Askelmoottori

Aiheet:

esittely
Kestomagneettinen askelmoottori (PM-tyyppi)
Muuttuvan reluktanssin askelmoottori (VR)
Hybridi askelmoottori

Esipuhe:
Askelmoottoria, kuten nimestä voi päätellä, voidaan säätää useissa vaiheissa. Vaiheiden määrä voi vaihdella. Sovelluksesta riippuen askelmoottori voi säätää 4 - 200 askelta kierrosta kohden, mikä voi tarkoittaa roottorin 0,8 asteen ohjattua kiertoa.
Askelmoottorin kulmakierto voidaan määrittää erittäin tarkasti. Askelmoottori on periaatteessa yksi synkroninen DC-sähkömoottori ilman hiiliharjoja, koska osat ja ohjausmenetelmät ovat hyvin samankaltaisia, mutta se eroaa kuitenkin tästä tasavirtamoottorista seuraavien ominaisuuksien perusteella:

Askelmoottorilla on suhteellisen suuri vääntömomentti alhaisilla nopeuksilla ja siksi se voi käynnistyä hyvin nopeasti pysähdyksiltä;
Askelmoottorin liike on hidasta ja erittäin tarkkaa. DC-moottoria käytetään toimimaan nopeasti pitkään;
Askelmoottorin pyörimisnopeutta ja asentoa ohjataan ohjausyksikön ohjaussignaalilla. Tämä tarkoittaa, että asentoanturia tai muuta palautetta ei tarvita;
Askelmoottori tuottaa enemmän melua ja tärinää verrattuna harjattomaan tasavirtamoottoriin.

Askelmoottoria käytetään monissa paikoissa autossa saamaan osat tekemään hallittua sähköistä liikettä. Alla on kolme sovellusta, joissa askelmoottori löytyy, nimittäin: tyhjäkäyntiohjaukseen, kojelaudan osoittimet ja lämmitysventtiilit ilmanvaihdon ohjaamiseen.

Askelmoottori joutokäyntisäätimelle:
Bensiinimoottorin kaasuventtiili on suljettu levossa. Pieni aukko tarvitaan, jotta moottori voi käydä tyhjäkäynnillä. Kanavan tulee olla myös säädettävä, koska lämpötila ja kuormitus (esim. kun kuluttajat, kuten ilmastointipumppu on kytketty päälle) vaikuttavat tarvittavaan imetyn ilman määrään.
Nykyaikaisissa moottoreissa kuristusventtiilin asentoa ohjataan tarkasti. Löydämme myös järjestelmiä, joissa kuristusventtiili on täysin kiinni ja ilma ohjataan kaasuventtiilin ympäri ohitussäätimen kautta. Ilmankierto voidaan toteuttaa joko PWM-ohjatulla tasavirtamoottorilla tai askelmoottorilla. Katso sivua aiheesta kaasua.

Alla olevat kolme kuvaa ovat askelmoottorista, joka toimii joutokäyntinopeuden säätimenä. Ohitusaukon avaamista ohjaa kartiomainen akseli. Ankkurin kääntäminen askelmoottorissa johtaa kierukkavaihteen pyörimiseen.

Kierrä vastapäivään: kierukkapyörä kääntyy sisäänpäin (suuri aukko ohituksessa);
Myötäpäivään pyöriminen: kierukkapyörä pyörii ulospäin (pieni aukko ohituksessa).

Kojetaulu:
Kojetaulu on usein varustettu useilla askelmoottoreilla säiliön tasomittaria, nopeusmittaria, kierroslukumittaria, moottorin lämpötilaa ja alla olevassa esimerkissä myös kierroslukumittarin alla olevaa kulutusmittaria varten. Alla näkyy BMW:n kojetaulu.

Kojelaudan takaosasta (sisältä) löytyy viisi askelmoottoria mustalla kotelolla. Oikealla näkyy kyseinen askelmoottori ilman koteloa. Täällä näet selvästi kaksi kelaa ja neljä liitäntää (kaksi vasenta, kaksi oikeaa), joista voimme tunnistaa bipolaarisen askelmoottorin. Askelmoottori pystyy säätämään osoitinneuloja pienin askelin. Säätökäsky tulee mittariston ECU:sta.

