Как работает трехфазный шаговый двигатель?

Что такое трёхфазный шаговый двигатель?

Трехфазный шаговый двигатель — это бесщеточный синхронный двигатель, преобразующий электрические импульсные сигналы в точное механическое движение. Его статор содержит трехфазные обмотки, а ротор обычно имеет конструкцию с постоянными магнитами или гибридной магнитной структурой.

В отличие от обычного трехфазного шагового двигателя, который непрерывно вращается в соответствии с вращающимся магнитным полем и условиями нагрузки, трехфазный шаговый двигатель перемещается с контролируемым угловым шагом. Это делает его подходящим для применений, требующих точного позиционирования, повторяемого регулирования скорости и надежного удерживающего момента.

Итальянский термин motore trifase обычно обозначает двигатель, работающий от трехфазной электрической системы. Однако трехфазные двигатели могут использовать различные принципы работы, включая асинхронные, синхронные и шаговые технологии.

Структура трехфазного шагового двигателя

Статор двигателя состоит из магнитных полюсов и трех групп фазных обмоток. Поскольку количество полюсов статора должно соответствовать трем фазам, в распространенных конструкциях могут использоваться 3, 6, 9 или 12 основных полюсов.

В практических конструкциях электродвигателей часто используется шесть или более полюсов статора для получения следующих характеристик:

  • Более сбалансированные электромагнитные силы
  • Снижен уровень вибрации и механического шума.
  • Более плавное движение ротора
  • Улучшенное распределение крутящего момента
  • Более высокая точность позиционирования

Полюса статора и ротор изготавливаются с мелкими зубьями. Взаимодействие шага зубьев статора и шага зубьев ротора обеспечивает малый угол шага и высокое угловое разрешение.

Роторные конструкции с постоянными магнитами и гибридные роторы также могут обеспечивать более высокий крутящий момент, чем традиционные конструкции с переменным магнитным сопротивлением.

Принцип работы трехфазного шагового двигателя

Основной принцип работы — последовательное фазовое возбуждение. Драйвер подает питание на три обмотки статора в заданной последовательности, создавая магнитное поле, направление которого изменяется пошагово.

Ротор выравнивается в соответствии с каждым новым положением магнитного поля. При каждом изменении последовательности возбуждения ротор перемещается на один шаг. Изменение последовательности фаз меняет направление вращения двигателя.

Скорость вращения зависит от частоты входного импульса:

  • Более высокая частота импульсов приводит к более высокой скорости вращения двигателя.
  • Более низкая частота импульсов приводит к более низкой скорости вращения двигателя.
  • Количество импульсов определяет общий угол поворота.
  • Последовательность фаз определяет направление вращения.

В драйвере обычно используется проводимость под углом 120 градусов. В течение каждого электрического интервала выбранные обмотки проводят ток и создают результирующий магнитный момент. Электронная регулировка тока может дополнительно улучшить стабильность на низких скоростях, характеристики разгона и крутящий момент на высоких скоростях.

Соединения обмоток «звезда» и «треугольник»

Трехфазные обмотки обычно соединяются по схеме «звезда», также называемой «Y», или по схеме «треугольник».

Звездная связь

В звездообразном соединении в токовом пути при каждом состоянии возбуждения фактически участвуют две фазные обмотки. Поскольку обмотки работают как последовательная цепь, общая индуктивность относительно высока.

Звездное соединение предоставляет ряд преимуществ:

  • Снижение требуемого тока в линии
  • Хороший крутящий момент на низких оборотах
  • Простая конструкция драйвера
  • Плавная и стабильная работа

Однако реактивное сопротивление обмотки увеличивается со скоростью вращения. Это может ограничивать рост фазного тока и приводить к уменьшению доступного крутящего момента при более высоких скоростях вращения.

Дельта-соединение

При соединении по схеме «треугольник» обмотки образуют замкнутую треугольную цепь. Как правило, для этого требуется больший линейный ток, чем для аналогичного соединения по схеме «звезда», поэтому номинальные параметры двигателя и драйвера должны быть тщательно подобраны.

