Первоначальная форма шагового электродвигателя представляет собой комбинацию шестивиткового статора с концентрической обмоткой (Рис. 1.21) и ротора с ламинированным покрытием (Рис. 1.22). Он был принят в качестве привода для указания направления пуска торпед с военных кораблей британского флота в 1920-х годах, как показано на Рис. 1.23.
Для переключения тока между обмотками в этом электродвигателе использовался поворотный переключатель.
Функции этих переключателей обозначены S1, S2 и S3 с правой стороны на Рис. 1.23.
Шаговый электродвигатель когда-то называли пошаговым. Однако вскоре он стал более известен как шаговый электродвигатель.
На Рис. 1.24 показано, что положение ротора вращается в такт с переключением тока в обмотке статора.
Шаговый электродвигатель VR
Ротор шагового электродвигателя должен удерживать свое положение при остановке после поворота на определенное количество градусов.
Для этого используется принцип, при котором полюса (большие зубья или полюсные зубья), возбуждаемые электрическим током, располагаются под действием зубьев ротора и магнитной силы.
В случае, когда отношение числа зубьев шестерни статора к числу зубьев шестерни ротора составляет 6:4, разрешение позиционирования по этому принципу будет равно 12 на оборот. Другими словами, позиционирование может осуществляться с интервалом в 30 градусов.
Для создания высокого разрешения используются полюса с мелкими зубьями, как показано на Рис. 1.25, и ротор с такими же мелкими зубьями, как показано на Рис. 1.26.
Этот тип шагового электродвигателя, в котором не используются постоянные магниты, называется шаговым двигателем VR (с переменной силой тока).
Заглядывая в историю, можно отметить, что различные типы VR-электродвигателей производились для использования в станках и периферийных устройствах компьютеров.
Одним из преимуществ шагового электродвигателя VR является возможность создания высокого разрешения за счет обработки мелких зубьев и уменьшения размера зазора между статором и ротором.
Недостатком является то, что трудно удовлетворить потребности в одновременном уменьшении размеров и создании большого крутящего момента. По этой причине тип VR сегодня больше привлекает внимание как SRM (реактивный электродвигатель с переключателем), который является разновидностью бесщеточного электродвигателя, а не шагового электродвигателя.
Настройка шагового электродвигателя VR
Шаговый электродвигатель типа PM
Отдельно от типа VR был разработан шаговый электродвигатель типа PM (с постоянным магнитом). В основном в этом электродвигателе использовался ротор с постоянным магнитом, как показано на Рис. 1.27. В качестве типичного примера можно привести комбинацию четырехкатушечного статора и ротора с биполярным магнитом, как показано на Рис. 1.28. Этот электродвигатель был разработан в области шаговых электродвигателей, используемых в наручных часах. Одной из особенностей этих шаговых электродвигателей является низкое энергопотребление, если их сделать более компактными за счет мощных постоянных магнитов. Одна батарейка может приводить в движение три стрелки, включая секундный указатель, в течение нескольких лет.
Шаговый электродвигатель гибридного типа
Современные гибридные шаговые электродвигатели, имеющие широкий спектр применения, представляют собой комбинированный тип, который сочетает в себе преимущества как VR, так и PM типов. Производство сосредоточено на так называемом типе с когтевым полюсом, но в более широком смысле он рассматривается как один из гибридных шаговых электродвигателей.
Изначально «гибридный» — это биологический термин. В данном случае под гибридным понимается конструкция VR, которая имеет тонкую насечку угла шага, а использование постоянных магнитов увеличивает крутящий момент.
Его конструкция показана на Рис. 1.29. В принципе, как видно из структуры ротора на Рис. 1.30, две полоски сердечника с зубчатой насечкой скрещиваются с диском, который является постоянным магнитом.
Рис. 2.48 представляет собой структурную схему электродвигателя HB, подготовленную для облегчения понимания принципа вращения.
Статор имеет несколько полюсов, на каждом из которых расположена намагничивающая катушка. Как и в случае с ротором, эти полюса имеют зубцы.