Seuraava kaavio näyttää askelmoottoriohjaimen tulot ja lähdöt. Tämä on mittariston IC, joka muuntaa saapuvat tiedot askelmoottorin lähdöksi:

polttoaineen taso säiliössä (säiliön kellunta);
ajoneuvon nopeus (vaihteiston pulssigeneraattori tai ABS-anturit);
moottorin nopeus (kampiakselin asentoanturi);
lämpötila (jäähdytysnesteen lämpötila-anturi).

Lohkokaaviossa punaiset ja vihreät nuolet osoittavat askelmoottorin käämien liitännät (A - D).

Ilmanohjausventtiilit takkahuoneessa:
Löydämme usein askelmoottoreita elektronisesti toimivista ilmanpoistoventtiileistä liesi talo. Alla olevissa kuvissa on valokuva ilman lämpötilaventtiilistä (vasemmalla) ja kuva asennusasennosta (oikealla). Askelmoottori ohjaa venttiiliä mekanismin avulla, jossa numero 4 kuvassa osoittaa kääntöpisteen. Jos askelmoottori toimii väärin tai vaihdon jälkeen, aloitus- ja loppuasennot on ilmoitettava ECU:ssa. Diagnostisilla laitteilla voimme oppia venttiilin pysähdykset, jotta ECU tietää milloin venttiili on täysin auki tai kiinni, jotta se voi myös määrittää, kuinka kauan askelmoottoria pitäisi käyttää venttiilin osittaiseen avaamiseen.

Kestomagneettinen askelmoottori (PM-tyyppi):
Tämän tyyppisessä askelmoottorissa on roottori, jossa on kestomagneetti. Tämän askelmoottorin etuna on sen yksinkertainen rakenne ja siksi alhainen hinta. Alla on tietoa tämän askelmoottorin toiminnasta.

Askelmoottorin roottori pystyy pyörimään täyden kierroksen useilla välivaiheilla. Alla olevan neljän kuvan esimerkissä esitetään neljä välivaihetta kierrosta kohden. Siksi roottori voidaan pysäyttää 90 asteen välein. Vasen askelmoottori on asennossa 1, jolloin roottorin pohjoisnapa on ylhäällä ja etelänapa alhaalla. Roottoria siirretään 90 astetta myötäpäivään katkaistaan virta käämiin, joissa on liittimet C ja D, ja toinen kela vetää. Tämä näkyy toisessa askelmoottorissa. Vasen napakenkä muuttuu punaiseksi (pohjoinen napa) ja oikea mustaksi (etelänapa). Tämä asettaa roottorin asentoon 2.

Tämä toimii tällä tavalla myös asetuksilla 3 ja 4; käämi C:n ja D:n välissä on jännitteellinen asentoon 3, mutta virta kulkee vastakkaiseen suuntaan kuin asennossa 1. Ylempi napakenkä on nyt pohjoisnapa ja alempi etelänapa. Roottori on nyt asennossa 3. Asennossa 4 pohjakela saa jälleen jännitteen ja roottori kääntyy asentoon 4.

Nelivaihteinen askelmoottori voidaan pysäyttää 90 asteen välein. Jos tämä ei riitä sovellukselle, jossa askelmoottoria käytetään, se voidaan asettaa myös kahdeksaan vaiheeseen. Tämä on mahdollista samalla askelmoottorilla, mutta näiden välivaiheiden aikana molemmat kelat jännittyvät samanaikaisesti.

