스테퍼 모터 과열 원인 분석

첫 번째 이유.

가장 의미 있는 장점 중 하나는스테퍼 모터개방 루프 시스템에서 달성할 수 있는 정밀한 제어 방식입니다. 개방 루프 제어란 (로터) 위치에 대한 피드백 정보가 필요하지 않다는 것을 의미합니다.

이 제어 방식은 입력 스텝 펄스만 추적하면 로터의 위치를 ​​알 수 있기 때문에 고가의 센서나 광학 엔코더 같은 피드백 장치를 사용할 필요가 없습니다. 최근 일부 고객들이 스테퍼 모터가 발열 문제에 취약하다는 점을 저희 상셰 모터 엔지니어들에게 제기했는데, 이 문제를 어떻게 해결할 수 있을까요? 

1. 줄이다스테퍼 모터열을 줄이는 것은 동손과 철손을 줄이는 것과 같습니다. 동손을 양방향으로 줄이면 전기 저항과 전류를 줄일 수 있는데, 이를 위해서는 모터, 특히 2상 스테퍼 모터의 경우 저항이 작고 정격 전류가 가능한 한 작은 모터를 선택해야 합니다. 2상 스테퍼 모터는 병렬이 아닌 직렬로 사용할 수 있지만, 이는 토크와 고속 요구 사항과 상충되는 경우가 많습니다.

2. 모터를 선택한 경우, 드라이브의 자동 반전류 제어 기능과 오프라인 기능을 최대한 활용해야 합니다. 전자는 모터가 정지해 있을 때 전류를 자동으로 줄여주고, 후자는 단순히 전류를 차단합니다.

3. 또한, 세분화된 스테퍼 모터 구동 방식은 전류 파형이 정현파에 가깝기 때문에 고조파가 적고 모터 발열이 적습니다. 철손을 줄이는 방법은 여러 가지가 있는데, 전압 레벨이 이에 관련되어 있습니다. 고전압 구동 모터는 고속 특성을 향상시키지만 발열량도 증가시킵니다. 

4. 구동 모터의 전압 레벨을 선택할 때는 대역폭, 평활도, 발열, 소음 등의 지표를 고려해야 합니다.

두 번째 이유.

스테퍼 모터의 발열은 일반적으로 모터 수명에 큰 영향을 미치지 않으므로 대부분의 고객은 신경 쓸 필요가 없습니다. 그러나 심각한 경우 몇 가지 부정적인 영향을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 스테퍼 모터 내부의 각 부품별 열팽창 계수 차이, 구조적 응력 변화, 내부 공극의 미세한 변화 등이 스테퍼 모터의 동적 응답에 영향을 미쳐 고속 회전 시 스텝 손실이 발생할 수 있습니다. 또한 의료 기기나 고정밀 시험 장비와 같이 스테퍼 모터의 과도한 발열이 허용되지 않는 환경도 있습니다. 따라서 스테퍼 모터의 발열은 반드시 제어해야 합니다. 모터 발열은 이러한 여러 요인에 의해 발생합니다.

1. 구동기가 설정한 전류가 모터의 정격 전류보다 크다

2. 모터 속도가 너무 빠릅니다.

3. 모터 자체는 관성과 위치 토크가 크기 때문에 중속 운전 시에도 발열이 발생할 수 있지만, 모터 수명에는 영향을 미치지 않습니다. 모터의 감자점은 130~200℃이므로 70~90℃는 정상적인 현상이며, 130℃ 미만이면 일반적으로 문제가 없습니다. 만약 과열이 느껴진다면 구동 전류를 정격 모터 전류의 약 70%로 설정하거나 모터 속도를 약간 낮추십시오.

세 번째 이유.

스테퍼 모터는 디지털 구동 소자로서 모션 제어 시스템에 널리 사용되고 있습니다. 많은 사용자들이 스테퍼 모터를 사용하면서 모터가 작동 중에 상당한 열을 발생시키는 것을 느끼고, 이러한 현상이 정상적인지 궁금해합니다. 사실, 열 발생은 스테퍼 모터에서 흔히 나타나는 현상이지만, 어느 정도의 열이 정상적인 것으로 간주되는지, 그리고 스테퍼 모터의 발열을 최소화하는 방법은 무엇인지 알아보겠습니다.

 

다음은 실제 응용 분야에서 활용될 수 있기를 바라는 간단한 분류 작업입니다.

1. 모터 가열 원리

일반적으로 모터에는 내부 코어와 권선이 있습니다. 권선에는 저항이 있으며, 전류가 흐르면 손실이 발생합니다. 손실의 크기는 저항과 전류의 제곱에 비례하는데, 이를 흔히 동손이라고 합니다. 전류가 표준 직류나 정현파가 아닌 경우에는 고조파 손실도 발생합니다. 코어에는 히스테리시스 와전류 효과가 있으며, 교류 자기장 내에서도 손실이 발생합니다. 이 손실은 재질의 크기, 전류, 주파수, 전압에 따라 달라지는데, 이를 철손이라고 합니다. 동손과 철손은 모두 열로 나타나 모터의 효율에 영향을 미칩니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 위치 정밀도와 토크 출력을 중시하기 때문에 효율이 상대적으로 낮고, 전류가 비교적 크며, 고조파 성분이 높습니다. 또한 전류의 교류 주파수가 속도에 따라 변하기 때문에 스테퍼 모터는 일반적으로 발열이 심하며, 일반 교류 모터보다 발열 문제가 더 심각합니다.