Как показано на рисунке, имеется четыре обмотки статора. Катушки, расположенные друг напротив друга, соединены поперек ротора, образуя две группы катушек. Катушки соединены таким образом, что при подаче напряжения два противоположных полюса превращаются в N-полюс и S-полюс, соответственно. Предположим, что верхняя и нижняя катушки образуют фазу A, а правая и левая — фазу B.
Ротор на рисунке имеет 15 зубцов. Предположим, что белый ротор расположен спереди и примагничен к N-полюсу постоянным магнитом. Предположим, что зубцы цветного ротора находятся сзади и примагничены к S-полюсу.
На Рис. 2.49 рассмотрим, как вращается электродвигатель.
В исходном состоянии подайте напряжение на фазу A, чтобы верхний полюс на рисунке стал S-полюсом, а нижний — N-полюсом. Поскольку зуб белого ротора – это N-полюс, он притягивает (и притягивается) S-полюс в фазе A, а поскольку зуб черного ротора – это S-полюс, он притягивает (и притягивается) N-полюс в фазе A.
Измените состояние катушек в следующей последовательности. Верхний зуб отмечен знаком ●. Проверьте изменение положения.
<1> Подайте напряжение на фазу B так, чтобы правый полюс стал S-полюсом, а левый полюс — N-полюсом. Белый зубец спереди и правый полюс притягиваются друг к другу, а цветной зубец сзади и левый полюс притягиваются друг к другу. Теперь знак ● переместился против часовой стрелки.
<2> Подайте напряжение на фазу A в направлении, противоположном направлению подачи напряжения в исходном состоянии. Белый зубец спереди и нижний полюс притягиваются друг к другу, а цветной зубец сзади и верхний полюс притягиваются друг к другу. Теперь знак ● переместился дальше против часовой стрелки.
<3> Подайте напряжение на фазу B в направлении, противоположном направлению подачи напряжения на шаге <1>. Белый зубец спереди и левый полюс притягиваются друг к другу, а цветной зубец сзади и правый полюс притягиваются друг к другу.
<4> Подайте напряжение на фазу A таким же образом, как это было сделано в исходном состоянии. Положение знака ● сдвинуто по сравнению с исходным состоянием на один зубец.
Как видите, в результате выполнения четырех шагов с <1> по <4> ротор повернулся против часовой стрелки на один зубец.
Чтобы повернуть ротор по часовой стрелке, выполните шаги в обратном порядке (то есть от <4> к <1>).
Двухфазный электродвигатель HB
Рис. 2.50 Двухфазный электродвигатель HB
Электродвигатель, описанный в предыдущем разделе, имеет две фазы, A и B. Такие электродвигатели называются двухфазными электродвигателями HB.
На Рис. 2.50 показан реальный двухфазный электродвигатель. Этот двигатель имеет 50 зубьев.
Поскольку двухфазный электродвигатель проходит одно расстояние между зубьями за четыре шага, для совершения одного оборота этому электродвигателю требуется 200 шагов.
Имеется восемь катушек, а противоположные возбужденные полюса соединены так, чтобы они имели одинаковую полярность.
Поскольку в этой конструкции притягивающие силы в радиальных направлениях уравновешивают друг друга, нагрузка на подшипник снижается.
Намотка катушки
Существует два способа намотки катушки.
Один способ намотки катушки на один полюс, как показано на Рис. 2.51 (а), называется монофилярной намоткой.
Монофилярная намотка повышает эффективность использования катушки, но требует четырех транзисторов для изменения направления подачи напряжения, как показано на Рис. 2.52 (b). Это называется биполярным приводом.
Другой способ намотки заключается в намотке двух слоев катушек на один полюс (зубец полюса), как показано на Рис. 2.51 (b). Такая намотка называется бифилярной. Эффективность использования катушек при бифилярной намотке не так высока, как при монофилярной, но, как показано на Рис. 2.52 (c), вы можете изменить возбуждение, выбрав, на какой из двух транзисторов подавать напряжение.
