تحليل أسباب ارتفاع درجة حرارة المحرك المتدرج

السبب الأول.

إحدى أهم مزايامحركات الخطوةالتحكم الدقيق هو التحكم الذي يمكن تحقيقه في نظام الحلقة المفتوحة. ويعني التحكم في الحلقة المفتوحة عدم الحاجة إلى معلومات تغذية راجعة حول موضع (الدوار).

يُغني هذا النظام عن استخدام أجهزة الاستشعار وأجهزة التغذية الراجعة باهظة الثمن، مثل أجهزة التشفير الضوئية، إذ يكفي تتبع نبضات الخطوة المدخلة فقط لمعرفة موضع الدوار. وقد أشار بعض العملاء مؤخرًا لمهندسي شركة شانغشي للمحركات إلى أن محركات الخطوة عُرضة أيضًا لمشاكل الحرارة، فكيف يُمكن حل هذه المشكلة؟ 

1- تقليلمحرك متدرجيهدف تقليل الحرارة إلى تقليل فقد النحاس والحديد. ويؤدي تقليل فقد النحاس في كلا الاتجاهين إلى تقليل الين الكهربائي والتيار، مما يتطلب اختيار مقاومة صغيرة وتيار مقنن منخفض قدر الإمكان عند تشغيل المحرك. يمكن استخدام محرك الخطوة ثنائي الطور في وضع التوالي وليس التوازي، ولكن هذا غالبًا ما يتعارض مع متطلبات عزم الدوران والسرعة العالية.

2، بالنسبة للمحرك الذي تم اختياره، يجب الاستفادة الكاملة من وظيفة التحكم التلقائي في نصف التيار ووظيفة عدم الاتصال بالمحرك، حيث تعمل الأولى على تقليل التيار تلقائيًا عندما يكون المحرك في حالة سكون، بينما تقوم الثانية ببساطة بقطع التيار.

3- بالإضافة إلى ذلك، فإن محرك الخطوة ذو التقسيم الفرعي، نظرًا لأن شكل موجة التيار فيه قريب من الشكل الجيبي، يقلل من التوافقيات، وبالتالي يقلل من سخونة المحرك. هناك طرق قليلة لتقليل فقد الحديد، ويرتبط مستوى الجهد به، فمحرك الجهد العالي، على الرغم من أنه يزيد من خصائص السرعة العالية، إلا أنه يزيد أيضًا من توليد الحرارة. 

4- يجب اختيار مستوى جهد محرك القيادة المناسب، مع مراعاة النطاق العالي، والسلاسة، والحرارة، والضوضاء، والمؤشرات الأخرى.

السبب الثاني.

على الرغم من أن حرارة محرك الخطوة لا تؤثر عادةً على عمره، إلا أن معظم المستخدمين لا يولونها اهتمامًا. مع ذلك، قد تُسبب بعض الآثار السلبية. فعلى سبيل المثال، يؤثر اختلاف معامل التمدد الحراري الداخلي لكل جزء من أجزاء محرك الخطوة، واختلاف الإجهاد الهيكلي، والتغيرات الطفيفة في الفجوة الهوائية الداخلية، على الاستجابة الديناميكية للمحرك، مما قد يؤدي إلى فقدان الخطوة عند السرعات العالية. كما أن بعض التطبيقات، كالأجهزة الطبية ومعدات الاختبار عالية الدقة، لا تسمح بتوليد حرارة زائدة لمحركات الخطوة. لذا، من الضروري التحكم في حرارة محرك الخطوة. وتنتج حرارة المحرك عن هذه العوامل.

1- التيار الذي يحدده المشغل أكبر من التيار المقنن للمحرك

2- سرعة المحرك سريعة جداً

3- يتميز المحرك بقصور ذاتي وعزم دوران كبيرين، لذا حتى عند التشغيل بسرعات متوسطة، ترتفع درجة حرارته، لكن هذا لا يؤثر على عمره. تتراوح درجة حرارة إزالة المغناطيسية للمحرك بين 130 و200 درجة مئوية، لذا فإن ارتفاع درجة حرارته بين 70 و90 درجة مئوية أمر طبيعي. طالما أن درجة الحرارة أقل من 130 درجة مئوية، فلا توجد مشكلة عمومًا. إذا شعرت بارتفاع درجة الحرارة بشكل ملحوظ، فقم بضبط تيار التشغيل على حوالي 70% من التيار المقنن للمحرك أو قلل سرعة المحرك قليلًا.

