電機和驅動器的發熱

本節說明使用恆流驅動 IC 時的發熱情況。
當需要更多的電機功率(=扭矩)時,通過施加更大的電流來增加它。然而,熱量的產生會同時增加。
本節說明電機和驅動器 IC 發熱的圖像。

1. 電機發熱

電機熱量是由損耗(銅損、鐵損和機器損耗)產生的。

銅損:P = 由電機線圈的繞組電阻和流過的電流產生的功率損耗 (I2R)。

鐵損:由磁場及其變化引起的損耗。有磁滯損耗和磁體因磁場變化而產生渦流損耗。渦流損耗的產生原理與電磁爐(=微波爐)在烹飪器具中產生熱量的原理相同。在電動機中,通過堆積薄鐵板(層壓鋼板)可以減少渦流損耗。

機器損耗:由於電機中的摩擦或空氣阻力造成的損耗。比例很小。

在這些損耗中,機器損耗的比例很小,當高速旋轉可能需要層壓鋼板的中型到大型電機時,鐵損變得顯著。
對於 NPM 中 PM 型等微型電機,銅損佔熱量的很大一部分。

步進電機的銅耗是由電機線圈的電阻分量R和流過的電流產生的電能損耗。然而,由於步進電機具有 A 相和 B 相兩個線圈,因此兩個線圈的電力損耗會變成熱量。 *1

[PCLOSS = (I2 × R) × 2] [圖 1]

另外,電機所能承受的允許電功率幾乎是由大小決定的,從電機的額定電壓和繞組電阻可以粗略推算出允許電功率。
[PMOTOR ≒ (V2 ÷ R) × 2]

但是,這個允許的電功率如果不輻射熱量會導致電機表面溫度很高,因此必須考慮這個溫度問題。

熱輻射和電流減少對抑制熱量有效,特別是功率與電流的平方成正比,因此將電流減少到 70% 會產生約 1/2 的熱量,而電流減半會產生約 1/2 的熱量。 1/4。

*1
在 2-2 相勵磁中,電流施加到兩個線圈:A 相和 B 相。
在1-2相勵磁中,電流依次流過一個線圈和兩個線圈。
在微步進中,電流流過兩個線圈,但電流的比例發生變化,因此與有效電流的計算更接近。

2.驅動IC發熱

驅動 IC 的大部分熱量是在功率元件中產生的。
FET:當 FET 導通且電流產生的功率損耗 (P = I2R) 時,漏極和源極之間的電阻值。

晶體管(雙極):由集電極-發射極電壓和電流產生的功率損耗 (P=VI)。

二極管:由二極管的正向電壓和正向電流產生的功率損耗 (P=VI)。

此外,開關損耗會導致發熱。 【圖二】


近年來,FET ON 電阻低至 0.1 至 0.4 Ω 左右,大多數驅動 IC 使用 FET 元件。
例如,當施加 IM=1A 的電流時,假設晶體管的集電極-發射極電壓的飽和電壓:VCE = 0.6V 和 FET ON 電阻:RDS = 0.2Ω,

晶體管損耗:1A × 0.6 V = 0.6 W,
FET 損耗:1A2 × 0.2 Ω = 0.2 W

現在,由於功率損耗更低,FET 的使用越來越多。 *2

過去,再生電流是通過與 FET 並聯的二極管再生的,但是,最近越來越多的 IC 越來越多地使用,通過使再生電流通過 FET 以小於功率損耗的損耗(P= VF × I)F 再生時的二極管。 【圖3】

驅動器 IC 由單極驅動器和雙極驅動器組成。在計算雙極驅動器的功率損耗時,您必須通過電流通過的上下 FET 導通電阻的組合電阻來計算 [圖 4]。由於有 A 相和 B 相兩個線圈,兩個電路的功率損耗在兩個驅動 IC 中都變成了熱量。

[PLOSS = (I2 × RDS) × 2]

驅動 IC 的允許發熱量由考慮 IC 規格降額的功率耗散 (W) 決定,並根據工作溫度、環境溫度、散熱條件等計算得出。 最後,您將操作電機在各種條件下並測量溫度以判斷其有效性。 *3

與電機類似,散熱和降低電流可有效減少驅動 IC 中的熱量。電流降到 70% 時發熱約為 1/2,電流減半時發熱約為 1/4。

*2因為功率與電流的平方成正比,所以晶體管可能有利於大電流,例如使用 IGBT。

*3驅動IC有目標電機電流,用大電流驅動IC驅動小電流電機時,可能難以調整該電流。在這種情況下,我們建議事先與 IC 製造商確認。