Что такое гибридный шаговый двигатель?

Что такое гибридный шаговый двигатель: работа и его применение

Как мы все знаем, основной функцией любого двигателя является преобразование электрической энергии в механическую энергию, скорость и крутящий момент. Таким образом, исключительная особенность шаговых двигателей заключается в том, что они обладают способностью точно управлять управлением, связанным с функциональным углом и скоростью. Давайте начнем с концепции шагового двигателя, а затем перейдем к гибридному шаговому двигателю. Таким образом, шаговый двигатель, который также называется шаговым двигателем, относится к классу бесщеточных электродвигателей, которые делят полный оборот на равные фазы. Таким образом, этому положению двигателя можно дать указание повернуться и остановиться на любой из фаз без использования датчика положения для обратной связи. Теперь мы узнаем о гибридных шаговых двигателях и связанных с ними концепциях.

Определение гибридного шагового двигателя

Благодаря сочетанию характеристик переменного магнитного сопротивления и постоянного магнита разработаны шаговые двигатели. В аналогичном аспекте двигателей с постоянными магнитами гибридные шаговые двигатели также имеют постоянные магниты, присутствующие в зубцах ротора. Пара зубьев, называемых чашками, вращает ротор. Они намагничены, чтобы создать пару полюсов, таких как северный и южный полюса. Кроме того, существуют шаговые двигатели с гибридным управлением, которые обеспечивают повышенную производительность и отклик. В дополнение к системе с открытым контуром, он также обеспечивает преимущества системы с замкнутым контуром.

С помощью этого типа двигателя можно постоянно наблюдать за положением двигателя, а затем водитель может легко переключаться между замкнутым контуром и разомкнутым контуром в зависимости от условий. В общих сценариях соблюдаются функциональные возможности двигателя, а применение управления осуществляется аналогично обычному шаговому двигателю. Когда возникает ошибка между положением двигателя и командой из-за большой нагрузки, система автоматически переключается на замкнутый контур, как у серводвигателя. Это обновляет точный уровень скорости и положения, таким образом поддерживая требуемое положение.

Это все основное теория гибридного шагового двигателя.

Двухфазный шаговый двигатель

Особенности

Вот некоторые особенности гибридного шагового двигателя:

• Упрощенное управление с помощью импульсных сигналов
• Точный контроль позиционирования
• Используя небольшой размер, можно получить высокие значения крутящего момента.
• Сам мотор имеет остановленное положение
• Когда происходит сбой питания, самоорганизующийся крутящий момент двигателя выходит из строя, и двигатель не будет находиться в остановленном положении в вертикальных функциях или при приложении какой-либо внешней силы.

Гибридный шаговый двигатель работает

Подобно двигателям VR, эти гибридные двигатели также имеют полюса статора, и эти полюса называются зубьями. Статор состоит из 8 полюсов, где каждый полюс имеет катушку, а несколько зубцов имеют букву «S». Приведенная ниже теория объясняет конструкция гибридного шагового двигателя и работает.

Строительство и работа

Обычно у статора 40 полюсов, а на каждой крышке 50 зубьев. Итак, здесь количество зубьев статора и ротора равно 40 и 50, и в этом случае угол шага отображается как:

Угол шага = [(50-40)*360]/50*40

= 1.80

Зубья статора и ротора выровнены друг с другом. Оба зубца, имеющиеся на двух концах колпачка, смещены относительно друг друга по центру шага полюса. Поскольку левая и правая торцевые крышки намагничены в осевом направлении, они приобретают полярность, как северный и южный полюса. Катушки, которые присутствуют на 1, 3, 5 и 7 полюсах, имеют последовательное соединение для создания фазы «А». тогда как катушки, которые присутствуют на 2, 4, 6 и 8 полюсах, имеют последовательное соединение для создания фазы «B».