السبب الثالث.

يُستخدم المحرك الخطوي، كعنصر تشغيل رقمي، على نطاق واسع في أنظمة التحكم بالحركة. يلاحظ العديد من المستخدمين ارتفاع درجة حرارة المحرك أثناء التشغيل، ويتساءلون عما إذا كانت هذه الظاهرة طبيعية. في الواقع، تُعدّ الحرارة ظاهرة شائعة في المحركات الخطوية، ولكن ما هي درجة الحرارة الطبيعية، وكيف يمكن تقليلها؟

 

فيما يلي بعض التصنيفات البسيطة، ونأمل أن يكون ذلك مفيدًا في التطبيقات العملية الفعلية:

1- مبدأ التسخين بالمحرك

نرى عادةً جميع أنواع المحركات، بما في ذلك القلب الداخلي وملف اللف. يتميز الملف بمقاومة، وعند تنشيطه ينتج عنه فقد في الطاقة. يتناسب مقدار هذا الفقد طرديًا مع مربع المقاومة والتيار، ويُشار إليه غالبًا بفقد النحاس. إذا لم يكن التيار تيارًا مستمرًا قياسيًا أو موجة جيبية، فإنه ينتج أيضًا فقدًا توافقيًا. يتميز القلب بتأثير التيارات الدوامية، وفي المجال المغناطيسي المتناوب ينتج عنه أيضًا فقد في الطاقة. يختلف مقدار هذا الفقد باختلاف المادة والتيار والتردد والجهد، ويُسمى فقد الحديد. يظهر فقد النحاس وفقد الحديد على شكل حرارة، مما يؤثر على كفاءة المحرك. تسعى محركات الخطوة عمومًا إلى تحقيق دقة عالية في تحديد المواقع وعزم دوران كبير، ولكن كفاءتها منخفضة نسبيًا، ويكون التيار فيها كبيرًا نسبيًا، كما أن مكونات التوافقيات فيها عالية. يتغير تردد التيار المتناوب أيضًا بتغير السرعة، ولذلك فإن محركات الخطوة تُنتج حرارة بشكل عام، وتكون هذه المشكلة أكثر حدة من محركات التيار المتردد العادية.

نطاق حرارة معقول لمحركين متدرجين

يعتمد مدى السماح بتوليد الحرارة في المحرك بشكل كبير على مستوى العزل الداخلي للمحرك. لا يتلف العزل الداخلي إلا عند درجات حرارة عالية (أعلى من 130 درجة مئوية). لذا، طالما أن درجة الحرارة الداخلية لا تتجاوز 130 درجة مئوية، فلن يتضرر المحرك، وستكون درجة حرارة السطح أقل من 90 درجة مئوية عند هذه النقطة. لذلك، تُعد درجة حرارة سطح محرك الخطوة بين 70 و80 درجة مئوية طبيعية. يمكن استخدام مقياس حرارة بسيط لتحديد درجة الحرارة تقريبًا: عند لمسه باليد لأكثر من 1-2 ثانية، لا تتجاوز درجة الحرارة 60 درجة مئوية؛ عند لمسه باليد فقط، تتراوح درجة الحرارة بين 70 و80 درجة مئوية؛ عند تبخر بضع قطرات من الماء بسرعة، تتجاوز درجة الحرارة 90 درجة مئوية.

تسخين بثلاثة محركات متدرجة مع تغيير السرعة

عند استخدام تقنية محرك التيار الثابت، يظل التيار ثابتًا في المحرك الخطوي عند السكون والسرعة المنخفضة، مما يحافظ على عزم دوران ثابت. وعندما ترتفع السرعة إلى حد معين، يرتفع الجهد المعاكس الداخلي للمحرك، فينخفض ​​التيار تدريجيًا، وينخفض ​​عزم الدوران أيضًا. لذلك، تعتمد درجة الحرارة الناتجة عن فقد النحاس على السرعة. ففي حالة السكون والسرعة المنخفضة، تكون الحرارة عالية، بينما في حالة السرعة العالية تكون منخفضة. ولكن تغيرات فقد الحديد (على الرغم من أنها أقل نسبة) لا تكون متساوية، وحرارة المحرك الكلية هي مجموع هاتين الحالتين، لذا فإن ما سبق هو مجرد وصف عام.

