การวิเคราะห์สาเหตุการเกิดความร้อนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์

เหตุผลข้อที่หนึ่ง

หนึ่งในข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของมอเตอร์สเต็ปเปอร์การควบคุมแบบวงเปิด คือการควบคุมที่แม่นยำที่สุดที่สามารถทำได้ในระบบวงเปิด การควบคุมแบบวงเปิดหมายความว่าไม่จำเป็นต้องใช้ข้อมูลป้อนกลับเกี่ยวกับตำแหน่ง (ของโรเตอร์)

ระบบควบคุมนี้หลีกเลี่ยงการใช้เซ็นเซอร์ราคาแพงและอุปกรณ์ป้อนกลับ เช่น ตัวเข้ารหัสแบบออปติคอล เนื่องจากจำเป็นต้องติดตามเฉพาะพัลส์การก้าวเดินของอินพุตเท่านั้นเพื่อทราบตำแหน่งของ (โรเตอร์) เมื่อเร็ว ๆ นี้ ลูกค้าบางรายได้แสดงความคิดเห็นต่อวิศวกรมอเตอร์ของ Shangshe ว่ามอเตอร์สเต็ปเปอร์ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาความร้อนเช่นกัน ดังนั้นจะแก้ไขปัญหานี้ได้อย่างไร 

1. ลดลงมอเตอร์สเต็ปเปอร์ความร้อน การลดความร้อนคือการลดการสูญเสียทองแดงและการสูญเสียเหล็ก การลดการสูญเสียทองแดงในสองทิศทาง คือการลดหยินไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ซึ่งจำเป็นต้องเลือกความต้านทานต่ำและกระแสไฟฟ้าที่กำหนดให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับมอเตอร์ มอเตอร์สเต็ปเปอร์สองเฟสสามารถใช้แบบอนุกรมได้ ไม่ใช่แบบขนาน แต่สิ่งนี้มักขัดแย้งกับข้อกำหนดของแรงบิดและความเร็วสูง

2. เมื่อเลือกมอเตอร์แล้ว ควรใช้ประโยชน์จากฟังก์ชันควบคุมกระแสไฟครึ่งหนึ่งอัตโนมัติและฟังก์ชันออฟไลน์ของไดรฟ์ให้เต็มที่ โดยฟังก์ชันแรกจะลดกระแสไฟลงโดยอัตโนมัติเมื่อมอเตอร์หยุดทำงาน ส่วนฟังก์ชันหลังจะตัดกระแสไฟออกโดยอัตโนมัติ

3. นอกจากนี้ การขับเคลื่อนมอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบแบ่งย่อย เนื่องจากรูปคลื่นกระแสไฟฟ้าใกล้เคียงกับคลื่นไซน์ มีฮาร์โมนิกน้อยลง จึงทำให้มอเตอร์ร้อนน้อยลง มีหลายวิธีในการลดการสูญเสียเหล็ก ซึ่งระดับแรงดันไฟฟ้าก็เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ การขับเคลื่อนมอเตอร์ด้วยแรงดันไฟฟ้าสูง แม้ว่าจะทำให้ความเร็วสูงขึ้น แต่ก็ทำให้เกิดความร้อนมากขึ้นด้วย 

4. ควรเลือกแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ขับเคลื่อนให้เหมาะสม โดยคำนึงถึงช่วงความถี่สูง ความราบรื่น ความร้อน เสียงรบกวน และตัวชี้วัดอื่นๆ

เหตุผลข้อที่สอง

ความร้อนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ แม้โดยทั่วไปจะไม่ส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานของมอเตอร์ และลูกค้าส่วนใหญ่ไม่จำเป็นต้องใส่ใจ แต่หากเกิดความร้อนสูงเกินไป อาจส่งผลเสียบางประการ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนภายในของแต่ละส่วนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ การเปลี่ยนแปลงของความเครียดทางโครงสร้าง และการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของช่องว่างอากาศภายใน จะส่งผลต่อการตอบสนองแบบไดนามิกของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ทำให้การก้าวเดินช้าลงได้ง่ายเมื่อทำงานที่ความเร็วสูง อีกตัวอย่างหนึ่งคือ ในบางสถานการณ์ ไม่อนุญาตให้มอเตอร์สเต็ปเปอร์เกิดความร้อนสูงเกินไป เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์และอุปกรณ์ทดสอบที่มีความแม่นยำสูง ดังนั้น ความร้อนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์จึงจำเป็นต้องได้รับการควบคุม