В фазе «А», когда он возбуждается внешним током, 1 и 5 полюса преобразуются в южные полюса, а 3 и 7 — в северные полюса. Теперь, когда фаза «А» не имеет энергии, а фаза «В» работает, ротор будет вращаться на угол 1.80 шага. Это делает фазу «А» отрицательно заряженной. Кроме того, вращение ротора требует отрицательного возбуждения фазы «В». Итак, для создания движения двигателя против часовой стрелки необходим следующий порядок фазовых возбуждений: +А, +В, -А, -В, +В, +А. Принимая во внимание, что для создания движения двигателя по часовой стрелке необходим следующий порядок фазовых возбуждений +A, -B, +B, +A. Это принцип работы гибридного шагового двигателя.

Различные типы

Немногие из типы гибридных шаговых двигателей составляют:

Тип тормоза – Этот тип гибридных двигателей снабжен электромагнитным тормозом без возбуждения. При внезапном отключении электроэнергии тормоз удерживает груз в нужном положении, исключая возможность его падения. Они в основном реализованы для целей вертикальной оси.

Тип редуктора – Гибридные двигатели такого типа снабжены редуктором с сильным позиционным управлением и минимальным люфтом, что повышает управляемость двигателя. Этот редуктор обеспечивает повышенную точность и мягкий функциональный поток, даже если они получают большой крутящий момент.

IP65 – Двигатели такого типа, устойчивые к водяным струям минимального давления и защищенные от пыли, в основном подходят для применения во влажных условиях, таких как производство напитков и пищевая промышленность. Эти двигатели предусматривают отсутствие входа пыли и повышенную защиту от водяных струй.

Другие типы гибридных шаговых двигателей:

• Тип кодировщика
• Основной тип
• интегрированного типа с контроллером и приводом

Сравнение гибридного шагового двигателя с другими двигателями

• Гибридные двигатели имеют минимальный угол шага 1.80 по сравнению с шаговыми двигателями с переменным магнитным сопротивлением или шаговыми двигателями с постоянными магнитами.
• Он имеет повышенный выходной крутящий момент, тогда как для двигателей с переменным сопротивлением он низкий, а для двигателей с постоянными магнитами – умеренный.
• Частота импульсов и скорость гибридных шаговых двигателей и двигателей с переменным сопротивлением высоки.
• Гибридные шаговые двигатели имеют быстрое ускорение и отклик.
• Он производит гораздо меньше шума по сравнению с двигателями с переменным сопротивлением.

преимущества

Немногие из Преимущества гибридного шагового двигателя указаны ниже:

• Каждый шаг, который произошел в двигателе, минимален
• Обеспечивает повышенный крутящий момент
• Двигатель обеспечивает высокий крутящий момент при обесточенных обмотках.
• Работает с повышенной производительностью даже на минимальных скоростях
• Минимальная скорость шага

Недостатки бонуса без депозита

Немногие из недостатки гибридного шагового двигателя указаны ниже:

• Инерция двигателя больше
• Конструкция, вес и конструкция двигателя усложнены из-за наличия в нем магнита ротора.
• Надежность и эффективность двигателя нарушаются при изменении магнитной силы.
• По сравнению с двигателем с переменным сопротивлением гибридные шаговые двигатели несколько экономичны.

Приложения

Применение гибридных шаговых двигателей

• Гибридные шаговые двигатели подойдут для приложений, которым требуется тихая и плавная работа.
• Применяется в системах позиционирования управления движением
• Компьютер и 3D-принтеры
• Объективы камеры
• Сканеры изображений
• Флоппи-дисководы

Это все о подробной концепции гибридных шаговых двигателей, о том, как они устроены, об их принципе работы и преимуществах. Благодаря точному позиционированию и другим преимуществам эти двигатели широко используются во многих промышленных приложениях. Кроме того, знаете ли вы больше о связанных концепциях, таких как схема гибридного шагового двигателя и коммерческих приложениях?

