Шаговый двигатель – это электродвигатель, на который питание подается не непрерывно, а прерывисто, импульсами. Каждый импульс, заданный системой управления соответствующим образом, вызывает внезапный поворот вала двигателя на строго определенный угол, называемый шагом.
Шаговый двигатель Nema23 (фланец 57 мм) – Узнать подробно можно перейдя по ссылке – https://grizlicnc.com.ua/nema23
Из чего состоит шаговый двигатель?
Внутри него мы найдем ось и обмотки. В середине обмоток находится металлический сердечник. Все это заключено в компактный корпус с выведенными наружу проводами.
Цилиндр помещается на ось, которая может быть постоянным магнитом или куском магнитомягкого ферромагнетика с соответствующими канавками.
Внутри шагового двигателя мы не найдем коммутатора, который является неотъемлемой частью оборудования каждого двигателя постоянного тока. Коммутация в них происходит благодаря внешней электронной системе. Без этой дополнительной электроники шаговый двигатель был бы бесполезен.
Принцип работы шаговых двигателей
Эти устройства, несмотря на свою простоту, имеют довольно хитрый принцип работы. В торговле распространены три типа шаговых двигателей — они отличаются принципом работы, который будет объяснен ниже.
Двигатель с постоянными магнитами (PM)
Этот тип двигателей имеет постоянный магнит, установленный на оси, отсюда и их английское название — Permanent Magnet (PM). Идея их функционирования заключается в том, что магниты отталкиваются и притягиваются друг к другу. Если они выровнены с одними полюсами (южным или северным), то действующая на них сила заставляет их отталкиваться. Если соседние полюса неодинаковы, они притягиваются друг к другу.
Стоит отметить, что в электромагните, который в этом отношении ведет себя идентично обычному магниту, мы можем очень легко менять полюса. Достаточно изменить направление тока, протекающего через его катушку, что крайне просто для электронной системы, контролирующей его работу.
В простейшем варианте достаточно двух С-образных электромагнитов, повернутых на 90°, которые своим магнитным полем воздействуют на магнит, закрепленный на оси. Магнитные полюса этого магнита должны быть разделены параллельно валу.
Обмотки включаются поочередно, и каждый раз ток по ним течет в разном направлении. Электромагнит также имеет два полюса, как и магнит. Сила магнитного взаимодействия здесь двойная: с одной стороны, постоянный магнит отталкивается от одного полюса, а с другой — притягивается к другому. Четыре таких переключения дают полный оборот вала.
Вышеупомянутый мотор имеет очень большой шаг, ведь он составляет целых 90°. Наиболее распространенные шаговые двигатели с постоянными магнитами имеют шаг 15° или 7,5°. Их изготавливают, помещая на вал магнит с множеством чередующихся полюсов.
У этих моторов есть очень отличительная черта – их вал если и пытается провернуться пальцами, то делает это неохотно, “подпрыгивая” на угол поворота одной ступени.
Двигатель с переменным сопротивлением (VR)
В этих моторах на оси нет постоянного магнита, а вместо него кусок стали. Но не из любой стали — она должна быть ферромагнитной с соответствующими характеристиками намагничивания. Их работа заключается в циклической установке ротора в положение, обеспечивающее наименьшее сопротивление, отсюда и название – переменное сопротивление.
Что такое нежелание? Его можно понимать как сопротивление магнитному полю. Если в магнитопроводе имеется разрыв (большое сопротивление), система создает силу, стремящуюся уменьшить его. Таким образом, он может вращать подвижную часть магнитопровода (ротор двигателя) на рисунке ниже так, чтобы он был вертикальным и обеспечивал низкое сопротивление.
Простейший шаговый двигатель с переменным сопротивлением имеет три обмотки, каждая из которых разделена на две половины, и ротор с четырьмя шпильками.
Когда катушка 1 находится под напряжением (подача питания между СОМ и 1), противоположные катушки 1 будут притягивать выступы А. Они обеспечивают низкое сопротивление магнитному полю между ними.
Если в этом положении на обмотку 2 подается напряжение, ротор немного повернется вправо, а выступы B будут в вертикальном положении. Следующим шагом нужно включить катушку 3, чтобы ось двигателя снова сделала небольшой поворот вправо и установить выступы А напротив катушек обмотки 3.
Интересным свойством двигателей с переменным сопротивлением является отсутствие значительного сопротивления вращению при отключении питания. В отличие от двигателей с постоянными магнитами, здесь нет «прыгающей» характеристики. У этого есть недостаток: вал двигателя не удерживается на месте при отключении питания – нет останавливающего момента – поэтому он может двигаться сам по себе. При каждом включении может потребоваться калибровка машины.
Гибридный двигатель (HB)
Гибридные двигатели (HB от HyBrid) сочетают в себе характеристики обоих двигателей, показанных выше. Ротор у них выполнен из постоянного магнита, как и в двигателях с таким магнитом, но с канавками, характерными для двигателя с переменным сопротивлением. Отличается и способ намагничивания: одна половина ротора является южным полюсом, а другая — северным полюсом.
Канавки и насечки имеют одинаковую ширину и совершенно одинаковые размеры на обеих частях, но они смещены друг относительно друга: где зубцы на одной части, там и канавка на другой. Это смещение позволяет двигателю вращаться.
На статоре тоже есть зубья, но они ровные по всей длине, без смещения. Работа этого двигателя представляет собой комбинацию двух описанных выше: ротор пытается выровняться, чтобы обеспечить минимально возможное сопротивление, но в то же время он притягивается и отталкивается парами обмоток, расположенных друг напротив друга.
Сравнение
Двигатели с переменным реактивным сопротивлением являются самыми дешевыми в производстве, но они имеют низкий динамический крутящий момент – усилие, которое они производят для вращения вала, невелико. Им также не хватает крутящего момента покоя, который удерживает вал на месте при отключении питания. По этой причине их можно встретить все реже и их производство постепенно прекращается.
Двигатели с постоянными магнитами имеют момент покоя (их вал не может вращаться без сопротивления) и гораздо более высокий крутящий момент, чем двигатели с переменным сопротивлением. Их недостатком, однако, является низкая разрешающая способность, т.е. достаточно большая величина одного шага — 15° или 7,5°. Точное позиционирование вала невозможно без дополнительных ухищрений со стороны системы управления.
Гибридные двигатели сочетают в себе преимущества обоих двигателей: им может потребоваться до 400 шагов на оборот, поэтому разрешение позиционирования такого привода очень высокое. К сожалению, развиваемые ими скорости вращения не высоки (выполнение такого количества шагов должно занимать некоторое время) и их цена тоже не самая низкая. Однако их охотно используют в промышленности, где разрешение и динамический крутящий момент являются преимуществами, перевешивающими цену.
