引言

步進電機的實際應用中，工程師常碰到一個問題——電機溫度太高。手摸上去發燙，嚴重時根本不敢碰。這篇文章聊聊步進電機為什么發熱、溫度高了有什么后果，以及怎么解決。

一、步進電機發熱的原因分析

所謂"電機發燙"，說白了就是運行溫度明顯超出正常范圍。要講清楚這個事，得從熱平衡說起。

1.1 熱平衡：溫度到底由什么決定

電機一通電，繞組發熱，鐵芯交變磁化也發熱，軸承摩擦同樣發熱。同時，它也在散熱——通過外殼跟空氣換熱，靠的是熱傳導、對流和熱輻射三種方式，綜合效果用傳熱系數h表示，公式如下：

其中h是傳熱系數，A是散熱面積，ΔT是電機與環境溫差（T電機-T環境）

圖1 產/散熱功率與溫度的關系

可以看出，電機產熱不隨溫度改變，而散熱功率取決于溫差。運行初期，電機溫度與常溫一致，因此散熱功率幾乎為零，因此熱量積累，電機溫度上升；隨著電機溫度上升，散熱功率逐步上升，最終與產熱功率相等，從而溫度也達到最大值不再變化（圖1所示）。

1.2 產熱端

步進電機的熱源有三種：

（1）銅損——大頭

銅損說白了就是線圈電阻產生的焦耳熱。公式很簡單：

I 是相電流有效值，R 是繞組電阻。銅損占了總發熱的 70% 到 85%，是最大的熱源。一般我們42步進電機的額定電流為1-2A，線圈電阻為2歐左右，因此額定工況下發熱功率一般不超過10W。

（2）鐵損——磁滯加渦流

鐵損來自定子和轉子硅鋼片里的磁滯和渦流損耗。跟轉速有關——轉得快、頻率高，鐵損就大。對于步進電機的運行頻率，鐵損很小。

（3）機械損耗——軸承摩擦和風阻

這部分包括軸承摩擦和轉子轉起來的風阻，占發熱總量不到 5%，轉速越高越明顯，對于步進電機而言機械損耗同樣非常小。

那么從產熱端來看，電機發熱嚴重的最主要原因就是超額定電流運行。根據公式（2），發熱跟電流平方成正比。電流超了額定值，發熱量是平方倍地往上翻。舉個數字：電流漲 20%，銅損漲 44%；漲 50%，銅損直接翻了一倍多——125%。

步進電機用的是恒流驅動。驅動器通過斬波恒流實時監測繞組電流，讓電流始終穩在設定值附近。問題是，如果驅動器電流設超了——比如額定 2A 的電機接了設定成 3A 的驅動器——繞組里就一直過 3A 的電流，銅損變成原來的 2.25 倍，溫度嘩嘩往上躥，電機很快發燙甚至燒掉。

實踐中容易踩的坑：

● 驅動器撥碼或軟件參數設錯，電流給大了

● 電機和驅動器型號不匹配

● 電機選小了，為了夠力矩硬往上調電流

1.3 散熱端

（1）環境溫度高

根據公式P = h · A · (T電機 ? T環境) ，環境溫度升高后，要達到相同的散熱功率，溫差 ΔT 得保持住，那 電機溫度只能跟著漲。

舉個例子：電機在 25°C 常溫下平衡溫度 80°C（溫差 55°C）。把它放進 45°C 的環境里，要保持同樣的散熱能力，溫差還得是 55°C，平衡溫度就變成 100°C 了。這就是同一臺電機夏天比冬天燙的原因。

（2）散熱條件差

電機散熱主要靠兩條路：熱傳導（通過安裝面傳到機架）和對流（外殼跟空氣換熱）。下面幾種情況會嚴重拖累散熱：

a) 被不導熱的材料包著

根據熱傳導公式（傅里葉定律）：

其中k是導熱系數，A是接觸面積，d是傳熱材料厚度，ΔT 是溫差。如果電機外面包了塑料殼或者保溫棉這類東西，導熱系數k 可能低到金屬的幾百分之一，熱量根本傳不出去。常見場景：電機裝在密閉塑料殼里、外面纏了一堆線纜膠帶。

b) 密閉不通風

除了熱傳導，對流傳熱也是非常重要，對流傳熱是指流體跟物體發生接觸，從而傳遞熱量，根據牛頓傳熱公式：

這里的h是對流傳熱系數，ΔT 是物體和流體間的溫差。對流傳熱系數 h 跟空氣流動關系很大。自然對流（沒風）時 h 大概 5~25，強制對流（有風扇吹）可以到 50~250，差了一個數量級，這就是為什么冬天刮風會讓人覺得更冷的原因。電機封在密閉腔體里，空氣不動，只有自然對流，h 值很小，散熱效率極低，熱量在里面越積越多，就會導致電機發熱嚴重。其實在很多大功率的電機上都會自帶散熱風扇，以加強對流傳熱系數。