Что такое гибридный шаговый двигатель?

Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе характеристики шаговых двигателей с переменным сопротивлением и шаговых двигателей с постоянными магнитами. В гибридном шаговом двигателе осевой постоянный магнит расположен в середине ротора. Постоянный магнит намагничивается в осевом направлении, образуя пару полюсов, обозначенных буквами N и S, как показано на рисунке 1.

Торцевые заглушки установлены на обоих концах осевого магнита. Торцевые крышки имеют одинаковое количество зубьев, которые намагничиваются соответствующими полярностями осевого магнита. Поперечные сечения двух торцевых крышек ротора показаны на рисунках 2 и 3.

Пусть статор имеет 8 полюсов по одной катушке и 5 зубцов. Таким образом, на статоре имеется 40 полюсов. Кроме того, каждая торцевая крышка ротора имеет 50 зубьев. Следовательно, угол шага шагового двигателя определяется выражением

Где, Н_S число полюсов статора и N_r число полюсов ротора.

На приведенных выше рисунках показан гибридный шаговый двигатель с углом шага 1.8°. На Рисунке 2 видно, что зубья ротора идеально выровнены с зубьями статора. Однако на рисунке 3 видно, что зубья ротора совпадают с пазами статора. Это можно описать, заявив, что зубья двух торцевых крышек смещены друг относительно друга на половину шага зубьев. Постоянный магнит намагничен в осевом направлении, поэтому все зубья на левой торцевой крышке имеют южную полярность, а все зубья на правой торцевой крышке – северную полярность.

Катушки на полюсах 1, 3, 5 и 7 соединены последовательно, образуя фазу А. Точно так же катушки на полюсах 2, 4, 6 и 8 соединены последовательно, образуя фазу В. Когда фаза А находится под напряжением от положительного тока полюса статора 1 и 5 становятся южными полюсами, а полюса статора 3 и 7 становятся северными полюсами. Таким образом, зубцы ротора с северной полярностью совпадают с полюсами статора 1 и 5, а зубцы ротора с южной полярностью совмещены с полюсами статора 3 и 7. Теперь, когда фаза A обесточена, а фаза B находится под напряжением положительный ток, то ротор повернется на полный шаг 1.8° против часовой стрелки.

Далее при подаче питания на фазу А отрицательным током происходит дальнейшее перемещение ротора на угол 1.8° в том же направлении против часовой стрелки. Чтобы повернуть ротор еще на 1.8°, фазу В необходимо запитать отрицательным током. Следовательно, для обеспечения вращения ротора против часовой стрелки с шагом 1.8° фазы должны возбуждаться в последовательности фаз +А, +В, -А, -В, +В, +А,…. Кроме того, для обеспечения вращения ротора по часовой стрелке последовательность фаз должна быть +A, -B, +B, +A….

Теперь, если возбуждение снимается с гибридного шагового двигателя, ротор продолжает оставаться заблокированным в том же положении, что и до снятия возбуждения. Это связано с тем, что ротор не может двигаться в любом направлении из-за фиксирующего момента или сдерживающего момента, создаваемого постоянным магнитом.

Преимущества гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридных шаговых двигателей заключаются в следующем:

Гибридные шаговые двигатели имеют малую длину шага по сравнению с шаговыми двигателями с переменным сопротивлением.

Гибридные шаговые двигатели имеют больший крутящий момент на единицу объема, чем шаговый двигатель VR.

Гибридные шаговые двигатели обеспечивают зубной крутящий момент при обесточенных обмотках.

Гибридные шаговые двигатели имеют меньшую склонность к резонансу.

Гибридные шаговые двигатели имеют высокий КПД при более низких скоростях и более низких шагах.

Недостатки гибридного шагового двигателя

Гибридный шаговый двигатель имеет следующие недостатки:

На производительность гибридного шагового двигателя влияет изменение магнитной силы.

