„Karšta bulvė!“ – Tai gali būti pirmas prisilietimas prie mikrožingsninių variklių, kurį daugelis inžinierių, gamintojų ir studentų susiduria derindami projektus. Mikrožingsniniai varikliai eksploatacijos metu įkaista labai dažnai. Tačiau svarbiausia yra tai, kokia temperatūra yra normali? Ir kokia temperatūra rodo problemą?

Dėl stipraus perkaitimo ne tik sumažėja variklio efektyvumas, sukimo momentas ir tikslumas, bet ir ilgainiui pagreitėja vidinės izoliacijos senėjimas, o tai galiausiai sukelia negrįžtamą variklio pažeidimą. Jei jus vargina 3D spausdintuvo, CNC staklių ar robotų mikrožingsninių variklių perkaitimas, šis straipsnis skirtas jums. Išsiaiškinsime pagrindines karščiavimo priežastis ir pateiksime 5 neatidėliotinus aušinimo sprendimus.

1 dalis: Pagrindinės priežasties tyrimas – kodėl mikrožingsninis variklis generuoja šilumą?

Pirmiausia reikia išsiaiškinti pagrindinę koncepciją: mikrožingsninių variklių įkaitimas yra neišvengiamas ir jo negalima visiškai išvengti. Įkaitimas daugiausia kyla dėl dviejų priežasčių:

1. Geležies nuostoliai (šerdies nuostoliai): Variklio statorius pagamintas iš sukrautų silicio plieno lakštų, o kintamasis magnetinis laukas jame generuoja sūkurines sroves ir histerezę, dėl ko išsiskiria šiluma. Ši nuostolių dalis yra susijusi su variklio greičiu (dažniu), ir kuo didesnis greitis, tuo didesni paprastai yra geležies nuostoliai.

2. Vario nuostoliai (apvijų varžos nuostoliai): Tai yra pagrindinis šilumos šaltinis ir dalis, į kurios optimizavimą galime sutelkti dėmesį. Tai atitinka Džaulio dėsnį: P=I² × R.

P (galios nuostoliai): Energija tiesiogiai paverčiama šiluma.

Aš (dabartinis):Srovė, tekanti per variklio apviją.

R (pasipriešinimas):Variklio apvijos vidinė varža.

Paprastai tariant, susidariusios šilumos kiekis yra proporcingas srovės kvadratui. Tai reiškia, kad net nedidelis srovės padidėjimas gali sukelti kvadratinį šilumos šuolį. Beveik visi mūsų sprendimai sukasi apie tai, kaip moksliškai valdyti šią srovę (I).

2 dalis: Penki pagrindiniai kaltininkai – konkrečių priežasčių, sukeliančių stiprų karščiavimą, analizė

Kai variklio temperatūra yra per aukšta (pvz., per karšta liesti, paprastai viršija 70–80 °C), tai paprastai sukelia viena ar kelios iš šių priežasčių:

Pirmasis kaltininkas yra per didelė pavaros srovė

Tai yra labiausiai paplitęs ir pagrindinis patikros punktas. Siekdami didesnio išėjimo sukimo momento, vartotojai dažnai per daug pasuka srovės reguliavimo potenciometrą ant valdiklių (pvz., A4988, TMC2208, TB6600). Dėl to apvijos srovė (I) gerokai viršijo vardinę variklio vertę, o pagal P=I² × R staigiai padidėjo šiluma. Atminkite: sukimo momento padidėjimas atsiranda šilumos sąskaita.

Antras kaltininkas: netinkama įtampa ir važiavimo režimas

Maitinimo įtampa per aukšta: Žingsninio variklio sistema naudoja „nuolatinės srovės pavarą“, tačiau didesnė maitinimo įtampa reiškia, kad valdiklis gali „įstumti“ srovę į variklio apviją didesniu greičiu, o tai naudinga siekiant pagerinti didelio greičio našumą. Tačiau esant mažam greičiui arba ramybės būsenoje, per didelė įtampa gali sukelti per dažnus srovės nutrūkimus, padidinant jungiklio nuostolius ir sukeldamas tiek valdiklio, tiek variklio įkaitimą.

