Изучаем миниатюрный шаговый двигатель

Регулирование частоты вращения

Регулирование скорости – это целенаправленное изменение скорости электродвигателя в принудительном порядке при помощи специальных устройств или приспособлений. Оно позволяет обеспечить оптимальный режим работы механизма, его рациональное использование, а также уменьшить расход энергии.

Существует три основных способа регулирования скорости двигателя:

1. Изменение магнитного потока главных полюсов. Осуществляется при помощи регулировочного реостата: при увеличении его сопротивления магнитный поток главных полюсов и ток возбуждения I_в уменьшаются. При этом увеличивается число оборотов якоря на холостом ходу, а также угол наклона механической характеристики. Жесткость механических характеристик сохраняется. Однако увеличение скорости может привести к механическим повреждениям агрегата и к ухудшению коммутации, поэтому не рекомендуется увеличивать частоту вращения этим методом более чем в два раза.
2. Изменение сопротивления цепи якоря. К якорю последовательно подключается регулировочный реостат. Скорость вращения якоря уменьшается при увеличении сопротивления реостата, а наклон механических характеристик увеличивается. Регулировка скорости вышеуказанным способом:

• способствует уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики;
• связана с большой величиной потерь в регулировочном реостате, следовательно, неэкономична.

1. Безреостатное изменение подаваемого на якорь напряжения. В этом случае необходимо наличие отдельного источника питания с регулируемым напряжением, например, генератора или управляемого вентиля.

Классификации

По источнику энергии

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

• электрические;
  • постоянного тока (электродвигатель постоянного тока);
  • переменного тока (синхронные и асинхронные);
• электростатические;
• химические;
• ядерные;
• гравитационные;
• пневматические;
• гидравлические;
• лазерные.

По типам движения

Получаемую энергию двигатели могут преобразовывать к следующим типам движения:

• вращательное движение твёрдых тел;
• поступательное движение твёрдых тел;
• возвратно-поступательное движение твёрдых тел;
• движение реактивной струи;
• другие виды движения.

Электродвигатели, обеспечивающие поступательное и/или возвратно-поступательное движение твёрдого тела;

• линейные;
• индукционные;
• пьезоэлектрические.

Некоторые типы электроракетных двигателей:

• ионные двигатели;
• стационарные плазменные двигатели;
• двигатели с анодным слоем;
• радиоионизационные двигатели;
• коллоидные двигатели;
• электромагнитные двигатели и др.

По устройству

Двигатели внешнего сгорания — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела:

• поршневые паровые двигатели;
• паровые турбины;
• двигатели Стирлинга;
• паровой двигатель.

Двигатели внутреннего сгорания — класс двигателей, у которых образование рабочего тела и подвод к нему тепла объединены в одном процессе и происходят в одном технологическом объеме:

• двигатели с герметично запираемыми рабочими камерами (поршневые и роторные ДВС);
• двигатели с камерами, откуда рабочее тело имеет свободный выход в атмосферу (газовые турбины).

По типу движения главного рабочего органа ДВС с запираемыми рабочими камерами делятся на ДВС с возвратно-поступательным движением (поршневые) (делятся на тронковые и крецкопфные) и ДВС с вращательным движением (роторные), которые по видам вращательного движения делятся на 7 различных типов конструкций. По типу поджига рабочей смеси ДВС с герметично запираемыми камерами делятся на двигатели с принудительным электрическим поджиганием (калильным или искровым) и двигатели с зажиганием рабочей смеси от сжатия (дизель).

По типу смесеобразования ДВС делятся на: с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с непосредственным впрыском топлива в цилиндры или впускной коллектор (инжекторные). По типу применяемого топлива различают ДВС работающие на бензине, сжиженном или сжатом природном газе, на спирте (метаноле) и пр.

Реактивные двигатели

Воздушно-реактивные двигатели:

• прямоточные реактивные (ПВРД);
• пульсирующие реактивные (ПуВРД);
• газотурбинные двигатели:
  • турбореактивные (ТРД);
  • двухконтурные (ТРДД);
  • турбовинтовые (ТВД);
  • турбовинтовентиляторные ТВВД;

Ракетные двигатели

• жидкостные ракетные двигатели;
• твердотопливные ракетные двигатели;
• ядерные ракетные двигатели;
• некоторые типы электроракетных двигателей.

По применению

В связи с принципиально различными требованиями к двигателю в зависимости от его назначения, двигатели идентичные по принципу действия, могут называться «корабельными», «авиационными», «автомобильными» и тому подобными.

Категория «Двигатели» в патентоведении одна из наиболее активно пополняемых. В год по всему миру подаётся от 20 до 50 заявок в этом классе. Часть из них отличаются принципиальной новизной, часть — новым соотношением известных элементов. Новые же по конструкции двигатели появляются очень редко.