Гибридный шаговый двигатель имеет высокую инерцию и вес благодаря наличию магнита ротора.

Гибридные шаговые двигатели дороже, чем шаговые двигатели с переменным сопротивлением.

Основы шагового двигателя: PM против VR против гибрида

На рынке доступны три основных типа шаговых двигателей: тип PM (постоянный магнит), тип VR (переменное сопротивление) и гибридный тип. Каковы различия, какой из них следует использовать и как они работают?

Давайте быстро рассмотрим, что делает шаговый двигатель. Шаговые двигатели вращаются с определенным приращением «шагов» без обратной связи с энкодером или сложных ПИД-контуров. Величина и скорость вращения легко регулируются количеством импульсов и частотой, а шаговый двигатель обеспечивает высокую точность остановки с точностью ±3 угловых минуты (±0.05°). Удерживающий момент создается без электромагнитного тормоза, когда шаговый двигатель включен, но находится в состоянии покоя. Они идеально подходят для недорогих приложений, где двигатели должны точно останавливаться и обеспечивать удерживающий момент.

Конструкция шагового двигателя влияет на его характеристики. В ближайшие несколько минут я расскажу о трех типах шаговых двигателей, представленных на рынке, и о том, почему один из них предпочтительнее других.

ПМ типа «Постоянный магнит»

Это шаговый двигатель, ротор которого состоит из двух роторов с постоянными магнитами, слегка смещенных друг относительно друга. Постоянный магнит намагничен в осевом направлении; это означает, что северный и южный полюса чередуются и находятся на одной оси с валом двигателя. Когда ток подается на обмотки, полюса статора намагничиваются и совпадают с противоположными полюсами ротора с постоянными магнитами. Например, северные полюса будут располагаться прямо напротив южных полюсов.

Широко используемый шаговый двигатель с постоянными магнитами представляет собой двухфазный кулачковый двигатель, как показано ниже.

На изображении ниже показаны ротор и статор, в которых подается ток, так что полюс A1 намагничивается к южному полюсу, а полюс A2 намагничивается к северному полюсу, поэтому притягиваются противоположные полюса от постоянных магнитов ротора. Если ток переключится с фазы A на фазу B, чтобы намагнитить B1 к южному полюсу, а B2 к северному полюсу, ротор повернется на 90° по часовой стрелке.

Угол шага представлен следующим образом через количество полюсов ротора (Np) и количество фаз (Nphase). Если количество полюсов или количество фаз увеличится, угол шага уменьшится. Однако по мере увеличения числа полюсов магнитная сила и крутящий момент также становятся слабее.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами прост по конструкции и недорог в производстве. Постоянные магниты позволяют шаговым двигателям типа PM развивать более высокий крутящий момент. Однако скоростные характеристики ограничены из-за больших потерь при вращении. Шаговый двигатель типа PM часто используется для простого позиционирования, поскольку его разрешение, как правило, больше, чем у других типов (например, 3.6° или больше). Для более высокого разрешения рекомендуется использовать полушаг или микрошаг. С микрошагом способность драйвера точно контролировать ток в каждой фазе становится все более важной для определения повторяющейся точности положения двигателя. Еще одно отличие состоит в том, что в шаговых двигателях с постоянными магнитами используются драйверы постоянного напряжения, которые сложнее использовать, чем драйверы прерывателя постоянного тока.

Тип VR «Переменное магнитное сопротивление»

Это шаговый двигатель, который имеет зубья на роторе и статоре, где сосредоточены магнитные силы. Он предлагает самый простой дизайн из трех типов, обсуждаемых здесь. На изображении ниже показан трехфазный шаговый двигатель типа VR с 3 полюсами и 8 слотами. Ферромагнитный материал, такой как железо, используется для большинства магнитных сердечников из-за его распространенности на Земле и его способности легко пропускать магнитный поток. Шаговый двигатель типа VR не имеет магнитов, что означает, что он не может выдавать удерживающий момент или фиксирующий момент в состоянии покоя.

