Шаговый двигатель мощность и обороты

Сравнение сервоприводов и шаговых двигателей

1. Физика процесса

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить проводник и под действием какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем возникает Э.Д.С. равная:

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник,
l — активная длина проводника (та его часть, которая находится в магнитном поле),
v — скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энергии, то в замкнутой цепи под действием Э.Д.С. будет протекать ток, совпадающий по направлению с Э.Д.С. в проводнике. В результате взаимодействия тока I в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Fэ, направление которой определяется по правилу левой руки; эта сила будет направлена навстречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле. При равенстве сил F1 = Fэ проводник будет перемещаться с постоянной скоростью. Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Рэ, под действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии.

Рисунок 2 — Физика процесса

Таким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электрическая машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. Для увеличения Э.Д.С. и электромеханических сил электрические машины снабжаются обмотками, состоящими из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы Э.Д.С. в них имели одинаковое направление и складывались. Э.Д.С. в проводнике будет индуктирована также и в том случае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.

2. Асинхронные двигатели

Наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.Асинхронный двигатель имеет статор (неподвижная часть) и ротор (подвижная часть), разделенные воздушным зазором, ротор крепится на подшипниках. Активными частями являются обмотки; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным. Фазный ротор используют когда необходимо создать большой пусковой момент. К ротору подводят ток и в результате уже возникает магнитный поток необходимый для создания момента.

На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции возникает электрический ток т. к. изменяется магнитный поток, проходящий через замкнутый контур ротора. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности создает вращающийся электромагнитный момент ротора из-за того, что индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре ротора, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток. Следовательно и возникает вращение.Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора Э.Д.С. и, в свою очередь, создавать крутящий момент.

Рисунок 3 — Вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе

На рисунке приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе:

2 — сердечник статора,

3 — обмотка статора,

4 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой,

3. Синхронные двигатели

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от асинхронных. На статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого n = 60f/p, где f — частота напряжения питания привода. На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включаемая в сеть источника постоянного тока. Либо ротор выполнен из постоянного магнита. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов или в случае с постоянным магнитом, магнитный поток уже создан. Вращающееся магнитное поле, полученное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Достоинством синхронных двигателей является меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения. Вращающий момент синхронного двигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный поток поля статора.

4. Шаговые двигатели

Шаговые двигатели — это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. По сути шаговый двигатель является синхронным, но отличается подходом управления. Рассмотрим самые распространенные.

5. Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Такой двигатель имеет величину шага 30°. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48—24 шага на оборот (угол шага 7,5—15°). Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной Э.Д.С. со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость.

6. Гибридные двигатели

Являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3,6…0,9°). Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6° двигателей и 8 основных полюсов для 1,8…0,9° двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя:

где Nph — число эквивалентных полюсов на фазу, равное числу полюсов ротора,
Ph — число фаз,
N — полное количество полюсов для всех фаз вместе.

7. Сервопривод

Сервопривод — общее название привода, синхронного, асинхронного либо любого другого, с отрицательной обратной связью по положению, моменту и др. параметрам, позволяющего точно управлять параметрами движения. Сервопривод – это комплекс технических средств. Состав сервопривода: привод – например, электромотор, датчик обратной связи – например, датчик угла поворота выходного вала редуктора (энкодер), блок питания и управления (он же преобразователь частоты сервоусилитель инвертор servodrive). Мощность двигателей: 0,05…15 кВт. Существует понятие «вентильный двигатель». Это всего лишь названия для двигателя, управление которым осуществляется через «вентили» – ключи, переключатели и т. п. коммутационные элементы. Современными «вентилями» являются IGBT-транзисторы использующиеся в блоках управления приводами. Никакого конструктивного отличия нет. Основным достоинством сервоприводов является наличие обратной связи, благодаря которой такая система может поддерживать точность позиционирования на высоких скоростях и высоких моментах. Также систему отличает низкоинерционность и высокие динамические характеристики, например время переключения от скорости –3 000 об/мин до достижения 3 000 об/мин составляет всего 0,1 с. Современные блоки управления являются высокотехнологическими изделиями со сложной системой управления и могут обеспечить выполнение практически любой задачи.