На схеме бифилярной обмотки намагничивающие катушки, подключенные в противоположном направлении к катушкам А и В, обычно обозначаются линией, проведенной над ними, и буквами А и В (Рис. 2.53).
・Большинство электродвигателей этого типа требуют 200 шагов для совершения одного оборота.
・Схема привода этого электродвигателя проще, чем у пятифазного электродвигателя.
Пятифазный электродвигатель HB
В пятифазном электродвигателе HB используется пять пар катушек. Электродвигатель, показанный на Рис. 2.54, имеет 10 катушек и 50 зубцов. Как и в двухфазных электродвигателях, противоположные катушки этого электродвигателя имеют одинаковую полярность, чтобы предотвратить возникновение радиальной нагрузки.
Включение пятифазного электродвигателя происходит в следующем порядке.
<1> Фаза A намагничивается на N-полюс -> <2> Фаза B на S-полюс -> <3> Фаза C на N-полюс -> <4> Фаза D на S-полюс -> <5> Фаза E на N-полюс -> <6> Фаза A на S-полюс -> <7> Фаза B на N-полюс -> <8> Фаза C на S-полюс -> <9> Фаза D на N-полюс -> <10> Фаза E на S-полюс.
За 10 шагов ротор поворачивается на один зуб. За один шаг он поворачивается на 0,72 градуса.
По сравнению с двухфазными электродвигателями, пятифазные электродвигатели имеют следующие особенности:
・Число делений на один оборот велико.
・Колебания крутящего момента в возбужденном состоянии малы.
При использовании пятифазного электродвигателя HB приходится работать с большим количеством проводов, если выводить провода катушки в исходное положение.
Поэтому в большинстве случаев провода пятифазного электродвигателя перед выводом наружу связываются в жгут внутри электродвигателя.
Существует два способа соединения проводов пятифазного шагового электродвигателя в пучок. Один из них – соединение звездой, при котором провода каждой катушки соединены на одном конце. Другой – пятиугольное соединение, при котором соседние катушки соединяются друг с другом (Рис. 2.55).
Поскольку метод возбуждения различается между соединением «звезда» и «пятиугольник», необходимо проверить совместимость электродвигателя и метода возбуждения усилителя.
Особенности пятифазного шагового электродвигателя
Число импульсов за один оборот пятифазного шагового электродвигателя кратно 5. Например, оно может составлять 500 и 1000. С другой стороны, число импульсов для двухфазного шагового электродвигателя может быть 200, 400 и так далее.
Для автоматического оборудования удобнее, когда расстояние перемещения за один оборот электродвигателя составляет, например, 5 мм или 10 мм, а не 2 мм. Это еще одна причина, по которой пятифазный электродвигатель предпочтительнее двухфазного шагового электродвигателя.
Шаговый электродвигатель PM с когтевым полюсом
Разновидностью гибридного типа является электродвигатель с постоянными магнитами и когтевым полюсом.
Похоже, что многие из электродвигателей с постоянными магнитами относятся к этому типу.
На Рис. 2.56 показана структура этого электродвигателя. Статор электродвигателя состоит из двух комплектов: кольцевой катушки и зубца, изготовленного путем обработки листового металла.
Когтевая часть стального листа называется когтевым полюсом, когтевым зубцом или индуктором.
Верхний и нижний когти для крепления катушки расположены таким образом, чтобы входить друг в друга.
Когда на катушку подается напряжение, индуктор намагничивается к N-полюсу, затем к S-полюсу, затем к N-полюсу и затем к S-полюсу.
Типичный двигатель ПМ с когтевым полюсом имеет 24 индуктора (когтевых полюса) в каждой из фаз А и В. Для обмотки катушки обычно используется бифилярная обмотка.
Рис. 2.56 Структура электродвигателя с когтевым полюсом с постоянными магнитами
Для ротора используется ферритовый или редкоземельный магнит, намагниченный с тем же шагом, что и индукторы.