1. กระแสไฟฟ้าที่ตัวขับตั้งค่าไว้นั้นมากกว่ากระแสไฟฟ้าพิกัดของมอเตอร์

2. ความเร็วของมอเตอร์เร็วเกินไป

3. มอเตอร์เองมีแรงเฉื่อยและแรงบิดในการกำหนดตำแหน่งสูง ดังนั้นแม้การทำงานที่ความเร็วปานกลางก็อาจทำให้เกิดความร้อนได้ แต่ก็ไม่ส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานของมอเตอร์ จุดลดอำนาจแม่เหล็กของมอเตอร์อยู่ที่ 130-200 ℃ ดังนั้นมอเตอร์ที่อุณหภูมิ 70-90 ℃ จึงเป็นเรื่องปกติ ตราบใดที่ต่ำกว่า 130 ℃ โดยทั่วไปก็ไม่มีปัญหา หากคุณรู้สึกว่ามอเตอร์ร้อนเกินไปจริงๆ ให้ตั้งกระแสขับไว้ที่ประมาณ 70% ของกระแสมอเตอร์ที่กำหนด หรือลดความเร็วของมอเตอร์ลงบ้าง

เหตุผลข้อที่สาม

มอเตอร์สเต็ปเปอร์เป็นองค์ประกอบขับเคลื่อนดิจิทัลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบควบคุมการเคลื่อนที่ ผู้ใช้งานและเพื่อนๆ หลายคนที่ใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์มักรู้สึกว่ามอเตอร์ทำงานแล้วเกิดความร้อนสูง จึงเกิดความสงสัยว่าปรากฏการณ์นี้เป็นเรื่องปกติหรือไม่ ที่จริงแล้ว ความร้อนเป็นปรากฏการณ์ทั่วไปของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ แต่ความร้อนระดับใดจึงถือว่าปกติ และจะลดความร้อนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้อย่างไร?

 

ต่อไปนี้เป็นการจัดประเภทอย่างง่าย ๆ ซึ่งหวังว่าจะเป็นประโยชน์ในการใช้งานจริง:

1. หลักการให้ความร้อนของมอเตอร์

โดยทั่วไปเราจะเห็นมอเตอร์หลายชนิดที่มีแกนภายในและขดลวด ขดลวดมีความต้านทาน เมื่อจ่ายพลังงานจะเกิดการสูญเสีย ขนาดของการสูญเสียและความต้านทานจะแปรผันตรงกับกำลังสองของกระแสไฟฟ้า ซึ่งมักเรียกว่าการสูญเสียทองแดง หากกระแสไฟฟ้าไม่ใช่กระแสตรงมาตรฐานหรือคลื่นไซน์ ก็จะเกิดการสูญเสียฮาร์มอนิกด้วย แกนมีผลกระทบจากกระแสไหลวนฮิสเทอรีซิส ในสนามแม่เหล็กสลับก็จะเกิดการสูญเสียเช่นกัน ขนาดของการสูญเสียขึ้นอยู่กับวัสดุ กระแสไฟฟ้า ความถี่ และแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่าการสูญเสียเหล็ก การสูญเสียทองแดงและการสูญเสียเหล็กจะแสดงออกมาในรูปของความร้อน จึงส่งผลต่อประสิทธิภาพของมอเตอร์ มอเตอร์สเต็ปเปอร์โดยทั่วไปมุ่งเน้นความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งและแรงบิด ประสิทธิภาพจึงค่อนข้างต่ำ กระแสไฟฟ้าโดยทั่วไปค่อนข้างสูง และมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกสูง ความถี่ของการสลับกระแสไฟฟ้าก็แปรผันตามความเร็ว ดังนั้นมอเตอร์สเต็ปเปอร์จึงมักเกิดความร้อน และสถานการณ์จะรุนแรงกว่ามอเตอร์กระแสสลับทั่วไป