1.4 常見誤區——堵轉或重載會讓步進電機更熱

用過直流電機和交流異步電機的人都知道——負載一大電流就跟著漲，堵轉更是電流猛增、繞組瞬間過熱。但是這個經驗放到步進電機上就套錯了。

步進電機是恒流控制，不管空載高速轉還是卡住不動，電流始終是設定值，因而銅損發熱功率P = I2R是一模一樣的。

事實上，步進電機在通電但不輸入脈沖時可以提供“保持力矩”，這中堵轉的工況也是步進電機的一種正常工況，并不會導致電機超溫。

二、電機高溫運行的危害

2.1 繞組絕緣撐不住

絕緣材料怕高溫。有一個大致規律——溫度每高 10°C，絕緣壽命折一半（常說的"10°C 法則"）。溫度超過絕緣等級極限值，絕緣層可能直接破裂，匝間短路或對地擊穿，電機就廢了。

絕緣等級和對應的最高允許溫度：

● A 級：105°C

● E 級：120°C

● B 級：130°C

● F 級：155°C

● H 級：180°C

關于絕緣等級的內容小編曾在之前的文章中詳細解釋過。我們的步進電機一般絕緣等級是B級，也就是說最高允許溫度是130℃。

2.2 磁鋼退磁

永磁式步進電機轉子上的磁鋼怕高溫。釹鐵硼（NdFeB）磁鋼最高工作溫度一般不高于150°C，過了居里溫度（約 310~380°C）就直接失磁。一旦退磁，力矩就會永久性下降。

2.3 軸承潤滑失效

高溫會讓潤滑脂揮發、碳化，失去潤滑作用。軸承干磨，噪音上來，嚴重時卡死。對于長期連續運行的設備，而軸承往往是整機壽命的短板。

2.4 精度跑偏

溫度高了，零件會熱脹。定子和轉子膨脹系數不同，氣隙就可能歪了，磁場不對稱，步距角誤差變大，定位精度下降。如果電機跟精密機械結構直接連著，熱膨脹還會順著傳過去，整個機構精度一起漂移。

三、怎么解決發熱問題

3.1 從產熱端下手——少發熱

（1）正確設置驅動電流

這是最根本的一點。選跟電機匹配的驅動器，電流撥碼或軟件設準確。如果力矩有余量，電流可以適當調低一點——比如設到額定值的 80%~90%，發熱量能降 36%~19%，力矩損失通常能接受。

（2）細分數調一調

提高細分數可以降低相電流波動和有效值，銅損能小一點。細分數高了，低速平穩性也更好，振得沒那么厲害。不過細分數太高會拉低最高轉速，得平衡。

（3）用好自動半流功能

好一點的驅動器都有自動半流——電機停下來或者保持位置的時候，自動把電流降到 50%~70%。堵轉發熱能大幅下降。便宜驅動器經常沒這個功能，買的時候留意一下。

3.2 從散熱端下手——加強散熱

（1）加散熱片

把電機裝在專門的金屬安裝板上與金屬機架連接，由于金屬的導熱系數遠高于空氣，而與電機相連的金屬支架以及設備金屬部件就充當了電機的散熱翅片，大大增加了散熱面積，從而提高散熱功率。

（2）強制風冷

如果沒有安裝金屬安裝板的條件，那么可以加個散熱風扇風扇對著電機吹。強制對流的傳熱系數是自然對流的 5~10 倍，效果立竿見影。外殼直接吹風，溫度能降 20°C 到 40°C。

（3）控制環境溫度

如果設備整體溫度高，該加風扇加風扇，該上空調上空調。

3.3 從選型入手——換個合適的電機

力矩和速度夠用就行，優先挑額定電流小的型號。發熱問題突出的，換機身更長、力矩更大的電機，工作電流占額定比例就降下來了。

結語

說到底，步進電機發熱就是熱平衡的問題。產熱比散熱多，溫度就漲；漲到熱平衡穩住了。解決問題的思路就兩條——要么少發熱，要么多散熱。實踐中往往是組合拳：電流設準、散熱做好、選個好點的驅動器。弄清楚了熱平衡的原理，電機發熱這事就好解決了。