Nenaudojami mikrožingsniai arba nepakankamas padalijimas:Pilno žingsnio režimu srovės bangos forma yra stačiakampė, o srovė smarkiai pasikeičia. Srovės vertė ritėje staiga pasikeičia tarp 0 ir maksimalios vertės, todėl atsiranda didelis sukimo momento pulsavimas ir triukšmas, o efektyvumas yra santykinai mažas. Mikrožingsnis išlygina srovės kitimo kreivę (maždaug sinusinė banga), sumažina harmoninius nuostolius ir sukimo momento pulsavimą, veikia sklandžiau ir paprastai tam tikru mastu sumažina vidutinį šilumos išsiskyrimą.

Trečias kaltininkas: perkrova arba mechaninės problemos

Viršijus vardinę apkrovą: Jei variklis ilgą laiką veikia esant apkrovai, artimai palaikomajam sukimo momentui arba jį viršijančiai, norėdamas įveikti varžą, valdiklis ir toliau tieks didelę srovę, todėl temperatūra bus nuolat aukšta.

Mechaninė trintis, nesutapimas ir užstrigimas: Netinkamas movų montavimas, prastos kokybės kreipiančiosios ir pašaliniai objektai švino varžte gali sukelti papildomas ir nereikalingas variklio apkrovas, versdami jį dirbti sunkiau ir generuoti daugiau šilumos.

Ketvirtas kaltininkas: netinkamas variklio pasirinkimas

Mažas arklys traukia didelį vežimą. Jei pačiam projektui reikalingas didelis sukimo momentas, o jūs pasirinksite per mažą variklį (pvz., NEMA 17 darbui atlikti NEMA 23), jis ilgą laiką gali veikti tik esant perkrovai, o stiprus perkaitimas yra neišvengiamas rezultatas.

Penktas kaltininkas: prasta darbo aplinka ir prastos šilumos išsklaidymo sąlygos

Aukšta aplinkos temperatūra: Variklis veikia uždaroje erdvėje arba aplinkoje, kurioje netoliese yra kitų šilumos šaltinių (pvz., 3D spausdintuvo stovai ar lazerinės galvutės), todėl jo šilumos išsklaidymo efektyvumas labai sumažėja.

Nepakankama natūrali konvekcija: Pats variklis yra šilumos šaltinis. Jei aplinkinis oras necirkuliuoja, šiluma negali laiku pasišalinti, todėl kaupiasi šiluma ir nuolat kyla temperatūra.

3 dalis: Praktiniai sprendimai – 5 efektyvūs mikrožingsninio variklio aušinimo metodai

Nustačius priežastį, galime paskirti tinkamą vaistą. Prašome pašalinti triktis ir optimizuoti tokia tvarka:

1 sprendimas: tiksliai nustatykite pavaros srovę (efektyviausia, pirmas žingsnis)

Veikimo būdas:Multimetru išmatuokite valdiklio srovės etaloninę įtampą (Vref) ir pagal formulę (skirtingoms valdikliams taikomos skirtingos formulės) apskaičiuokite atitinkamą srovės vertę. Nustatykite ją ties 70–90 % variklio vardinės fazės srovės. Pavyzdžiui, variklio, kurio vardinė srovė yra 1,5 A, galima nustatyti tarp 1,0 A ir 1,3 A.

Kodėl tai veiksminga: Tai tiesiogiai sumažina I šilumos generavimo formulėje ir sumažina šilumos nuostolius kvadratiniais kiekiais. Kai sukimo momentas yra pakankamas, tai yra ekonomiškiausias aušinimo būdas.

2 sprendimas: optimizuokite pavaros įtampą ir įjunkite mikrožingsninį valdymą

Pavaros įtampa: Pasirinkite įtampą, atitinkančią jūsų greičio reikalavimus. Daugumai darbalaukio programų 24–36 V diapazonas užtikrina gerą našumo ir šilumos generavimo pusiausvyrą. Venkite naudoti pernelyg aukštą įtampą. 

