Was ist ein Schrittmotor, warum wird er benötigt und wie funktioniert er?
Gleichstrom-Schrittmotoren werden häufig in numerisch gesteuerten Maschinen und in der Robotik eingesetzt. Der Hauptunterschied dieses Elektromotors ist das Prinzip seiner Funktionsweise. Die Welle eines Schrittmotors dreht sich nicht lange, sondern nur um einen bestimmten Winkel. Dies gewährleistet eine genaue Positionierung des Arbeitselements im Raum. Die Stromversorgung eines solchen Motors ist diskret, dh sie wird durch Impulse ausgeführt. Diese Impulse drehen auch die Welle um einen bestimmten Winkel, jede solche Drehung wird als Schritt bezeichnet, daher der Name. Oft arbeiten diese Elektromotoren zusammen mit einem Getriebe, um die Genauigkeit der Installation und des Drehmoments auf der Welle zu erhöhen, und mit einem Encoder, um die Position der Welle im Moment zu verfolgen. Diese Elemente sind zum Übertragen und Umwandeln des Drehwinkels erforderlich. In diesem Artikel werden wir die Leser der Website informieren Elektroexperte über das Gerät, das Funktionsprinzip und den Zweck der Schrittmotoren.
Wie ein Schrittmotor funktioniert
In der Art ist es ein bürstenloser Synchronelektromotor. Besteht aus Stator und Rotor. Auf dem Rotor befinden sich normalerweise Abschnitte, die aus elektrischen Stahlblechen zusammengesetzt sind (auf dem Foto ist dies das „Zahnrad“ -Teil), und diese sind wiederum durch Permanentmagnete getrennt. Am Stator befinden sich Wicklungen in Form separater Spulen.
Funktionsprinzip
Wie ein Schrittmotor funktioniert, kann an einem bedingten Modell berücksichtigt werden. In Position 1 wird an die Wicklungen A und B eine Spannung einer bestimmten Polarität angelegt. Dadurch wird im Stator ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Da unterschiedliche Magnetpole angezogen werden, nimmt der Rotor seine Position entlang der Achse des Magnetfelds ein. Darüber hinaus behindert das Magnetfeld des Motors Versuche, die Position des Rotors von außen zu ändern. Mit einfachen Worten, das Statormagnetfeld verhindert, dass der Rotor die eingestellte Position ändert (z. B. unter mechanischen Belastungen der Welle).
Wenn an die Wicklungen D und C eine Spannung gleicher Polarität angelegt wird, verschiebt sich das elektromagnetische Feld. Dadurch dreht sich der Permanentmagnetrotor in Position 2. In diesem Fall beträgt der Drehwinkel 90 °. Dieser Winkel ist der Drehschritt des Rotors.
Position 3 wird durch Anlegen einer Spannung mit umgekehrter Polarität an die Wicklungen A und B erreicht. In diesem Fall wird das elektromagnetische Feld der Position 1 entgegengesetzt, der Rotor der Motoren verschiebt sich und der Gesamtwinkel beträgt 180 °.
Beim Anlegen einer Spannung mit umgekehrter Polarität an die Wicklungen D und C dreht sich der Rotor um einen Winkel von bis zu 270 ° zur Ausgangsposition. Wenn eine positive Spannung an die Wicklungen A und B angeschlossen ist, nimmt der Rotor seine Ausgangsposition ein - er führt eine 360 ° -Umdrehung durch.Es ist zu beachten, dass sich der Rotor auf dem kleinsten Weg bewegt, dh von Position 1 nach Position 4, der Rotor dreht sich erst, nachdem er die Zwischenpositionen 2 und 3 passiert hat. Wenn Sie die Wicklungen nach 1 Position sofort in die 4 Position bringen, dreht sich der Rotor gegen den Uhrzeigersinn.
Typen und Typen nach Polarität oder Wicklungstyp
In Schrittmotoren werden bipolare und unipolare Wicklungen verwendet. Das Funktionsprinzip wurde anhand einer bipolaren Maschine betrachtet. Diese Konstruktion beinhaltet die Verwendung verschiedener Phasen, um die Wicklungen anzutreiben. Die Schaltung ist sehr komplex und erfordert teure und leistungsstarke Steuerkarten.
Ein einfacheres Steuerungsschema in unipolaren Maschinen. In einem solchen Schema ist der Beginn der Wicklungen mit einem gemeinsamen "Plus" verbunden. Bei den zweiten Schlussfolgerungen der Wicklungen wird abwechselnd ein Minus angewendet. Dies stellt die Drehung des Rotors sicher.
Bipolare Schrittmotoren sind leistungsstärker, ihr Drehmoment ist 40% höher als bei unipolaren. Unipolare Elektromotoren sind wesentlich bequemer zu bedienen.
Motortypen für die Rotorkonstruktion
Schrittmotoren werden je nach Art der Rotorkonstruktion in Maschinen unterteilt:
- mit einem Permanentmagneten;
- mit variablem magnetischen Widerstand;
- Hybrid.
Der Permanentmagnet-Schrittmotor am Rotor ist auf die gleiche Weise wie in den obigen Beispielen angeordnet. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei realen Maschinen die Anzahl der Magnete viel größer ist. Sie werden normalerweise auf einem freigegebenen Laufwerk verteilt. Die Anzahl der Pole in modernen Motoren erreicht 48. Ein Schritt in solchen Elektromotoren beträgt 7,5 °.