Технические особенности среднестатистического электрофэтбайка:

• Вес и максимальная нагрузка – велосипед может выдержать ездока весом 120 кг, сам же транспорт весит в пределах 30 кг.
• Дальность пробега – одного заряда аккумулятора должно хватить на расстояние от 20 до 100 км, эти данные зависят от типа батареи, веса багажа и ездока, условий езды.
• Мощность мотора – варьируется от 350 до 5000 Вт, не рекомендуется устанавливать моторы свыше 1000 Вт на переднее колесо.
• Тормоза – электрофэтбайки оснащены дисковыми тормозами, которые могут быть как гидравлическими, так и механическими.
• Переключение скоростей – процедура осуществляется при помощи рычага, который находится возле ручки руля
• Панель управления – есть возможность установки LCD-панели управления (но только для байков, мощность которых не превышает 1500 Вт). С помощью панели можно регулировать уровень работы мотора, что будет помогать в тех случаях, когда вам захочется самостоятельно покрутить педали. Также на панель выводится информация о скорости, состоянии аккумулятора, мощности двигателя, общем пробеге, времени, затраченном на поездку.

В каких условиях и для чего необходимы электровелосипеды

Впервые фэтбайки начали активно использовать на заснеженных горных тропах Аляски примерно в 90-х годах. Велосипедные внедорожники с легкостью прокладывали себе путь в труднопроходимых местностях.

В наше время электрофэтбайки набирают все большую популярность. Их можно использовать в качестве прогулочного транспорта по бездорожью. Велосипеды с широкими колесами станут незаменимы в туристических походах, вылазках на природу. Такой байк проедет по грязи, пыли, глубокому песку или снегу, благодаря чему он станет удобным транспортным средством для людей, работающих в таких сферах, как лесничество, фермерское хозяйство, строительство масштабных промышленных зданий и объектов, охота, рыбалка и др.

Faulhaber с полым ротором

Диаметр корпуса – 3…44 мм, мощность – 0,0063…212 Вт,
номинальный крутящий момент – 0,023…202 мНм, скорость вращения на холостом ходу
– 5 300 … 46 500 об/мин

Ссылки на подробное описание бесколлекторных микродвигателей
постоянного тока:

• Микродвигатели серии smoovy
• Бесколлекторные серводвигатели с датчиками Холла 
• Бесколлекторные двигатели с бездатчиковой коммутацией
• Четырёхполюсные серводвигатели
• Плоские бесконтактные двигатели (микродвигатели с дисковым ротором)
• Плоские мотор-редукторы на базе бесконтактных
  электродвигателей
• Двигатели с интегрированным регулятором скорости и
  коммутирующей электроникой
• Двигатели с интегрированным контроллером движения

Ссылки на сопутствующие
компоненты малогабаритного привода:

• Мини редукторы
• Шарико-винтовые передачи
• Датчики и тормозные устройства

Ознакомиться с описанием всей продукции компании Faulhaber можно по данной ссылке.

Режимы работы шаговых двигателей:

• Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
• Полношаговый режим – ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
• Полушаговый режим – ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
• Микрошаговый режим – ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Если подавать уровни не «0» – «½» – «1» (как на картинке), а «0» – «¼» – «½» – «¾» – «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления – доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Что имеем

На сегодняшний день наиболее популярным из существующих электродвигателей для электромобилей остается асинхронный двигатель, созданный ещё в XIX веке. Его конструкция оказалась гениально простой и настолько удачной, что все дальнейшие преобразования не касались принципа действия, затрагивая лишь технологию изготовления тех или иных деталей. Например, модифицироваться могли подшипники, на которых крепился вал двигателя, менялась форма обмоток ротора и статора, однако принцип работы асинхронного двигателя оставался прежним.

К преимуществам двигателей такого типа относятся простота обслуживания и отсутствие подвижных контактов. Здесь нет щеток и контактных колец, питание подается только на неподвижную трехфазную обмотку статора, что и делает этот двигатель весьма удобным для самых разных сфер применения, практически универсальным. Такой двигатель прост в изготовлении и сравнительно дешев, затраты при эксплуатации минимальны, а надежность высока.

Если говорить о недостатках асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, то их несколько. При включении двигателя в сеть пусковой ток довольно велик, при этом пусковой момент значительно меньше номинального. В основном этот недостаток как и проблема регулировки оборотов, преодолевается применением частотного преобразователя, позволяющего плавно повышать обороты, и таким образом обеспечить достаточно высокий пусковой момент. Это достигается тем, что скорость вращения такого электродвигателя зависит от частоты переменного тока, т. е. изменив частоту тока, можно изменить скорость вращения ведущих колёс, что позволяет легко контролировать скорость электромобиля.

Еще одним недостатком асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является их низкий коэффициент мощности, особенно при малой нагрузке и на холостом ходу, что снижает эффективность данной электрической системы в целом.

Сам электродвигатель — это достаточно совершенное устройство, но, поскольку стремительное развитие отрасли экоавтомобилей только входит в начальную стадию, кардинального изменения принципа работы, улучшение показателей (удельной мощности и экономичности) и его устройства можно ожидать уже в ближайшее время.

Традиционно электродвигатели для автомобилей должны отвечать следующим требованиям:

• иметь безопасное и удобное для эксплуатации устройство;
• обладать высокой удельной мощностью и экономичностью;
• обладать высокой надежностью и безопасностью при длительной эксплуатации;
• иметь компактные габариты;
• работать в широком диапазоне частот вращения с высокими показателями, что позволит электромобилю обходиться без коробки передач.