电机和驱动器的发热

本节说明使用恒流驱动 IC 时的发热情况。
当需要更多的电机功率(=扭矩)时,通过施加更大的电流来增加它。然而,热量的产生会同时增加。
本节说明电机和驱动器 IC 发热的图像。

1. 电机发热

电机热量是由损耗(铜损、铁损和机器损耗)产生的。

铜损:P = 由电机线圈的绕组电阻和流过的电流产生的功率损耗 (I2R)。

铁损:由磁场及其变化引起的损耗。有磁滞损耗和磁体因磁场变化而产生涡流损耗。涡流损耗的产生原理与电磁炉(=微波炉)在烹饪器具中产生热量的原理相同。在电动机中,通过堆积薄铁板(层压钢板)可以减少涡流损耗。

机器损耗:由于电机中的摩擦或空气阻力造成的损耗。比例很小。

在这些损耗中,机器损耗的比例很小,当高速旋转可能需要层压钢板的中型到大型电机时,铁损变得显着。
对于 NPM 中 PM 型等微型电机,铜损占热量的很大一部分。

步进电机的铜耗是由电机线圈的电阻分量R和流过的电流产生的电能损耗。然而,由于步进电机具有 A 相和 B 相两个线圈,因此两个线圈的电力损耗会变成热量。 *1

[PCLOSS = (I2 × R) × 2] [图 1]

另外,电机所能承受的允许电功率几乎是由大小决定的,从电机的额定电压和绕组电阻可以粗略推算出允许电功率。
[PMOTOR ≒ (V2 ÷ R) × 2]

但是,这个允许的电功率如果不辐射热量会导致电机表面温度很高,因此必须考虑这个温度问题。

热辐射和电流减少对抑制热量有效,特别是功率与电流的平方成正比,因此将电流减少到 70% 会产生约 1/2 的热量,而电流减半会产生约 1/2 的热量。 1/4。

*1
在 2-2 相励磁中,电流施加到两个线圈:A 相和 B 相。
在1-2相励磁中,电流依次流过一个线圈和两个线圈。
在微步进中,电流流过两个线圈,但电流的比例发生变化,因此与有效电流的计算更接近。

2.驱动IC发热

驱动 IC 的大部分热量是在功率元件中产生的。
FET:当 FET 导通且电流产生的功率损耗 (P = I2R) 时,漏极和源极之间的电阻值。

晶体管(双极):由集电极-发射极电压和电流产生的功率损耗 (P=VI)。

二极管:由二极管的正向电压和正向电流产生的功率损耗 (P=VI)。

此外,开关损耗会导致发热。 【图2】


近年来,FET ON 电阻低至 0.1 至 0.4 Ω 左右,大多数驱动 IC 使用 FET 元件。
例如,当施加IM=1A的电流时,假设晶体管的集电极-发射极电压饱和电压:VCE = 0.6V,FET导通电阻:RDS = 0.2Ω,

晶体管损耗:1A × 0.6 V = 0.6 W,
FET 损耗:1A2 × 0.2 Ω = 0.2 W

现在,由于功率损耗更低,FET 的使用越来越多。 *2

过去,再生电流是通过与 FET 并联的二极管再生的,但是,最近越来越多的 IC 越来越多地使用,通过使再生电流通过 FET 以小于功率损耗的损耗(P= VF × I)F 再生时的二极管。 【图3】

驱动器 IC 由单极驱动器和双极驱动器组成。在计算双极驱动器的功率损耗时,您必须通过电流通过的上下 FET 导通电阻的组合电阻来计算 [图 4]。由于有 A 相和 B 相两个线圈,两个电路的功率损耗在两个驱动 IC 中都变成了热量。

[PLOSS = (I2 × RDS) × 2]

驱动 IC 的允许发热量由考虑 IC 规格降额的功率耗散 (W) 决定,并根据工作温度、环境温度、散热条件等计算得出。最后,您将操作电机在各种条件下并测量温度以判断其有效性。 *3

与电机类似,散热和降低电流可有效减少驱动 IC 中的热量。电流降到 70% 时发热约为 1/2,电流减半时发热约为 1/4。

*2因为功率与电流的平方成正比,所以晶体管可能有利于大电流,例如使用 IGBT。

*3驱动IC有目标电机电流,用大电流驱动IC驱动小电流电机时,可能难以调整该电流。在这种情况下,我们建议事先与 IC 制造商确认。