Įgalinti didelio padalijimo mikrožingsnį: Nustatykite garsiakalbį į didesnį mikrožingsnelių režimą (pvz., 16 arba 32 padalijimą). Tai ne tik užtikrina sklandesnį ir tylesnį judėjimą, bet ir sumažina harmoninius nuostolius dėl sklandžios srovės bangos formos, o tai padeda sumažinti šilumos susidarymą veikiant vidutiniu ir mažu greičiu.

3 sprendimas: Šilumos kriauklių ir priverstinio oro aušinimo įrengimas (fizinis šilumos išsklaidymas)

Šilumos išsklaidymo briaunos: Daugumai miniatiūrinių žingsninių variklių (ypač NEMA 17) tiesiausias ir ekonomiškiausias būdas yra priklijuoti arba užspausti aliuminio lydinio šilumos išsklaidymo briaunas prie variklio korpuso. Šilumos kriauklė labai padidina variklio šilumos išsklaidymo paviršiaus plotą, panaudodama natūralią oro konvekciją šilumai pašalinti.

Priverstinis oro aušinimas: Jei šilumos kriauklės efektas vis dar nėra idealus, ypač uždarose patalpose, geriausias sprendimas yra nedidelio ventiliatoriaus (pvz., 4010 arba 5015) pridėjimas priverstiniam oro aušinimui. Oro srautas gali greitai pašalinti šilumą, o aušinimo efektas yra itin reikšmingas. Tai yra standartinė 3D spausdintuvų ir CNC staklių praktika.

4 sprendimas: optimizuokite disko nustatymus (pažangūs metodai)

Daugelis šiuolaikinių išmaniųjų pavarų siūlo pažangias srovės valdymo funkcijas:

„StealthShop II“ ir „SpreadCycle“: Įjungus šią funkciją, varikliui tam tikrą laiką nejudant, pavaros srovė automatiškai sumažėja iki 50 % ar net mažiau darbinės srovės. Kadangi variklis didžiąją laiko dalį yra sustabdymo būsenoje, ši funkcija gali žymiai sumažinti statinį įkaitimą.

Kodėl tai veikia: Išmanus srovės valdymas, užtikrinantis pakankamą galią, kai jos reikia, sumažinantis atliekas, kai jų nereikia, ir tiesiogiai taupantis energiją bei aušinimą iš šaltinio.

5 sprendimas: patikrinkite mechaninę konstrukciją ir pasirinkite iš naujo (esminis sprendimas)

Mechaninė apžiūra: Rankiniu būdu pasukite variklio veleną (išjungus maitinimą) ir patikrinkite, ar jis sklandžiai sukasi. Patikrinkite visą transmisijos sistemą, kad įsitikintumėte, jog nėra įtemptų, trinties ar užstrigimo vietų. Sklandi mechaninė sistema gali gerokai sumažinti variklio apkrovą.

Pakartotinis pasirinkimas: Jei išbandžius visus aukščiau išvardintus metodus, variklis vis dar įkaista, o sukimo momento vos pakanka, tikėtina, kad pasirinktas per mažas variklis. Pakeitus variklį didesnės specifikacijos varikliu (pvz., atnaujinus jį iš NEMA 17 į NEMA 23) arba didesnės vardinės srovės varikliu ir leidus jam veikti komforto zonoje, įkaitimo problema natūraliai iš esmės išspręsta.

Atlikite tyrimą atlikdami šiuos veiksmus:

Susidūrę su stipriai įkaistančiu mikrožingsniniu varikliu, problemą galite sistemingai išspręsti atlikdami šį procesą:

Variklis smarkiai perkaito

1 veiksmas: patikrinkite, ar pavaros srovė nustatyta per didelė?

2 veiksmas: patikrinkite, ar mechaninė apkrova nėra per didelė arba trintis per didelė?

3 veiksmas: fizinių aušinimo įrenginių įrengimas

Pritvirtinkite šilumos kriauklę

Pridėkite priverstinį oro aušinimą (mažą ventiliatorių)

Ar temperatūra pagerėjo?

4 veiksmas: apsvarstykite galimybę pasirinkti iš naujo ir pakeisti variklio modeliu, kuris būtų galingesnis.