Характеристики системы сервопривода рассмотрим основываясь на сервоприводах фирмы Delta elc. Серии блока управления ASDA-A и двигателем 400 Вт. Как видно поддержание момента линейное на всем диапазоне скоростей. Это достигается благодаря использованию синхронного двигателя в высококачественном исполнении. Величина шага перемещения определяется разрешающей способностью датчика обратной связи, энкодера, а так же блоком управления. Стандартные сервоприводы могут обеспечить шаг в 0,036° т. е. 1/10 000 от оборота, и это на скоростях до 5 000 об/мин.

Самые современные сервоприводы отрабатывают шаг в 1/2 500 000.

* — Динамическая точность — максимальное отклонение реальной траектории перемещения инструмента от запрограммированной

8. Вывод

Сервопривод и шаговый двигатель не являются конкурентами, а каждый занимает свою определенную нишу. Сравним их на основе рынка станков с ЧПУ. Применение шаговых двигателей полностью оправданно для применения в недорогих станках с ЧПУ (в ценовой категории до 10—12 тыс. USD), предназначенных для обработки дерева, пластиков, ДСП, МДФ, легких металлов и других материалов средней скорости.Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Единственный «недостаток» хорошего сервопривода – это его высокая стоимость. К примеру, станок ATS-760 на шаговых приводах стоит 11 000 $, а эта же модель, но на сервоприводах стоит 17 500 $. Однако возможности получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, высокая помехоустойчивость, малые габариты и вес часто являются решающими факторами их применения. Добившись одинаковых качеств от сервопривода и шагового их стоимости станут соизмеримыми при однозначном лидерстве сервопривода.

Шаговый двигатель мощность и обороты

Для замены в оборудовании асинхронного двигателя на сервошаговый привод необходимо выбрать привод так, чтобы он полностью соответствовал мощности. Шаговый привод не имеет номинальной мощности, мощность ШД изменчива. Она большая в момент удержания и продолжает расти с определенной скоростью до “точки прорыва”, далее мощность плавно опускается, но ее феромагнитные потери повышаются. При том, с ростом скорости моментально падает крутящийся момент. График этого падения часто принимают как линейный.

Чтобы найти необходимый привод будем использовать опытные приближения.

Для подбора привода с определенной мощностью на ШД, определим сначала момент(выдаваемый мотором) и скорость вращения. Представим, что со скоростью 200 об/мин. от привода необходим момент Md = 10Нм. Чтобы рассчитать мощность, воспользуемся приближенной формулой для двигателя Р, которое на практике поможет оценивать:

P = Md × n × 0.1 = 200 Вт

Это приближение помогает определять прямо с графика мощность двигателя. Скорость и мощность вращения асинхронного двигателя в данный момент мы знаем. Следовательно, из выше указанной формулы выражаем момент.

Md = P / (n × ˜0.1) или Md = P × z/6.28 × f

где z – число полных шагов на оборот, f- частота шагов(Гц).

После чего, по скорости и моменту вращения можно выбирать двигатель, обращая внимание на кривую момента и на документацию. Для каждой системы передач, требуемых узлов и механизмов, есть свои тонкости в расчетах.

Расчет шагового двигателя для грузоподъемной установки:

Кинетическая энергия системы: E=(1/2) m V 2 (1/2) J ω 2 (1/2) J_двω 2 =(1/2) J_прω 2 ,

Производная от кинетической энергии по времени: dE/dt = J_прω ε

где J_дв – момент инерции ротора двигателя;

J_пр=mR 2 J J_дв – приведенный момент инерции;

Мощность внешних сил в системе:

Мощность силы трения: P_Fтр = -F_трV

Мощность крутящего момента: P_M=Mω

Сумма мощностей всех сил: ∑P_i=Mω – (mg V sinαF_трV)

Учитывая, что V= ωR

Производная от кинетической энергии по времени определяется мощностями внешних сил:

Откуда величина вращающего момента M, который нужно приложить к барабану, чтобы его угловое ускорение было равно ε:

