Silnik krokowy hybrydowy

Znaczenie i działanie hybrydowego silnika krokowego

Termin „Hybrydowy” oznacza połączenie lub mieszankę. Hybrydowy silnik krokowy integruje cechy zarówno zmiennoprądowego silnika krokowego opartego na wahaniu się (Variable Reluctance Stepper Motor) jak i silnika krokowego z magnesem trwałym (Permanent Magnet Steper Motor). W centralnej części rotora znajduje się osiowy magnes stały. Ten magnes jest namagnesowany w celu wygenerowania pary biegunów, czyli bieguna północnego (N) i bieguna południowego (S), jak pokazano na poniższym rysunku：

Na obu końcach osiowego magnesu są zamontowane nakładki. Te nakładki mają taką samą liczbę zębów, które są namagnesowywane przez magnes. Poniżej przedstawiono przekrój poprzeczny dwóch nakładek na końcu rotora:

Stator wyposażony jest w 8 biegunów, każdy z nich ma cewkę i S zębów. Łącznie na statorze znajduje się 40 zębów. Każdy koniec rotora ma 50 zębów. Biorąc pod uwagę, że liczba zębów na statorze i rotorze wynosi odpowiednio 40 i 50, kąt kroku może być wyrażony następująco:

Mechanika działania

W hybrydowym silniku krokowym zęby rotora początkowo idealnie się wyrównują z zębami statora. Zęby na dwóch końcach rotora są jednak przesunięte względem siebie o połowę długości biegunu. Dzięki osiowej namagnesowaniu centralnego magnesu stałego, zęby na lewej nakładce są namagnesowane jako bieguny południowe, podczas gdy te na prawej nakładce mają polaryzację bieguna północnego.

Bieguny statora są skonfigurowane parami do elektrycznego pobudzenia. Konkretnie, cewki na biegunach 1, 3, 5 i 7 są połączone szeregowo, tworząc fazę A, podczas gdy cewki na biegunach 2, 4, 6 i 8 są połączone szeregowo, tworząc fazę B. Gdy faza A jest pobudzana dodatnim prądem, bieguny statora 1 i 5 stają się biegunami południowymi, a bieguny 3 i 7 przekształcają się w bieguny północne.

Obrót silnika jest dokładnie kontrolowany za pomocą określonej sekwencji pobudzania faz. Gdy faza A jest odłączona, a faza B jest aktywowana, rotor obraca się o pełny kąt kroku 1.8° w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Odwrócenie kierunku prądu do fazy A (aktywacja ujemnym prądem) powoduje, że rotor przesuwa się dodatkowo o 1.8° w tym samym kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Dla ciągłego obrotu, faza B musi być następnie aktywowana ujemnym prądem. Aby uzyskać obrót przeciwny do ruchu wskazówek zegara, fazy są aktywowane w sekwencji: +A, +B, -A, -B, +B, +A, i tak dalej. Natomiast obrót zgodny z ruchem wskazówek zegara jest osiągany poprzez postępowanie według sekwencji +A, -B, +B, +A, i powtarzanie tego cyklu.

Kluczowe Zalety

Jedną z najbardziej znaczących cech hybrydowego silnika krokowego jest jego zdolność do utrzymania pozycji nawet po odcięciu zasilania. To zjawisko występuje dlatego, że magnes stały generuje moment detencyjny, który utrzymuje rotor w miejscu. Inne istotne zalety to:

• Dokładna rozdzielczość: Mała długość kroku umożliwia bardzo precyzyjne pozycjonowanie, co sprawia, że jest odpowiedni dla aplikacji wymagających dokładności.

• Wysoki moment obrotowy: Silnik może generować znaczny moment obrotowy, co pozwala mu efektywnie napędzać ciężkie obciążenia.

• Stabilność po wyłączeniu zasilania: Nawet przy odłączonych cewkach, moment detencyjny zapewnia, że rotor pozostaje nieruchomy.

• Optymalna wydajność przy niskich prędkościach: Działa z wysoką wydajnością przy niższych prędkościach, co jest idealne dla aplikacji, gdzie potrzebny jest wolny, kontrolowany ruch.

• Gładkie działanie: Niższa częstotliwość kroków przyczynia się do gładkiego ruchu, zmniejszając drgania i hałas.

Ograniczenia

Pomimo wielu zalet, hybrydowy silnik krokowy ma kilka wad:

• Większa bezwładność: Konstrukcja silnika prowadzi do większej bezwładności, co może spowolnić przyspieszenie i ograniczyć reakcję na szybkie zmiany poleceń ruchu.

• Większa masa: Obecność magnesu w rotorze zwiększa ogólną masę silnika, co może stanowić problem w aplikacjach, gdzie ważna jest masa.

• Czułość magnetyczna: Jakiekolwiek fluktuacje siły magnetycznej magnesu stałego mogą znacząco wpłynąć na wydajność silnika, prowadząc do niestabilnego działania.

• Koszt: W porównaniu do silników opartych na wahaniu się, hybrydowe silniki krokowe są ogólnie droższe, co może zwiększyć całkowity koszt projektów, w których są używane.

Podsumowując, hybrydowy silnik krokowy oferuje unikalną kombinację zalet i ograniczeń. Zrozumienie tych cech jest kluczowe do wyboru najodpowiedniejszego silnika dla konkretnej aplikacji w dziedzinach automatyzacji, robotyki i precyzyjnego sterowania.