Tárgyak:
- bevezetés
- Állandó mágneses léptetőmotor (PM típusú)
- Változó reluktancia léptetőmotor (VR)
- Hibrid léptetőmotor
Bevezetés:
A léptetőmotor, ahogy a neve is sugallja, több lépésben állítható. A lépések száma változhat. Alkalmazástól függően a léptetőmotor forgásonként 4-200 lépést tud állítani, ami egy 0,8°-os rotor forgásirányban szabályozott forgást jelenthet.
A léptetőmotor szögelfordulása nagyon pontosan meghatározható. A léptetőmotor alapvetően egy szinkron egyenáramú villanymotor szénkefék nélkül, mert az alkatrészek és a vezérlési módok nagyon hasonlóak, de ettől az egyenáramú motortól a következő tulajdonságok különböztetik meg:
- A léptetőmotor alacsony fordulatszámon viszonylag nagy nyomatékkal rendelkezik, ezért nagyon gyorsan tud álló helyzetből elindulni;
- A léptetőmotor mozgása lassú és nagyon precíz. Az egyenáramú motort arra használják, hogy hosszú ideig gyorsan tudjon működni;
- A léptetőmotor fordulatszámát és helyzetét a vezérlőegység vezérlőjele szabályozza. Ez azt jelenti, hogy nincs szükség helyzetérzékelőre vagy egyéb visszacsatolásra;
- A léptetőmotor több zajt és több rezgést okoz, mint a kefe nélküli egyenáramú motor.
A léptetőmotort az autóban sok helyen használják arra, hogy az alkatrészeket irányított elektromos mozgást végezzenek. Az alábbiakban három alkalmazás található, amelyekben a léptetőmotor megtalálható, nevezetesen: alapjárati vezérléshez, a műszerfalon lévő mutatók és a szellőzés szabályozásához a fűtésszelepek.
Léptetőmotor az alapjárati vezérléshez:
A benzinmotor fojtószelepe nyugalmi állapotban zárva van. Egy kis nyílás szükséges ahhoz, hogy a motor alapjáraton működjön. Az átjárónak is állíthatónak kell lennie, mert a hőmérséklet és a terhelés (pl. a fogyasztók, például a klímaszivattyú bekapcsolásakor) befolyásolja a beszívott levegő szükséges mennyiségét.
A modern motorokban a fojtószelep helyzetét pontosan szabályozzák. Találunk olyan rendszereket is, amelyekben a fojtószelep teljesen zárva van, és a levegőt egy bypass vezérlőn keresztül vezetik a fojtószelep körül. A levegő keringtetése megvalósítható PWM vezérlésű DC motoron vagy léptetőmotoron keresztül. Lásd az oldalt a gázkar.
Az alábbi három kép egy léptetőmotort ábrázol, amely alapjárati fordulatszám-szabályozóként szolgál. A bypass nyitását a kúpos végű tengely szabályozza. Az armatúra elforgatása a léptetőmotorban a csigahajtómű elfordulását eredményezi.
- Forgatás az óramutató járásával ellentétes irányba: a csigakerék befelé fordul (nagy nyílás a bypassban);
- Az óramutató járásával megegyező forgás: a csigakerék kifelé forog (kis nyílás a bypassban).
Eszköz panel:
A műszerfal gyakran több léptetőmotorral van felszerelve a tartály szintmérőjéhez, sebességmérőjéhez, fordulatszámmérőjéhez, motorhőmérsékletéhez és az alábbi példában a fordulatszámmérő alatti fogyasztásmérőhöz is. Az alábbiakban egy BMW műszerfala látható.
A műszerfal hátulján (belül) találjuk az öt fekete házas léptetőmotort. A jobb oldalon a kérdéses léptetőmotort látjuk ház nélkül. Itt jól látható a két tekercs és a négy csatlakozás (kettő bal, kettő jobb), amelyek alapján felismerjük a bipoláris léptetőmotort. A léptetőmotor kis lépésekben tudja beállítani a mutatótűket. A beállítási parancs a műszercsoportban található ECU-ból származik.
Az alábbi diagram a léptetőmotor-meghajtó be- és kimeneteit mutatja. Ez az IC a műszercsoportban, amely a bejövő információkat a léptetőmotor kimenetévé alakítja:
- üzemanyagszint a tartályban (tartály úszó);
- a jármű sebessége (impulzusgenerátor a sebességváltóban vagy ABS-érzékelők);
- motor fordulatszáma (forgattyústengely helyzetérzékelő);
- hőmérséklet (hűtőfolyadék hőmérséklet-érzékelő).
A blokkdiagramon a piros és zöld nyilak mutatják a léptetőmotor tekercseinek csatlakozásait (A-tól D-ig).
Légvezető szelepek a kályhaházban:
Gyakran találunk léptetőmotorokat az elektronikusan működtetett légtelenítő szelepekben kályhaház. Az alábbi képeken egy léghőmérséklet-szelep fotója (balra) és a beépítési helyzet illusztrációja (jobbra) látható. A léptetőmotor működteti a szelepet a mechanizmus segítségével, ahol az ábrán a 4-es szám jelzi a forgáspontot. Ha a léptetőmotor hibásan működik, vagy csere után, a kezdő- és véghelyzetet közölni kell az ECU-ban. A diagnosztikai berendezésekkel megtanulhatjuk a szelepleállásokat, így az ECU tudja, hogy a szelep mikor van teljesen nyitva vagy zárva, így azt is meg tudja határozni, hogy mennyi ideig kell hajtania a léptetőmotort a szelep részleges kinyitásához.