На изображении ниже показан пример 4-полюсного шагового двигателя типа VR с 6 слотами. «Зубья» ротора притягиваются к намагниченным полюсам статора. Полюса статора на каждой стороне ротора намагничены с севера и юга путем намотки полюсов в обратном порядке.

На изображениях ниже мы показываем состояние «Возбуждение фазы B» слева. В этом состоянии ближайшие зубья от ротора выровняются с ближайшим магнитным полюсом на статоре. Ротор будет вращаться против часовой стрелки на 30°, пока зубья не выровняются друг относительно друга (см. «Положение остановки фазы B»). Теперь, когда фаза C возбуждена таким же образом, ротор повернется на 60°, пока зубья не выровняются с фазой C.

Фаза B взволнована	Положение остановки фазы B	Стоп Положение фазы C

Преимущество шагового двигателя типа ВР заключается в том, что нет необходимости изменять полярность полюсов статора, что позволяет упростить схему его привода. Его недостатком является невозможность точного управления крутящим моментом, поскольку крутящий момент пропорционален квадрату тока, а не току. Однако, поскольку в нем не используются постоянные магниты, его высокоскоростные характеристики лучше, чем у шагового двигателя с постоянными магнитами.

Угол шага шагового двигателя типа VR представлен следующей формулой. Np — количество зубьев ротора, а Nphase — количество фаз. Для более точных разрешений эффективно увеличить количество зубьев ротора. Однако, если количество пазов статора также увеличивается, конструкция становится очень сложной в изготовлении. На изображении ниже показана конструкция ротора и статора с 50 зубьями. Это 4-фазный шаговый двигатель, в котором обмотка разделена на 4 группы. Если ввести Np = 50 и Nphase = 4, угол шага составит 1.8°.

Шаговые двигатели типа VR существуют уже давно. Эти двигатели имеют меньшее падение крутящего момента при более высоких скоростях двигателя, поэтому они часто являются лучшим выбором, чем шаговые двигатели с постоянными магнитами, для приложений со средней и высокой скоростью. Однако известно, что они производят больше шума, поэтому область их применения ограничена. Шаговые двигатели типа VR менее распространены на рынке, чем шаговые двигатели типа PM.

Гибридный шаговый двигатель

Шаговый двигатель «гибридного» типа сочетает в себе конструкцию и преимущества шаговых двигателей с постоянным магнитом и с переменным сопротивлением. Поэтому в конструкции шагового двигателя гибридного типа используется как ротор с постоянными магнитами, так и зубчатый ротор и статор. С сильными постоянными магнитами, зубчатым ротором, зубчатым статором и крошечным воздушным зазором шаговый двигатель гибридного типа способен фокусировать магнитный поток лучше, чем два других типа. Низкие потери достигаются за счет укладки пластин из магнитной стали, которые легко пропускают магнитный поток.

Конструкция шагового двигателя гибридного типа начинается с двух чашек ротора (ротора 1 и ротора 2) и сильного постоянного магнита из редкоземельных металлов, намагниченного в осевом направлении. Два шарикоподшипника крепят ротор к корпусу двигателя. На роторах имеется либо 50 зубьев (1.8° на шаг), либо 100 зубьев (0.9° на шаг). Один ротор намагничен как северный полюс, а другой ротор намагничен как южный полюс. Каждый зубец на чашках ротора становится магнитным полюсом.

На двух изображениях ниже мы показываем два ротора сверху вниз; начиная с северного полюса ротора сверху. Две чашки ротора разного цвета. Красный — это ротор северного полюса, а синий — ротор южного полюса.

Поскольку зубьев 50, полный шаг составляет 7.2°. Две чашки ротора смещены на половину шага (3.6°), поэтому зубья южного полюса ротора 1 выровнены между зубьями северного полюса ротора 2. На виде поперечного сечения ротора вы можете ясно видеть, что Зубья северного и южного полюсов чередуются из-за смещения двух чашек ротора. Когда обмотки запитываются или возбуждаются драйвером, полюса статора превращаются в электромагниты, а ротор с постоянными магнитами следует за ними как притягивающим, так и толкающим эффектом и останавливается с фиксированными шагами. Северные полюса статора будут притягивать южные полюса ротора, и наоборот.

Статор имеет восемь полюсов. Когда обмотки наматываются на основные полюса и подается ток, каждый полюс намагничивается к северному полюсу или южному полюсу. Направление тока может определить магнитную полярность. При возбуждении два полюса на противоположных сторонах имеют одинаковую полярность, а два полюса, расположенные под углом 90° к этим полюсам, имеют противоположную полярность. Основные полюса, возбуждаемые вместе, называются «фазами» и могут быть разделены на две фазы (фазу А и фазу В). Вот почему он называется «двухфазным» шаговым двигателем.

Угол шага шагового двигателя гибридного типа обратно пропорционален количеству малых зубцов на роторе ZR и числу фаз n. Знаменатель 2 указывает, что основные полюса статора могут быть настроены на два состояния: северный полюс и южный полюс. Это фундаментальное конструктивное различие между шаговыми двигателями типа VR и гибридного типа.

Смещение расположения зубов	Фаза А	Фаза B взволнована

Причина, по которой шаговые двигатели гибридного типа вращаются на 1.8° за шаг, заключается в том, что двигатель перемещается только на четверть шага зубьев за шаг из-за геометрической конструкции между ротором и статором. Когда фаза A возбуждается, когда южный полюс и ее зубья статора прямо выровнены с зубьями северного полюса от ротора, зубцы статора фазы B фактически смещены от зубцов ротора на 1.8 °. Это называется смещением зубьев и является причиной того, что двухфазный шаговый двигатель гибридного типа вращается на 1.8 ° за шаг.

Для шагового двигателя с шагом 0.9 ° оба зубца ротора необходимо увеличить до 100. Что-либо более 100 зубцов изготовить довольно сложно.

В шаговых двигателях гибридного типа высокий крутящий момент может быть получен за счет постоянных магнитов из редкоземельных металлов, в то время как высокое разрешение, получаемое за счет малых зубцов, сохраняется. Кроме того, соотношение между током и крутящим моментом близко к пропорциональному; что делает его более легким в управлении, чем шаговый двигатель типа VR. Шаговые двигатели гибридного типа также могут достигать более высокого разрешения (например: 0.72° на полный шаг / 500 шагов на оборот). Еще более высокое разрешение может быть достигнуто с помощью микрошага.

Заключение

• Тип PM (постоянный магнит): используются постоянные магниты, умеренный крутящий момент, низкая и средняя скорость
• Тип VR (переменное магнитное сопротивление): зубчатый ротор/статор, низкий крутящий момент, средняя и высокая скорость
• Гибридный тип: сочетает в себе постоянные магниты и зубья, хорошее сочетание крутящего момента и скорости

Наиболее популярными шаговыми двигателями на рынке являются гибридные двигатели, поскольку они обеспечивают наилучшие характеристики, хотя и стоят дороже. Гибридные шаговые двигатели хорошо подходят для большинства приложений, в то время как шаговые двигатели с постоянным магнитом или переменным сопротивлением ограничены определенными приложениями. В последние годы шаговые двигатели становятся все более «умными» благодаря технологическим усовершенствованиям функций, распределенному управлению и простоте программирования. К шаговому двигателю можно добавить редукторы и систему обратной связи с обратной связью, чтобы расширить область его применения. Работа с производителем, который может предоставить все необходимые компоненты и обучение, может облегчить жизнь.

Хотите узнать больше?
Узнайте больше об основах шаговых двигателей из наших технических статей и технических документов.