2개의 스테퍼 모터 발열은 적정 범위 내에 있습니다.

모터의 발열 허용 범위는 모터 내부 절연 수준에 크게 좌우됩니다. 내부 절연은 고온(130도 이상)에서만 손상됩니다. 따라서 내부 온도가 130도를 넘지 않는 한 모터는 손상되지 않으며, 표면 온도는 90도 미만으로 유지됩니다. 그러므로 스테퍼 모터의 표면 온도가 70~80도 정도면 정상입니다. 간단한 온도 측정 방법으로는 점온도계를 사용할 수 있으며, 대략적인 온도도 확인할 수 있습니다. 손으로 1~2초 이상 만질 수 있으면 60도 이하, 만지기만 하면 70~80도, 물방울 몇 방울이 빠르게 증발하면 90도 이상입니다.

속도 조절 기능이 있는 3개의 스테퍼 모터 가열 장치

정전류 구동 기술을 사용할 때, 스테퍼 모터는 정지 상태 및 저속에서 일정한 토크 출력을 유지하기 위해 전류가 일정하게 유지됩니다. 속도가 일정 수준 이상으로 높아지면 모터 내부의 역전위가 상승하여 전류가 점차 감소하고 토크 또한 감소합니다. 따라서 동손으로 인한 발열량은 속도에 따라 달라집니다. 일반적으로 정지 상태 및 저속에서는 발열량이 높고 고속에서는 발열량이 낮습니다. 하지만 철손(비록 비율은 작지만)의 변화는 속도와 다르며, 모터 전체의 발열량은 이 두 가지의 합이므로 위 내용은 일반적인 상황만을 나타낸 것입니다.

4. 충격으로 인한 열

모터의 발열은 일반적으로 모터 수명에 큰 영향을 미치지 않지만, 심각한 경우 몇 가지 부정적인 영향을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 모터 내부 부품의 열팽창 계수 차이로 인해 구조적 응력이 변하고 내부 공극이 미세하게 변화하면 모터의 동적 응답에 영향을 미쳐 고속 주행 시 가속력이 저하될 수 있습니다. 또한 의료기기나 고정밀 시험 장비와 같이 모터의 과도한 발열이 허용되지 않는 환경도 있습니다. 따라서 모터의 발열은 필요에 따라 적절히 제어해야 합니다.

 5. 모터의 열을 줄이는 방법

발열을 줄이려면 동손과 철손을 줄여야 합니다. 동손을 양방향으로 줄이면 저항과 전류를 줄일 수 있는데, 이를 위해서는 모터의 저항과 정격 전류를 가능한 한 작게 선택해야 합니다. 2상 모터의 경우 병렬 연결 없이 직렬로 연결하는 것이 가능하지만, 이는 토크와 고속 회전 요구 사항과 상충되는 경우가 많습니다. 따라서 선택된 모터에 대해서는 드라이브의 자동 전류 감속 기능과 오프라인 기능을 최대한 활용해야 합니다. 자동 전류 감속 기능은 모터가 정지 상태일 때 자동으로 전류를 줄여주고, 오프라인 기능은 전류를 완전히 차단합니다. 또한, 분할 구동 방식은 전류 파형이 정현파에 가까워 고조파가 적기 때문에 모터 발열도 줄어듭니다. 철손을 줄이는 방법은 여러 가지가 있는데, 전압 레벨이 중요한 역할을 합니다. 고전압으로 구동하는 모터는 고속 회전 특성이 향상되지만 발열량도 증가합니다. 따라서 고속 회전, 평활도, 발열, 소음 등의 지표를 고려하여 적절한 구동 전압 레벨을 선택해야 합니다.

모든 종류의 스테퍼 모터 내부는 철심과 권선 코일로 구성됩니다. 권선은 저항을 가지고 있으며, 전류가 흐르면 손실이 발생합니다. 이 손실의 크기는 저항의 제곱과 전류에 비례하는데, 이를 흔히 동손실이라고 합니다. 전류가 표준 직류나 정현파가 아닌 경우에는 고조파 손실도 발생합니다. 철심은 히스테리시스 와전류 효과를 가지고 있으며, 교류 자기장 내에서도 손실이 발생합니다. 이 손실은 재질의 크기, 전류, 주파수, 전압에 따라 달라지는데, 이를 철손실이라고 합니다. 동손실과 철손실은 모두 열로 나타나 모터의 효율에 영향을 미칩니다. 스테퍼 모터는 일반적으로 위치 정밀도와 토크 출력을 추구하기 때문에 효율이 상대적으로 낮고, 전류가 비교적 크며, 고조파 성분이 높습니다. 또한 전류의 교류 주파수가 속도에 따라 변하기 때문에 스테퍼 모터는 일반적으로 발열이 심하며, 일반 교류 모터보다 발열 문제가 더 심각합니다.