ความร้อนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ 2 ตัวอยู่ในช่วงที่เหมาะสม

ระดับความร้อนที่มอเตอร์สามารถเกิดขึ้นได้นั้นขึ้นอยู่กับระดับฉนวนภายในของมอเตอร์เป็นอย่างมาก ฉนวนภายในจะเสียหายก็ต่อเมื่อมีอุณหภูมิสูง (สูงกว่า 130 องศาเซลเซียส) ดังนั้น ตราบใดที่อุณหภูมิภายในไม่เกิน 130 องศาเซลเซียส มอเตอร์จะไม่เสียหาย และอุณหภูมิพื้นผิวจะต่ำกว่า 90 องศาเซลเซียส ณ จุดนั้น ดังนั้น อุณหภูมิพื้นผิวของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ 70-80 องศาเซลเซียสจึงถือว่าปกติ วิธีการวัดอุณหภูมิแบบง่ายๆ ที่ใช้ได้ผลดีคือ ใช้เทอร์โมมิเตอร์แบบหยด สามารถวัดได้คร่าวๆ ดังนี้: ถ้าเอามือแตะค้างไว้ 1-2 วินาที ไม่เกิน 60 องศาเซลเซียส; ถ้าแค่แตะเบาๆ ประมาณ 70-80 องศาเซลเซียส; ถ้าหยดน้ำลงไปแล้วระเหยอย่างรวดเร็ว เกิน 90 องศาเซลเซียส

ระบบทำความร้อนมอเตอร์สเต็ปเปอร์ 3 ตัว พร้อมการเปลี่ยนความเร็ว

เมื่อใช้เทคโนโลยีการขับเคลื่อนกระแสคงที่ มอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ความเร็วต่ำและหยุดนิ่ง กระแสไฟฟ้าจะคงที่เพื่อรักษาแรงบิดให้คงที่ เมื่อความเร็วสูงถึงระดับหนึ่ง ศักย์ไฟฟ้าภายในของมอเตอร์จะสูงขึ้น กระแสไฟฟ้าจะค่อยๆ ลดลง และแรงบิดก็จะลดลงด้วย ดังนั้น สภาวะความร้อนที่เกิดจากการสูญเสียทองแดงจึงขึ้นอยู่กับความเร็ว โดยทั่วไปแล้ว ความเร็วต่ำและหยุดนิ่งจะเกิดความร้อนสูง ในขณะที่ความเร็วสูงจะเกิดความร้อนต่ำ แต่การสูญเสียเหล็ก (แม้จะมีสัดส่วนน้อยกว่า) การเปลี่ยนแปลงจะไม่เหมือนกัน และความร้อนทั้งหมดของมอเตอร์เป็นผลรวมของทั้งสอง ดังนั้นข้างต้นจึงเป็นเพียงสถานการณ์ทั่วไปเท่านั้น

4 ความร้อนที่เกิดจากการกระแทก

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วความร้อนของมอเตอร์จะไม่ส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานของมอเตอร์ และลูกค้าส่วนใหญ่ไม่จำเป็นต้องใส่ใจ แต่หากเกิดความร้อนสูงเกินไป อาจส่งผลเสียบางประการ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันของชิ้นส่วนภายในมอเตอร์ จะทำให้ความเค้นในโครงสร้างเปลี่ยนแปลงไป และการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในช่องว่างอากาศภายในจะส่งผลต่อการตอบสนองของมอเตอร์ ทำให้การเร่งความเร็วสูงอาจควบคุมได้ยาก อีกตัวอย่างหนึ่งคือ ในบางสถานการณ์ไม่อนุญาตให้มอเตอร์ร้อนเกินไป เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์และอุปกรณ์ทดสอบที่มีความแม่นยำสูง ดังนั้นจึงควรควบคุมการเกิดความร้อนของมอเตอร์ตามความจำเป็น