Если магниты расположены прямо по обеим фазам A и B, то фазы A и B смещены друг относительно друга на 1/4 зубца.
Люди не обращали особого внимания на когтевой тип полюса, когда он только появился. Однако в конце 1970-х годов, когда точность позиционирования была повышена благодаря развитию технологии обработки листового металла, он стал использоваться более широко.
Несмотря на то, что угол шага этого типа электродвигателя трудно уменьшить, благодаря низкой стоимости производства они используются в различных отраслях, включая ПК, принтеры и бытовую технику.
Индуктор
Когтевой полюс иногда называют индуктором. Грубо говоря, под индуктором понимается объект, имеющий структуру, которая создает магнитные полюса СЮСЮ. Электродвигатель, оснащенный когтевым полюсом, также может называться «индукторным электродвигателем». В этом случае, пожалуйста, будьте осторожны и не путайте индукторный электродвигатель с асинхронным.
Характеристики шаговых электродвигателей
Пусковая характеристика
Пусковая характеристика показывает уровень момента нагрузки, который электродвигатель в остановленном состоянии может выдержать при запуске, когда на него подаются импульсы постоянной частоты. Ее также называют характеристикой момента включения. Максимальный момент шаговых электродвигателей обычно определяется как момент запуска при частоте импульсов 10 Гц. Когда мы говорим о шаговых электродвигателях, вместо термина «частота импульсов» обычно используется термин «частота импульсов». А в качестве единицы измерения чаще используется pps (импульсы в секунду), чем Гц.
Непрерывная характеристика
Непрерывная характеристика указывает на уровень момента нагрузки, который электродвигатель может выдержать при продолжении работы в режиме импульсов постоянной частоты. Эта характеристика также называется характеристикой момента поворота или характеристика момента вытягивания.
Значение непрерывной характеристики становится выше, чем значение пусковой характеристики.
При увеличении частоты импульсов значения как пусковых, так и непрерывных характеристик падают.
Частота, до которой электродвигатель может поддерживать непрерывную работу, называется максимальной частотой непрерывной реакции, а частота, до которой он может начать работу, называется максимальной частотой импульсов при втягивании.
Крутящий момент шаговых электродвигателей снижается в области высоких скоростей, поскольку электрический ток не протекает легко на высоких частотах из-за индуктивности обмотки.
Пусковые и продолжительные характеристики шаговых электродвигателей зависят от способа возбуждения и схемы привода. Поэтому при оценке характеристик шаговых электродвигателей необходимо учитывать различные факторы, включая связь с приводной цепью.
Момент удержания
Если к шаговому электродвигателю прикладывается внешняя сила, когда он остановлен, но находится под напряжением, то сила притяжения, возникающая между ротором и статором, работает на поддержание положения остановки двигателя.
Этот момент противодействия внешней силе называется моментом удержания.
Момент останова
Благодаря силе притяжения магнита ротора, шаговые электродвигатели PM и HB имеют определенный уровень момента удержания, даже когда они не находятся под напряжением. Этот момент называется моментом сдерживания.
Преобразование частоты импульсов и скорости вращения
Скорость вращения шаговых электродвигателей обычно выражается в ш/сек, что означает число импульсов (количество шагов) в секунду. Его также называют частотой импульсов или частотой шагов.
Однако в некоторых случаях удобнее использовать [об/мин] (обороты в минуту).
В следующей таблице показано преобразование зависимости между количеством шагов за один оборот двигателя и ш/сек в об/мин. А на Рис. 2.58 показан график преобразования.
|
||||
| 200 | 400 | 500 | 1000 | |
|
Скорость вращения (об/мин) | |||
| 1000 | 300 | 150 | 120 | 60 |
| 2000 | 600 | 300 | 240 | 120 |
| 3000 | 900 | 450 | 360 | 180 |
| 5000 | 1500 | 750 | 600 | 300 |
| 10000 | 3000 | 1500 | 1200 | 600 |
| 20000 | 6000 | 3000 | 2400 | 1200 |