К его основным характеристикам относятся:

  • Более быстрая реакция на ток обмотки
  • Улучшенный крутящий момент на высоких оборотах
  • Более высокая потенциальная скорость работы
  • Повышенные требования к силе тока водителя

При сопоставимых условиях возбуждения требуемый ток в цепи «треугольник» может быть приблизительно в 3 раза больше соответствующего тока в цепи «звезда». Точное соотношение зависит от характеристик обмоток, приложенного напряжения, управления драйвером и конструкции двигателя.

Для применений, требующих более высокой скорости, подходящим выбором может стать трехфазный двигатель с треугольным соединением фаз.

Независимый трехфазный привод обмотки

Двигатель с шестью доступными клеммами обмоток также может использовать независимое H-образное управление. В этой конфигурации каждая обмотка получает отдельно управляемое биполярное напряжение.

Независимое управление намоткой обеспечивает большую гибкость для:

  • Текущая оптимизация формы сигнала
  • Микрошаг
  • Высокоскоростная работа
  • Контроль крутящего момента и вибрации
  • Усовершенствованное управление с обратной связью

Недостатком является сложность драйвера. Для трех независимых H-мостов требуется до 12 силовых коммутирующих устройств, по сравнению с шестью устройствами во многих схемах драйверов типа «звезда» или «треугольник».

Преимущества трехфазных шаговых двигателей

По сравнению с аналогичным двухфазным шаговым двигателем, трехфазная конструкция обеспечивает:

  • Более плавное создание крутящего момента
  • Снижение пульсаций крутящего момента
  • Снижена вибрация и уровень шума.
  • Более стабильное вращение на низких скоростях
  • Улучшенная динамическая реакция
  • Более высокое угловое разрешение

При одинаковом количестве зубьев ротора и сопоставимой конструкции трехфазный двигатель потенциально может обеспечить примерно в 1,5 раза большее базовое разрешение, чем двухфазный двигатель.

Трехфазный драйвер также может потребовать меньшего количества силовых транзисторов, чем некоторые биполярные двухфазные решения. Это помогает упростить всю систему «двигатель-драйвер» и контролировать производственные затраты.

Трехфазный шаговый двигатель против трехфазного асинхронного двигателя

Хотя оба продукта можно охарактеризовать как трехфазный двигатель, их функции различны.

Трехфазный шаговый двигатель в основном выбирается для точного пошагового перемещения. Он может управлять положением и скоростью непосредственно с помощью управляющих импульсов и удерживать неподвижное положение во время подачи питания.

Трехфазный асинхронный двигатель (motore asincrono trifase) обычно используется для непрерывного вращения. Он широко применяется в насосах, вентиляторах, компрессорах, конвейерах и промышленном оборудовании.

Если важны точность и повторяемость позиционирования, выбирайте трехфазный шаговый двигатель. Если же основными требованиями являются непрерывная работа, долговечность и высокая выходная мощность, выбирайте трехфазный асинхронный двигатель.

Типичные области применения

Трехфазные шаговые двигатели широко используются в:

  • Станки с ЧПУ
  • Промышленные роботы
  • Упаковочное оборудование
  • Текстильное оборудование
  • Медицинские устройства
  • Полупроводниковое оборудование
  • Системы точного позиционирования
  • Автоматизированные производственные линии

Соответствующее соединение и драйвер следует выбирать в зависимости от требуемого крутящего момента, скорости, тока, напряжения и рабочего цикла.

Заключение

Трехфазный шаговый двигатель работает за счет последовательного включения трех обмоток статора для создания управляемого вращающегося магнитного поля. Его мелкозубчатая конструкция статора и ротора обеспечивает точное пошаговое движение, плавную работу и низкий уровень вибрации.

Звездное соединение часто предпочтительнее для обеспечения низкого тока и высокой производительности на низких скоростях, в то время как треугольное соединение может обеспечить лучший крутящий момент на более высоких скоростях. Независимое управление обмотками обеспечивает наибольшую гибкость, но требует более сложного драйвера.

Как профессиональный производитель и поставщик электродвигателей, мы предлагаем решения для систем позиционирования и систем непрерывного промышленного привода. Свяжитесь с нами, указав напряжение, скорость, крутящий момент, габариты установки и требования к управлению, и наша команда инженеров поможет вам выбрать подходящий двигатель.