Кроковий електродвигун
Кро́ковий двигу́н — електричний двигун, в якому імпульсне живлення електричним струмом призводить до того, що його ротор не обертається неперервно, а виконує щоразу обертальний рух на заданий кут. Завдяки цьому, кут повороту ротора залежить від числа поданих імпульсів струму, а кутова швидкість ротора точно рівна частоті імпульсів помноженій на кут повороту ротора за один цикл роботи двигуна.
![](../I/MDrivePlus_step_motor.jpg.webp)
Кут повороту двигуна під впливом одного імпульсу може мати різні значення, залежні від конструкції двигуна, — як правило це значення в діапазоні від декількох градусів до декілька десятків градусів. Крокові двигуни, залежно від призначення пристосовані до виконання від частки оберту на хвилину, до декількох тисяч обертів на хвилину.
Принцип роботи
![](../I/StepperMotor.gif)
Конструктивно крокові електродвигуни складаються із статора, на якому розташовані обмотки збудження, і ротора, виконаного з магніто-м'якого (феромагнітного) матеріалу або з магніто-твердого (магнітного) матеріалу. Крокові двигуни з магнітним ротором дозволяють отримувати більший крутний момент і забезпечують фіксацію ротора при знеструмлених обмотках.
Гібридні двигуни поєднують у собі найкращі риси двигунів зі змінним магнітним опором і двигунів з постійними магнітами.
Статор гібридного двигуна також має зубці, забезпечуючи велику кількість еквівалентних полюсів, на відміну від основних полюсів, на яких розташовані обмотки. Зазвичай використовуються 4 основні полюси для 3,6 градусних двигунів і 8 основних полюсів для 1,8-0,9 градусних двигунів. Зубці ротора забезпечують менший опір магнітного ланцюга у певних положеннях ротора, що покращує статичний і динамічний момент. Це забезпечується відповідним розташуванням зубців, коли частина зубців ротора знаходиться строго навпроти зубців статора, а частина між ними.
Ротор гібридного двигуна має зубці, розташовані в осьовому напрямку. Ротор розділений на дві частини, між якими розташований циліндричний постійний магніт. Таким чином, зубці верхньої половинки ротора є північними полюсами, а зубці нижньої половинки — південними. Крім того, верхня і нижня половинки ротора повернуті один відносно одного на половину кута кроку зубців. Число пар полюсів ротора дорівнює кількості зубців на одній з його половинок. Зубчасті полюсні наконечники ротора, як і статор, набрані з окремих пластин для зменшення втрат на вихрові струми.
Цикл роботи електродвигуна можна розбити на 4 кадри (див.рисунок).
- Кадр 1: верхній електромагніт (1) включений, відбувається притягання найближчого зуба ротора шестеренної форми. Зуби вирівнюються по електромагніту (1), вони будуть трохи зміщені відносно електромагніта (2).
- Кадр 2: верхній електромагніт (1) відключений, а правий електромагніт (2) знаходиться під напругою, потягнувши найближчі зуби прокрутивши ротор вправо. У результаті відбудеться повертання на 3,6° для цього прикладу.
- Кадр 3: нижній електромагніт (3) знаходиться під напругою, спричинивши наступне повертання ротора на 3,6°.
- Кадр 4: лівий електромагніт (4) включений, що знову проверне ротор на 3,6°. Коли верхній знову увімкнеться, ротор у кінцевому підсумку за 4 кроки повернеться на один зуб, а оскільки у ротора є 25 зубів, то повний оберт займе 100 кроків для даного прикладу.
Переваги і недоліки крокового двигуна
Переваги
- Кут повороту двигуна пропорційний кількості вхідних імпульсів.
- Двигун працює з повним моментом у стані спокою (якщо обмотки підключені до живлення).
- Прецезійне позиціонування і повторюваність кроку — хороші крокові двигуни мають точність близько 3 — 5% кроку і ці помилки не накопичується від кроку до кроку.
- Можливість швидкого розгону, гальмування і зміни напряму руху.
- Безвідмовність — у зв'язку з відсутністю щіток. Довговічність двигуна залежить тільки від довговічності підшипників.
- Залежність обертів двигуна від дискретних імпульсів дозволяє керувати двигуном без зворотного зв'язку, завдяки чому кроковий двигун простіший і дешевший в керуванні.
- Можливість досягнення дуже низьких швидкостей обертання з навантаженням закріпленим безпосередньо на осі двигуна.
- Широкий діапазон швидкостей обертання отримуваний завдяки тому, що швидкість пропорційна частоті вхідних імпульсів.
Недоліки
- Механічний резонанс з'являється при неправильному керуванні.
- Складнощі при роботі з дуже високими швидкостями.
- Можлива втрата контролю положення у зв'язку з роботою без зворотного зв'язку.
- Споживання електроенергії не зменшується навіть без навантаження.
- Невисока питома потужність.
- Відносно складна схема управління.
Типорозміри та характеристики двигунів
Крокові двигуни стандартизовані національною асоціацією виробників електроустаткування (National Electrical Manufacturers Association, NEMA) за посадковим розміром і розміром зовнішнього квадрату фланця.
Типорозмір | Розмір фланця, мм | Момент, кгс*см |
---|---|---|
NEMA 17 | 42 | 4.5 |
NEMA 23 | 57 | 30 |
NEMA 34 | 86 | 120 |
NEMA 42 | 110 | 210 |