 5. วิธีลดความร้อนของมอเตอร์

การลดการเกิดความร้อน คือการลดการสูญเสียทองแดงและการสูญเสียเหล็ก การลดการสูญเสียทองแดงทำได้สองทาง คือลดทั้งความต้านทานและกระแสไฟฟ้า ซึ่งต้องเลือกมอเตอร์ที่มีความต้านทานต่ำและกระแสไฟฟ้าพิกัดต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ มอเตอร์สองเฟสสามารถใช้มอเตอร์แบบอนุกรมได้โดยไม่ต้องต่อขนาน แต่สิ่งนี้มักขัดแย้งกับข้อกำหนดของแรงบิดและความเร็วสูง สำหรับมอเตอร์ที่เลือก ควรใช้ฟังก์ชันควบคุมกระแสครึ่งหนึ่งอัตโนมัติและฟังก์ชันออฟไลน์ของไดรฟ์ให้เต็มที่ ฟังก์ชันแรกจะลดกระแสโดยอัตโนมัติเมื่อมอเตอร์หยุดทำงาน และฟังก์ชันหลังจะตัดกระแสออก นอกจากนี้ การใช้ไดรฟ์แบบแบ่งย่อย เนื่องจากรูปคลื่นกระแสใกล้เคียงกับคลื่นไซน์ มีฮาร์โมนิกน้อยลง ความร้อนของมอเตอร์ก็จะน้อยลงด้วย มีหลายวิธีในการลดการสูญเสียเหล็ก และระดับแรงดันไฟฟ้าก็เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ แม้ว่ามอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงจะทำให้คุณลักษณะความเร็วสูงเพิ่มขึ้น แต่ก็ทำให้การเกิดความร้อนเพิ่มขึ้นด้วย ดังนั้นจึงควรเลือกแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม โดยคำนึงถึงความเร็วสูง ความราบรื่น ความร้อน เสียงรบกวน และตัวชี้วัดอื่นๆ

มอเตอร์สเต็ปเปอร์ทุกชนิด ภายในประกอบด้วยแกนเหล็กและขดลวด ขดลวดมีความต้านทาน เมื่อได้รับพลังงานจะเกิดการสูญเสีย ขนาดของการสูญเสียเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความต้านทานและกระแสไฟฟ้า ซึ่งมักเรียกว่าการสูญเสียจากแกนเหล็ก หากกระแสไฟฟ้าไม่ใช่กระแสตรงมาตรฐานหรือคลื่นไซน์ ก็จะเกิดการสูญเสียจากฮาร์มอนิกด้วย แกนเหล็กมีผลกระทบจากกระแสไหลวนแบบฮิสเทอรีซิส ในสนามแม่เหล็กสลับก็จะเกิดการสูญเสียเช่นกัน ขนาดของการสูญเสียขึ้นอยู่กับวัสดุ กระแสไฟฟ้า ความถี่ และแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่าการสูญเสียจากแกนเหล็ก การสูญเสียจากแกนเหล็กและการสูญเสียจากแกนเหล็กจะปรากฏในรูปของความร้อน จึงส่งผลต่อประสิทธิภาพของมอเตอร์ มอเตอร์สเต็ปเปอร์โดยทั่วไปมุ่งเน้นความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งและแรงบิด ประสิทธิภาพจึงค่อนข้างต่ำ กระแสไฟฟ้าโดยทั่วไปค่อนข้างสูง และมีส่วนประกอบฮาร์มอนิกสูง ความถี่ของการสลับกระแสไฟฟ้าก็แปรผันตามความเร็ว ดังนั้นมอเตอร์สเต็ปเปอร์จึงมักเกิดความร้อน และสถานการณ์จะรุนแรงกว่ามอเตอร์กระแสสลับทั่วไป