4- الحرارة الناتجة عن الاصطدام

على الرغم من أن حرارة المحرك لا تؤثر عادةً على عمره، إلا أن معظم العملاء لا يولونها اهتمامًا. مع ذلك، قد تُسبب ارتفاعًا ملحوظًا في درجة الحرارة بعض الآثار السلبية. فعلى سبيل المثال، يؤدي اختلاف معاملات التمدد الحراري للأجزاء الداخلية للمحرك إلى تغيرات في الإجهاد الهيكلي، كما أن التغيرات الطفيفة في الفجوة الهوائية الداخلية تؤثر على استجابة المحرك الديناميكية، مما قد يؤدي إلى فقدان السرعة عند السرعات العالية. ومن الأمثلة الأخرى، أن بعض التطبيقات لا تسمح بارتفاع درجة حرارة المحرك بشكل مفرط، مثل المعدات الطبية وأجهزة الاختبار عالية الدقة. لذا، يجب التحكم في توليد الحرارة في المحرك حسب الحاجة.

 5. كيفية تقليل حرارة المحرك

يهدف تقليل توليد الحرارة إلى تقليل فقد النحاس وفقد الحديد. ولتقليل فقد النحاس، يجب تقليل المقاومة والتيار، مما يستلزم اختيار محرك ذي مقاومة منخفضة وتيار مقنن منخفض قدر الإمكان. في حالة المحركات ثنائية الطور، يمكن استخدام المحركات على التوالي دون الحاجة إلى توصيلها على التوازي. إلا أن هذا غالبًا ما يتعارض مع متطلبات عزم الدوران والسرعة العالية. بالنسبة للمحرك المُختار، يجب الاستفادة الكاملة من وظيفة التحكم التلقائي بنصف التيار ووظيفة الفصل. تعمل الأولى على تقليل التيار تلقائيًا عندما يكون المحرك في حالة سكون، بينما تعمل الثانية على قطع التيار تمامًا. بالإضافة إلى ذلك، في محركات التقسيم الفرعي، نظرًا لأن شكل موجة التيار قريب من الشكل الجيبي، فإن التوافقيات تكون أقل، وبالتالي تقل حرارة المحرك. هناك طرق قليلة لتقليل فقد الحديد، ويرتبط مستوى الجهد الكهربائي بذلك. فعلى الرغم من أن تشغيل المحرك بجهد عالٍ يُحسّن من خصائص السرعة العالية، إلا أنه يزيد أيضًا من توليد الحرارة. لذا، يجب اختيار مستوى جهد التشغيل المناسب، مع مراعاة السرعة العالية، وسلاسة التشغيل، والحرارة، والضوضاء، وغيرها من المؤشرات.

تتكون جميع أنواع المحركات الخطوية من قلب حديدي وملف لولبي. يتميز الملف اللولبي بمقاومة، وعند تنشيطه ينتج عنه فقد في الطاقة، يتناسب مقداره طرديًا مع مربع المقاومة والتيار، ويُشار إليه غالبًا باسم فقد النحاس. إذا لم يكن التيار تيارًا مستمرًا قياسيًا أو موجة جيبية، فإنه ينتج أيضًا فقدًا توافقيًا. يتميز القلب الحديدي بتأثير التيارات الدوامية، حيث ينتج عنه فقد في المجال المغناطيسي المتناوب، ويتناسب مقدار هذا الفقد طرديًا مع مربع المقاومة والتيار والتردد والجهد، ويُسمى هذا الفقد بفقد الحديد. يظهر فقد النحاس وفقد الحديد على شكل حرارة، مما يؤثر على كفاءة المحرك. تسعى المحركات الخطوية عمومًا إلى تحقيق دقة عالية في تحديد المواقع وعزم دوران كبير، لذا فإن كفاءتها منخفضة نسبيًا، ويكون التيار فيها كبيرًا نسبيًا، وتحتوي على مكونات توافقية عالية، كما يتغير تردد التيار المتناوب مع السرعة، وبالتالي فإن المحركات الخطوية تُنتج حرارة بشكل عام، وتكون هذه المشكلة أكثر حدة من محركات التيار المتردد العادية.