M = J_прε(mg sinαF_тр)R = (mR 2 J) ε(mg sinα F_тр)R

Соотношение между частотой отработки шагов двигателя ν и угловой скоростью ω: ω=H*ν/(2π), где H=360/φ – количество шагов (микрошагов) в одном полном обороте двигателя. Скорость подъема: V=ωR=HνR/(2π) Частота отработки шагов ν, необходимая для поъема груза со скоростью V ν=V2π/(HR), в полушаге (т.е. при φ=0,9 и H=400) ν=Vπ/(200R) Ротор шагового двигателя, начинающий отработку шагов с частотой ν на первом шаге движется с ускорением: ε=νω=ν 2 H/(2π)=2πV 2 /(HR 2 ) Требуемый момент на валу шагового двигателя, который сможет поднимать груз со скоростью V:

M_шд=(mR 2 J)Hν 2 (2π)(mg sinαF_тр)R

M_шд=(2π/H)*(V 2 /R 2 ) (mR 2 J) (mg sinαF_тр)R

Выбор шагового двигателя для транспортной тележки:

Кинетическая энергия системы: E=(1/2) m₁ V 2 2(1/2 m₂V 2 1/2 J_zω 2 1/2 J_двω 2 )=1/2 m_прV 2

где J_дв – момент инерции ротора двигателя;

J_z=m₂R 2 – момент инерции колеса относительно его оси;

Производная от кинетической энергии по времени: dE/dt = 1/2 m_пр 2V dV/dt = m_прVa

Момент сопротивления качению: M_ск=fmg

Откуда требуемый момент на валу двигателя:

M = Rm_прaf(m₁g2m₂g)

Определение требуемого крутящего момента шагового двигателя в системах с винтовыми передачами:

Ход резьбы за 1 полный оборот:Ph=nP,

где P- шаг резьбы, n – число заходов.

Угол подъема резьбы:φ = arctg(nP/πd)

M = Fd/2 = 1/2 Qd tgφ

Определение требуемого крутящего момента шагового двигателя в системе с вращающимся цилиндром:

Для определения крутящего момента в системе с вращающимся цилиндром, необходимо знать момент инерции цилиндра:

Сплошной цилиндр, относительно оси a: J = 1/2 m * r 2 .

Полый цилиндр, относительно оси a: J = 1/2 * m * (r 2 r₀ 2 )

Кинетическая энергия системы:E=1/2(JJ_дв)ω 2

Производная от кинетической энергии по времени:dE/dt = (JJ_дв) ω ε

Мощности внешних сил в системе:

мощность момента трения: P_тр=M_трω

мощность крутящего момента: P_M=Mω

сумма мощностей всех сил: ∑P_i=Mω – M_трω

Производная кинетической энергии по времени определяется мощностями внешних сил:dE/dt=∑P_i;, или (JJ_дв) ω ε = Mω – M_трω

Величина вращающего момента M:

M=(JJ_дв) ε M_тр

Определение крутящего момента шагового двигателя в механизмах с реечной передачей

Для определения крутящего момента в системе с вращающимся цилиндром, необходимо знать момент инерции:

Момент инерции шестеренки определяется следующим образом: J_шест = 1/2 * m_шест * R _рол 2 .

Момент инерции зубчатой рейки: J_рейки = m_рейки * R 2 .

Суммарный момент инерции шестеренки и рейки: J_сумм = J_шестJ_рейки

Кинетическая энергия системы:E=1/2 J_двω 2 1/2 J ω 2 1/2 mV 2 =1/2 m_прω 2 ,

где m_пр=m(J_двJ)/R 2 – приведенная масса системы

Производная от кинетической энергии по времени:dE/dt = m_прVa

Суммарная мощность всех сил:∑P_i=(M-f_тр(mg))V/R

Производная от кинетической энергии по времени определяется мощностями внешних сил:dE/dt=∑P_i или m_прVa = (M – f_тр (mg))V/r

Величина вращающего момента M, который нужно приложить к шестерне, чтобы угловое ускорение было равно a:

Выбор шагового двигателя

Как выбрать шаговый двигатель

В статье содержатся базовые сведения о работе шагового двигателя и рекомендации по способу подбора.

Шаговый двигатель — устройство с постоянной мощностью, если мощность определить как момент, умноженный на скорость. Это означает, что крутящий момент обратно пропорционален скорости. Чтобы уяснить, почему мощность мотора не зависит от скорости, представим себе идеальный шаговый двигатель.