Alla oleva kuva näyttää nämä välivaiheet. Nämä ovat vaiheet 5–8. Kuten näet, asetus 5 on vaiheiden 1 ja 2 välissä. Sama koskee vaihetta 6 (vaiheiden 2 ja 3 välillä) jne. Näiden välivaiheiden aikana molempien kelojen läpi kulkee virta.
Kun roottori on käännettävä vaiheeseen 5, virta kulkee sekä alemmassa kelassa paikasta A paikkaan B että ylemmässä kelassa C:stä D:hen. Joten nyt on kaksi pohjoisnapaa (punaiset napakengät) ja kaksi etelänapaa (mustat napakengät). Roottori on asennossa 5.

Roottoria 45 astetta pidemmälle kiertämiseksi (asentoon 2) pätee taas askelmoottorin kaavio neljällä asennolla. Alakela saa jälleen jännitteen, jotta virta pääsee kulkemaan paikasta A paikkaan B.
Jos askelmoottoria käännetään sitten 45 astetta pidemmälle (asentoon 6), yllä oleva kuva pätee uudelleen molempien kelojen ollessa jännitteisiä.

Askelmoottoria ohjataan aina ohjauslaitteella. Ohjauslaitteen ohjainpiirin transistorit tarjoavat virran syöttämisen ja purkamisen napakenkiin ja niistä. Ohjausyksikkö sisältää kahdeksan transistoria. Kun näitä kahdeksaa transistoria ohjataan oikein, askelmoottori tekee täydellisen kierroksen neljässä tai kahdeksassa vaiheessa. Pyöriminen voi olla kahteen suuntaan; vasen ja oikea. Ohjauslaite varmistaa, että oikeat transistorit tehdään johtaviksi.

Kuvassa näemme askelmoottorin, jota ohjataan ohjauslaitteella. Transistorit 1 ja 4 on kytketty päälle. Ohjauksen selkeyttämiseksi transistorit ja johdot on väritetty punaisiksi ja ruskeiksi. Transistori 1 (punainen) kytkee liittimen A positiiviseen ja transistori 4 (ruskea) liitä liittimen B maahan.

Koska transistorit 2 ja 3 eivät ole päällä, niiden läpi ei kulje virtaa. Jos näin olisi, tapahtuisi oikosulku.
Kuvassa askelmoottoria on kierretty hieman pidemmälle. Tätä tarkoitusta varten transistorit 6 ja 7 on myös saatettava johtaviksi.

Jotta askelmoottori voisi pyöriä hieman pidemmälle, transistorien 1 ja 4 johtuminen pysähtyy. Vain transistorit 6 ja 7 johtavat edelleen, jolloin askelmoottori siirtyy asentoon 3.

Seuraavaa vaihetta varten transistorit 2 ja 3 on kytkettävä päälle.

Muuttuvan reluktanssin askelmoottori (VR):
Kuten kestomagneetti-askelmoottori, muuttuvan reluktanssin askelmoottori sisältää staattorin navat keloilla. Se eroaa aiemmin käsitellystä askelmoottorista, sillä sen hammasroottori on valmistettu ferromagneettisesta metallista, kuten nikkelistä tai raudasta. Tämä tarkoittaa, että roottori ei ole magneettinen. Tämän tyyppistä askelmoottoria käytetään nykyään harvoin.

Staattorin käämi toisella puolella (A) on kierretty päinvastoin kuin käämi toisella puolella (A'). Sama koskee tietysti B:tä ja B':tä jne. Roottorin hampaita vetää puoleensa staattorin käämien virittämisen aiheuttama magneettivuo.

VR-askelmoottorin edut kestomagneeteilla varustettuun versioon verrattuna ovat:

Kestomagneettien puuttumisen vuoksi VR-askelmoottorin valmistus on vähemmän haitallista ympäristölle;
Staattorikäämien napaisuutta ei tarvitse vaihtaa. Tämä mahdollistaa yksinkertaisemman ohjauksen;

Haitat ovat:

alhainen vääntömomentti;
alhainen tarkkuus;
Korkeampi melutuotanto. Siksi sovellusten määrä, myös autoteollisuudessa, on rajoitettu.
Kestomagneettien puuttumisen vuoksi paikallaan seistessä ei ole pitomomenttia.

