳熱也是非常重要，對流傳熱是指流體跟物體發(fā)生接觸，從而傳遞熱量，根據(jù)牛頓傳熱公式：

這里的h是對流傳熱系數(shù)，ΔT 是物體和流體間的溫差。對流傳熱系數(shù) h 跟空氣流動關(guān)系很大。自然對流（沒風(fēng)）時(shí) h 大概 5~25，強(qiáng)制對流（有風(fēng)扇吹）可以到 50~250，差了一個(gè)數(shù)量級，這就是為什么冬天刮風(fēng)會讓人覺得更冷的原因。電機(jī)封在密閉腔體里，空氣不動，只有自然對流，h 值很小，散熱效率極低，熱量在里面越積越多，就會導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。其實(shí)在很多大功率的電機(jī)上都會自帶散熱風(fēng)扇，以加強(qiáng)對流傳熱系數(shù)。

1.4 常見誤區(qū)——堵轉(zhuǎn)或重載會讓步進(jìn)電機(jī)更熱

用過直流電機(jī)和交流異步電機(jī)的人都知道——負(fù)載一大電流就跟著漲，堵轉(zhuǎn)更是電流猛增、繞組瞬間過熱。但是這個(gè)經(jīng)驗(yàn)放到步進(jìn)電機(jī)上就套錯(cuò)了。

步進(jìn)電機(jī)是恒流控制，不管空載高速轉(zhuǎn)還是卡住不動，電流始終是設(shè)定值，因而銅損發(fā)熱功率P = I2R是一模一樣的。

事實(shí)上，步進(jìn)電機(jī)在通電但不輸入脈沖時(shí)可以提供“保持力矩”，這中堵轉(zhuǎn)的工況也是步進(jìn)電機(jī)的一種正常工況，并不會導(dǎo)致電機(jī)超溫。

二、電機(jī)高溫運(yùn)行的危害

2.1 繞組絕緣撐不住

絕緣材料怕高溫。有一個(gè)大致規(guī)律——溫度每高 10°C，絕緣壽命折一半（常說的"10°C 法則"）。溫度超過絕緣等級極限值，絕緣層可能直接破裂，匝間短路或?qū)Φ負(fù)舸姍C(jī)就廢了。

絕緣等級和對應(yīng)的最高允許溫度：

● A 級：105°C

● E 級：120°C

● B 級：130°C

● F 級：155°C

● H 級：180°C

關(guān)于絕緣等級的內(nèi)容小編曾在之前的文章中詳細(xì)解釋過。我們的步進(jìn)電機(jī)一般絕緣等級是B級，也就是說最高允許溫度是130℃。

2.2 磁鋼退磁

永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的磁鋼怕高溫。釹鐵硼（NdFeB）磁鋼最高工作溫度一般不高于150°C，過了居里溫度（約 310~380°C）就直接失磁。一旦退磁，力矩就會永久性下降。

2.3 軸承潤滑失效

高溫會讓潤滑脂揮發(fā)、碳化，失去潤滑作用。軸承干磨，噪音上來，嚴(yán)重時(shí)卡死。對于長期連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備，而軸承往往是整機(jī)壽命的短板。

2.4 精度跑偏

溫度高了，零件會熱脹。定子和轉(zhuǎn)子膨脹系數(shù)不同，氣隙就可能歪了，磁場不對稱，步距角誤差變大，定位精度下降。如果電機(jī)跟精密機(jī)械結(jié)構(gòu)直接連著，熱膨脹還會順著傳過去，整個(gè)機(jī)構(gòu)精度一起漂移。

三、怎么解決發(fā)熱問題

3.1 從產(chǎn)熱端下手——少發(fā)熱

（1）正確設(shè)置驅(qū)動電流

這是最根本的一點(diǎn)。選跟電機(jī)匹配的驅(qū)動器，電流撥碼或軟件設(shè)準(zhǔn)確。如果力矩有余量，電流可以適當(dāng)調(diào)低一點(diǎn)——比如設(shè)到額定值的 80%~90%，發(fā)熱量能降 36%~19%，力矩?fù)p失通常能接受。

（2）細(xì)分?jǐn)?shù)調(diào)一調(diào)

提高細(xì)分?jǐn)?shù)可以降低相電流波動和有效值，銅損能小一點(diǎn)。細(xì)分?jǐn)?shù)高了，低速平穩(wěn)性也更好，振得沒那么厲害。不過細(xì)分?jǐn)?shù)太高會拉低最高轉(zhuǎn)速，得平衡。

（3）用好自動半流功能

好一點(diǎn)的驅(qū)動器都有自動半流——電機(jī)停下來或者保持位置的時(shí)候，自動把電流降到 50%~70%。堵轉(zhuǎn)發(fā)熱能大幅下降。便宜驅(qū)動器經(jīng)常沒這個(gè)功能，買的時(shí)候留意一下。

3.2 從散熱端下手——加強(qiáng)散熱

（1）加散熱片

把電機(jī)裝在專門的金屬安裝板上與金屬機(jī)架連接，由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣，而與電機(jī)相連的金屬支架以及設(shè)備金屬部件就充當(dāng)了電機(jī)的散熱翅片，大大增加了散熱面積，從而提高散熱功率。

（2）強(qiáng)制風(fēng)冷

如果沒有安裝金屬安裝板的條件，那么可以加個(gè)散熱風(fēng)扇風(fēng)扇對著電機(jī)吹。強(qiáng)制對流的傳熱系數(shù)是自然對流的 5~10 倍，效果立竿見影。外殼直接吹風(fēng)，溫度能降 20°C 到 40°C。

（3）控制環(huán)境溫度

如果設(shè)備整體溫度高，該加風(fēng)扇加風(fēng)扇，該上空調(diào)上空調(diào)。

3.3 從選型入手——換個(gè)合適的電機(jī)

力矩和速度夠用就行，優(yōu)先挑額定電流小的型號。發(fā)熱問題突出的，換機(jī)身更長、力矩更大的電機(jī)，工作電流占額定比例就降下來了。

結(jié)語

說到底，步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱就是熱平衡的問題。產(chǎn)熱比散熱多，溫度就漲；漲到熱平衡穩(wěn)住了。解決問題的思路就兩條——要么少發(fā)熱，要么多散熱。實(shí)踐中往往是組合拳：電流設(shè)準(zhǔn)、散熱做好、選個(gè)好點(diǎn)的驅(qū)動器。弄清楚了熱平衡的原理，電機(jī)發(fā)熱這事就好解決了。