В настоящее время рынок наполнен предложениями самых разнообразных двигателей, для самых разнообразных приложений, что немудрено запутаться при выборе шагового двигателя, даже если вы подготовились и изучили свойства шаговых моторов, узнали их основное свойство терять момент с ростом скорости вращения и, оценив момент инерции нагрузки, приведенной к валу, примерно определили какой крутящий момент на каких скоростях нужно получить от шаговика. Так как все же выбрать шаговый двигатель и на что необходимо первым делом посмотреть при покупке?

1. Тип двигателя — биполярный, униполярный, 3-фазный и т.п.

Ни один из типов двигателей не имеет каких-то радикальных преимуществ перед другими. Но у каждого из них есть свои небольшие особенности. Так, 3-фазные двигатели более скоростные — имеют меньший момент, чем биполярные такого же размера, но сохраняют его лучше, тем самым их хорошо использовать с редукторами, в скоростных передачах. Биполярные — наиболее распространенные, дают высокий удельный на малых оборотах, под них легко купить драйвер взамен вышедшего из строя. Униполярные — представляют собой гибкое решение, по сути заключают в себе несколько видов биполярных двигателей (в зависимости от того, как подключить обмотки), а также собственно униполярный 6-выводной мотор. В подавляющем большинстве биполярных достаточно, а если нужна высокая скорость вращения — имеет смысл использовать 3-фазный двигатель.

2. График зависимости момента от скорости

Основная характеристика. С этим графиком можно свериться и проверить, может ли данный шаговый двигатель вообще удовлетворить условиям вашего техзадания.

3. Индуктивность

Вычислите квадратный корень из индуктивности обмотки и умножьте на 32, полученное число сравните с напряжением вашего источника питания для драйвера. Эти числа не должны сильно отличаться — если напряжение питания сильно(30 и более %) превышает полученное число, двигатель будет шуметь и греться; если же сильно не дотягивает — крутящий момент будет убывать со скоростью слишком быстро.

4. Геометрические параметры

Фланец, диаметр вала — важны как присоединительные размеры. Фланец вкупе с длиной двигателя также обрисовывает «мощность» шагового двигателя.

Регулятор оборотов двигателя US-52 25W

Регулятор оборотов двигателя US-52 25W

US-52 25W — устройство для плавной и точной регулировки оборотов однофазного асинхронного электродвигателя переменного тока с таходатчиком мощностью до 25 Вт. Данная модель регулятора способна поддерживать заданные обороты двигателя при нагрузке увеличивая его мощность (осуществляется обратная связь между US-52 и двигателем через таходатчик). На задней панели устройства присутствуют контакты с помощью которых можно контролировать направление вращения двигателя («СОМ» замкнут на «CW» — двигатель вращается по часовой стрелке; «СОМ» замкнут на «CСW» — двигатель вращается против часовой стрелки.)

Применение: сверлильные, фрезерные и гравировальные станки, шлифовальные устройства, системы вентиляции, смесители, швейное оборудование и т. п.

Особенности:

Широкий диапазон регулировки скорости

Простота в использовании

Длительный строк службы

Технические характеристики:

Модель: US-52 25W

Управление направлением вращения двигателя: поддерживает

Напряжение питания: 220 В (переменный ток) 50/60 Гц

Мощность соответствующего двигателя: до 25 Вт

Диапазон регулировки скорости: 90

1400 об/мин мин. 50 Гц; 90

1700 об/мин мин. 60 Гц

Материал корпуса: АБС-пластик

Рабочая температура окружающей среды: -10. +50 °С

Температура хранения: -20. +60 °С

Габаритные размеры: 115х60х100 мм

Габаритные размеры:

Схема подключения:

• Регулятор оборотов двигателя US-52 25W(1 шт.)

Реверсивный двигатель 4RK25RGN-C c цилиндрическим редуктором 4GN-7.5-K (редукция 1:7.5)

Смотрите все наши объявления

• Цена: 431 грн.

• Нет в наличии
• Код: 05-101

* Время указано для региона: Украина, Березне

Условия возврата и обмена

Компания осуществляет возврат и обмен этого товара в соответствии с требованиями законодательства.

Сроки возврата

Возврат возможен в течение 14 дней после получения (для товаров надлежащего качества).

Обратная доставка товаров осуществляется по договоренности.