Hybridi askelmoottori:
Hybridi-askelmoottorissa on hammasroottori kestomagneeteilla ja hammastettu staattori, jossa on kahdeksan käämiä ja pieni ilmarako roottorin ja staattorin välillä. Roottori koostuu kahdesta vaihteesta, jotka ovat 3,6° siirtyneet toisistaan. Roottorin sisäpuolella on suuri magneetti. Kaksi teräshammaspyörää painetaan magneetin päälle. Hammaspyörät tulevat myös magneettisiksi magneetin läsnäolon vuoksi. Toinen hammaspyörä on magnetoitu pohjoisnapaksi ja toinen etelänapaksi. Jokaisesta roottorin hampaasta tulee magneettinapa. Puhumme siksi "pohjoisen navan roottorista" ja "etelänaparoottorista". Vaihteiden vaihdon vuoksi pohjois- ja etelänavat vuorottelevat kierroksen aikana. Jokaisessa vaihteessa on 50 hammasta.

Sillä hetkellä, kun askelmoottoriohjain johtaa virtaa staattorikäämin läpi, kela muuttuu magneettiseksi. Kelojen pohjoisnavat vetävät puoleensa roottorin etelänapoja, jolloin roottori kääntyy.

Alla olevat kolme kuvaa esittävät hybridiaskelmoottorin kahden vaiheen (punaisen ja oranssin) ohjauksen.

A. Askelmoottorin roottori on pyörinyt nykyiseen asentoonsa (katso kuva), koska esitetyt kelat on tehty magneettisiksi.

Vihreä vaihde on etelänapa, joka vetää puoleensa staattorin pohjoisnavat;
Roottorin ja staattorin väliset hampaat ovat kohdakkain paikoissa, joissa roottoria on vedetty. Selvyyden vuoksi nämä kohdat on merkitty mustalla merkillä kaikissa kolmessa tilanteessa;
Punainen vaihde on vihreän vaihteen takana. Koska hammaspyörät pyörivät suhteessa toisiinsa, punaiset hampaat ovat näkyvissä. Roottorin pohjoisnavat vedetään staattorin etelänapoihin.

B. Ohjaus on vaihtanut vaiheita. Magneettikenttä oranssien kelojen ja roottorin välillä on kadonnut. Nyt "punaisen" vaiheen keloja ohjataan, jolloin magneettikenttä muodostuu punaisten kelojen ja roottorin väliin.

Kun magneettikenttä vaihdetaan oranssista punaisiin keloihin, roottori pyörii 1,8° myötäpäivään;
Jotta roottoria voitaisiin kiertää vastapäivään myötäpäivään, polariteetti (virran suunta) oli vaihdettava punaisten liitäntöjen kautta. Loppujen lopuksi virran suunta kelan läpi määrittää magneettikentän suunnan ja siten pohjois- ja etelänavan "aseman".

C. Ohjaus on jälleen vaihtanut vaihetta ja roottori on kääntynyt jälleen myötäpäivään 1,8°.

Samat kelat kuin tilanteessa A ovat jännitteisiä, mutta oranssien johtojen napaisuus on vaihdettu;
Roottoria voidaan kääntää taas vastapäivään ohjaamalla käämeitä tilanteen B mukaisesti;
Jotta roottori pyörii myötäpäivään, myös punaiset käämit saavat jännitteen, mutta napaisuus on käänteinen verrattuna tilanteeseen B.

Yllä olevista esimerkeistä voidaan nähdä, että pohjoisnaparoottori vetää etelänapakäämiin ja samalla etelänaparoottori vetää pohjoisnapakäämiin. Tämä varmistaa, että hybridi-askelmoottori tekee erittäin tarkat liikkeet ja sillä on myös korkea vääntömomentti.

Hybridi-askelmoottori voidaan varustaa useammalla napaparilla ja useammalla roottorin hampailla, mikä mahdollistaa jopa 0,728 asteen askelmat ja 500 askelta kierrosta kohti.

Aiheeseen liittyvät sivut: