步进电机发热问题分析

引言

步进电机的实际应用中，工程师常碰到一个问题——电机温度太高。手摸上去发烫，严重时根本不敢碰。这篇文章聊聊步进电机为什么发热、温度高了有什么后果，以及怎么解决。

一、步进电机发热的原因分析

所谓"电机发烫"，说白了就是运行温度明显超出正常范围。要讲清楚这个事，得从热平衡说起。

1.1 热平衡：温度到底由什么决定

电机一通电，绕组发热，铁芯交变磁化也发热，轴承摩擦同样发热。同时，它也在散热——通过外壳跟空气换热，靠的是热传导、对流和热辐射三种方式，综合效果用传热系数h表示，公式如下：

其中h是传热系数，A是散热面积，ΔT是电机与环境温差（T电机-T环境）

图1 产/散热功率与温度的关系

可以看出，电机产热不随温度改变，而散热功率取决于温差。运行初期，电机温度与常温一致，因此散热功率几乎为零，因此热量积累，电机温度上升；随着电机温度上升，散热功率逐步上升，最终与产热功率相等，从而温度也达到最大值不再变化（图1所示）。

1.2 产热端

步进电机的热源有三种：

（1）铜损——大头

铜损说白了就是线圈电阻产生的焦耳热。公式很简单：

I 是相电流有效值，R 是绕组电阻。铜损占了总发热的 70% 到 85%，是最大的热源。一般我们42步进电机的额定电流为1-2A，线圈电阻为2欧左右，因此额定工况下发热功率一般不超过10W。

（2）铁损——磁滞加涡流

铁损来自定子和转子硅钢片里的磁滞和涡流损耗。跟转速有关——转得快、频率高，铁损就大。对于步进电机的运行频率，铁损很小。

（3）机械损耗——轴承摩擦和风阻

这部分包括轴承摩擦和转子转起来的风阻，占发热总量不到 5%，转速越高越明显，对于步进电机而言机械损耗同样非常小。

那么从产热端来看，电机发热严重的最主要原因就是超额定电流运行。根据公式（2），发热跟电流平方成正比。电流超了额定值，发热量是平方倍地往上翻。举个数字：电流涨 20%，铜损涨 44%；涨 50%，铜损直接翻了一倍多——125%。

步进电机用的是恒流驱动。驱动器通过斩波恒流实时监测绕组电流，让电流始终稳在设定值附近。问题是，如果驱动器电流设超了——比如额定 2A 的电机接了设定成 3A 的驱动器——绕组里就一直过 3A 的电流，铜损变成原来的 2.25 倍，温度哗哗往上蹿，电机很快发烫甚至烧掉。

实践中容易踩的坑：

● 驱动器拨码或软件参数设错，电流给大了

● 电机和驱动器型号不匹配

● 电机选小了，为了够力矩硬往上调电流

1.3 散热端

（1）环境温度高

根据公式P = h · A · (T电机 − T环境) ，环境温度升高后，要达到相同的散热功率，温差 ΔT 得保持住，那 电机温度只能跟着涨。

举个例子：电机在 25°C 常温下平衡温度 80°C（温差 55°C）。把它放进 45°C 的环境里，要保持同样的散热能力，温差还得是 55°C，平衡温度就变成 100°C 了。这就是同一台电机夏天比冬天烫的原因。

（2）散热条件差

电机散热主要靠两条路：热传导（通过安装面传到机架）和对流（外壳跟空气换热）。下面几种情况会严重拖累散热：

a) 被不导热的材料包着

根据热传导公式（傅里叶定律）：

其中k是导热系数，A是接触面积，d是传热材料厚度，ΔT 是温差。如果电机外面包了塑料壳或者保温棉这类东西，导热系数k 可能低到金属的几百分之一，热量根本传不出去。常见场景：电机装在密闭塑料壳里、外面缠了一堆线缆胶带。

b) 密闭不通风

除了热传导，对流传热也是非常重要，对流传热是指流体跟物体发生接触，从而传递热量，根据牛顿传热公式：

这里的h是对流传热系数，ΔT 是物体和流体间的温差。对流传热系数 h 跟空气流动关系很大。自然对流（没风）时 h 大概 5~25，强制对流（有风扇吹）可以到 50~250，差了一个数量级，这就是为什么冬天刮风会让人觉得更冷的原因。电机封在密闭腔体里，空气不动，只有自然对流，h 值很小，散热效率极低，热量在里面越积越多，就会导致电机发热严重。其实在很多大功率的电机上都会自带散热风扇，以加强对流传热系数。

1.4 常见误区——堵转或重载会让步进电机更热

用过直流电机和交流异步电机的人都知道——负载一大电流就跟着涨，堵转更是电流猛增、绕组瞬间过热。但是这个经验放到步进电机上就套错了。

步进电机是恒流控制，不管空载高速转还是卡住不动，电流始终是设定值，因而铜损发热功率P = I²R是一模一样的。

事实上，步进电机在通电但不输入脉冲时可以提供“保持力矩”，这中堵转的工况也是步进电机的一种正常工况，并不会导致电机超温。

二、电机高温运行的危害

2.1 绕组绝缘撑不住

绝缘材料怕高温。有一个大致规律——温度每高 10°C，绝缘寿命折一半（常说的"10°C 法则"）。温度超过绝缘等级极限值，绝缘层可能直接破裂，匝间短路或对地击穿，电机就废了。

绝缘等级和对应的最高允许温度：

● A 级：105°C

● E 级：120°C

● B 级：130°C

● F 级：155°C

● H 级：180°C

关于绝缘等级的内容小编曾在之前的文章中详细解释过。我们的步进电机一般绝缘等级是B级，也就是说最高允许温度是130℃。

2.2 磁钢退磁

永磁式步进电机转子上的磁钢怕高温。钕铁硼（NdFeB）磁钢最高工作温度一般不高于150°C，过了居里温度（约 310~380°C）就直接失磁。一旦退磁，力矩就会永久性下降。

2.3 轴承润滑失效

高温会让润滑脂挥发、碳化，失去润滑作用。轴承干磨，噪音上来，严重时卡死。对于长期连续运行的设备，而轴承往往是整机寿命的短板。

2.4 精度跑偏

温度高了，零件会热胀。定子和转子膨胀系数不同，气隙就可能歪了，磁场不对称，步距角误差变大，定位精度下降。如果电机跟精密机械结构直接连着，热膨胀还会顺着传过去，整个机构精度一起漂移。

三、怎么解决发热问题

3.1 从产热端下手——少发热

（1）正确设置驱动电流

这是最根本的一点。选跟电机匹配的驱动器，电流拨码或软件设准确。如果力矩有余量，电流可以适当调低一点——比如设到额定值的 80%~90%，发热量能降 36%~19%，力矩损失通常能接受。

（2）细分数调一调

提高细分数可以降低相电流波动和有效值，铜损能小一点。细分数高了，低速平稳性也更好，振得没那么厉害。不过细分数太高会拉低最高转速，得平衡。

（3）用好自动半流功能

好一点的驱动器都有自动半流——电机停下来或者保持位置的时候，自动把电流降到 50%~70%。堵转发热能大幅下降。便宜驱动器经常没这个功能，买的时候留意一下。

3.2 从散热端下手——加强散热

（1）加散热片

把电机装在专门的金属安装板上与金属机架连接，由于金属的导热系数远高于空气，而与电机相连的金属支架以及设备金属部件就充当了电机的散热翅片，大大增加了散热面积，从而提高散热功率。

（2）强制风冷

如果没有安装金属安装板的条件，那么可以加个散热风扇风扇对着电机吹。强制对流的传热系数是自然对流的 5~10 倍，效果立竿见影。外壳直接吹风，温度能降 20°C 到 40°C。

（3）控制环境温度

如果设备整体温度高，该加风扇加风扇，该上空调上空调。

3.3 从选型入手——换个合适的电机

力矩和速度够用就行，优先挑额定电流小的型号。发热问题突出的，换机身更长、力矩更大的电机，工作电流占额定比例就降下来了。

结语

说到底，步进电机发热就是热平衡的问题。产热比散热多，温度就涨；涨到热平衡稳住了。解决问题的思路就两条——要么少发热，要么多散热。实践中往往是组合拳：电流设准、散热做好、选个好点的驱动器。弄清楚了热平衡的原理，电机发热这事就好解决了。