Elektromotoren mit variablem Magnetwiderstand. Der Rotor dieser Maschinen besteht aus weichmagnetischen Legierungen, sie werden auch als "Jet-Schrittmotor" bezeichnet. Der Rotor besteht aus einzelnen Platten und sieht dabei wie ein Zahnrad aus. Diese Konstruktion ist notwendig, damit sich der Magnetfluss durch die Zähne schließt. Der Hauptvorteil dieser Konstruktion ist das Fehlen eines Verriegelungsmoments. Tatsache ist, dass der Rotor mit Permanentmagneten von den Metallteilen des Elektromotors angezogen wird. Und es ist ziemlich schwierig, die Welle ohne Spannung am Stator zu drehen. Bei einem Schrittmotor mit variablem Magnetwiderstand gibt es kein solches Problem. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch das geringe Drehmoment. Die Neigung solcher Maschinen beträgt üblicherweise 5 ° bis 15 °.
Der Hybrid-Schrittmotor wurde entwickelt, um die besten Eigenschaften der beiden vorherigen Typen zu kombinieren. Solche Motoren haben eine kleine Steigung im Bereich von 0,9 bis 5 °, ein hohes Drehmoment und eine hohe Haltefähigkeit. Das wichtigste Plus ist die hohe Genauigkeit des Gerätes. Solche Elektromotoren werden in modernsten hochpräzisen Geräten eingesetzt. Durch Nachteile können nur ihre hohen Kosten zugeschrieben werden. Strukturell ist der Rotor dieser Vorrichtung ein magnetisierter Zylinder, auf dem sich magnetisch weiche Zähne befinden.
Beispielsweise werden in einem 200-Stufen-Schrittmotor zwei Zahnradscheiben mit jeweils 50 Zähnen verwendet. Die Scheiben werden durch einen Zahn relativ zueinander verschoben, so dass die Vertiefung des positiven Pols mit dem Vorsprung des negativen Pols zusammenfällt und umgekehrt. Aus diesem Grund hat der Rotor 100 Pole mit umgekehrter Polarität.
Das heißt, der Süd- und Nordpol können sich relativ zum Stator in 50 verschiedenen Positionen und in insgesamt 100 verschieben. Und eine Phasenverschiebung von einem Viertel ergibt weitere 100 Positionen, dies geschieht aufgrund einer sequentiellen Anregung.
SD-Management
Die Verwaltung erfolgt nach folgenden Methoden:
- Welle. Bei diesem Verfahren wird nur an eine Spule Spannung angelegt, von der der Rotor angezogen wird. Da nur eine Wicklung beteiligt ist, ist das Rotordrehmoment klein und nicht zur Übertragung großer Leistungen geeignet.
- Voller Schritt. In dieser Ausführungsform werden zwei Wicklungen gleichzeitig erregt, was ein maximales Drehmoment sicherstellt.
- Halber Schritt. Kombiniert die ersten beiden Methoden.In dieser Ausführungsform wird zuerst eine Spannung an eine der Wicklungen und dann an zwei angelegt. Somit wird eine größere Anzahl von Schritten realisiert und eine maximale Haltekraft, die den Rotor bei hohen Drehzahlen stoppt.
- Mikroschritt wird durch Anlegen von Mikroschrittimpulsen durchgeführt. Diese Methode sorgt für eine gleichmäßige Rotation des Rotors und reduziert das Ruckeln während des Betriebs.
Vor- und Nachteile von Schrittmotoren
Die Vorteile dieser Art von elektrischen Maschinen umfassen:
- hohe Start-, Stopp- und Rückwärtsgeschwindigkeiten;
- die Welle dreht sich gemäß dem Befehl der Steuervorrichtung in einem vorbestimmten Winkel;
- klare Positionsfixierung nach einem Stopp;
- hohe Positioniergenauigkeit ohne strenge Feedback-Anforderungen;
- hohe Zuverlässigkeit aufgrund des Fehlens eines Sammlers;
- Aufrechterhaltung des maximalen Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen.
Nachteile:
- möglicherweise ist eine Verletzung der Positionierung während der mechanischen Belastung der Welle höher als für ein bestimmtes Motormodell zulässig;
- Resonanzwahrscheinlichkeit;
- komplexes Kontrollschema;
- niedrige Drehzahl, dies kann jedoch nicht auf wesentliche Nachteile zurückgeführt werden, da Schrittmotoren nicht zum einfachen Drehen verwendet werden bürstenloszum Beispiel, aber für Positionierungsmechanismen.
Ein Schrittmotor wird auch als "Elektromotor mit endlicher Rotorposition" bezeichnet. Dies ist die umfangreichste und zugleich kurzeste Definition solcher elektrischer Maschinen. Sie werden aktiv in CNC-Maschinen, 3D-Druckern und Robotern eingesetzt. Der Hauptkonkurrent des Schrittmotors ist Servo, aber jeder von ihnen hat seine eigenen Vor- und Nachteile, die die Angemessenheit der jeweiligen Verwendung des einen oder anderen bestimmen.
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