Állandó mágneses léptetőmotor (PM típusú):
Az ilyen típusú léptetőmotorok forgórésze állandó mágnessel rendelkezik. Ennek a léptetőmotornak az előnye az egyszerű felépítése és ezáltal az alacsony önköltség. Az alábbiakban a léptetőmotor működésével kapcsolatos információk találhatók.
A léptetőmotor forgórésze több közbenső lépéssel teljes körforgást tud végezni. Az alábbi négy képen látható példában forgatásonként négy közbenső lépés látható. A forgórész ezért 90 fokonként leállítható. A bal oldali léptetőmotor az 1-es helyzetben van, a rotor északi pólusa felül, a déli pólus pedig alul. A forgórész óramutató járásával megegyező 90 fokkal történő elmozdításához a C és D kivezetésű tekercs áramellátása megszakad, és a másik tekercs feszültség alá kerül. Ez látható a második léptetőmotoron. A bal oldali sarkú cipő pirosra vált (az északi pólus), a jobb oldali pedig feketévé (a déli pólus). Ezzel a rotor a 2-es helyzetbe kerül.
Ez a 3-as és 4-es beállításokkal is így működik; a C és D közötti tekercs feszültség alatt van a 3. pozícióban, de az áram az 1. pozícióval ellentétes irányba folyik. A felső pólussaru most az északi pólus, az alsó pedig a déli pólus. A rotor most a 3-as pozícióban lesz. A 4-es pozícióban az alsó tekercs ismét feszültség alá kerül, és a rotor a 4-es pozícióba fordul.
A négyfokozatú léptetőmotor 90 fokonként leállítható. Ha ez nem elegendő ahhoz az alkalmazáshoz, amelyhez a léptetőmotort használják, akkor nyolc lépésben is beállítható. Ez ugyanazzal a léptetőmotorral lehetséges, de ezeknél a közbenső lépéseknél mindkét tekercs egyidejűleg kap feszültséget.
Az alábbi kép ezeket a közbenső lépéseket mutatja. Ezek az 5–8. lépések. Amint látja, az 5. beállítás az 1. és 2. lépés között van. Ugyanez vonatkozik a 6. lépésre (a 2. és 3. lépés között), stb. Ezen közbenső lépések során mindkét tekercsen áram folyik át.
Amikor a rotort az 5. lépésre kell forgatni, áram folyik mind az alsó tekercsben A-ból B-be, mind a felső tekercsben C-ből D-be. Tehát most van két északi pólus (a piros sarkú cipő) és két déli pólus (a fekete sarkú cipő). A rotor az 5-ös pozícióban lesz.
A rotor 45 fokkal tovább forgatásához (2. pozícióba) ismét a léptetőmotor négy pozíciós diagramja érvényes. Az alsó tekercs újra feszültség alá kerül, hogy áram folyhasson A-ból B-be.
Ha ezután a léptetőmotort 45 fokkal tovább forgatja (6. pozícióba), a fenti kép ismét érvényesül, mindkét tekercs feszültség alatt van.
A léptetőmotort mindig egy vezérlőberendezés vezérli. A vezérlőeszköz meghajtó IC-jében lévő tranzisztorok biztosítják az áramellátást és -kisülést a pólussarukhoz és onnan. A vezérlőegység nyolc tranzisztort tartalmaz. Ennek a nyolc tranzisztornak a megfelelő vezérlésével a léptetőmotor négy vagy nyolc lépésben teljes fordulatot hajt végre. A forgás kétirányú lehet; bal és jobb. A vezérlőberendezés biztosítja, hogy a megfelelő tranzisztorok vezetőképesek legyenek.
A képen egy léptetőmotort látunk, amelyet egy vezérlőeszköz vezérel. Az 1. és 4. tranzisztor be van kapcsolva. A vezérlés tisztázása érdekében a tranzisztorok és a vezetékek piros és barna színűek. Az 1. (piros) tranzisztor az A kivezetést a pozitívhoz, a 4. tranzisztor (barna) pedig a B kivezetést a testhez köti.
Mivel a 2. és 3. tranzisztor nincs bekapcsolva, nem folyik át rajtuk áram. Ha ez így lenne, rövidzárlat lépne fel.
A képen a léptetőmotor egy kicsit tovább van forgatva. Ehhez a 6-os és 7-es tranzisztorokat is vezetőképessé kell tenni.
Annak érdekében, hogy a léptetőmotor egy kicsit tovább foroghasson, az 1. és 4. tranzisztor vezetése leáll. Csak a 6. és 7. tranzisztor vezet továbbra is, így a léptetőmotor a 3. pozícióba kerül.
A következő lépéshez a 2. és 3. tranzisztort be kell kapcsolni.
Változó reluktancia léptetőmotor (VR):
Az állandó mágneses léptetőmotorhoz hasonlóan a változtatható reluktanciájú léptetőmotor is tekercsekkel ellátott állórész pólusokat tartalmaz. A korábban tárgyalt léptetőmotortól ferromágneses fémből, például nikkelből vagy vasból készült fogazott forgórészével különbözik. Ez azt jelenti, hogy a rotor nem mágneses. Ezt a fajta léptetőmotort manapság ritkán használják.
Az egyik oldalon lévő állórész tekercs (A) ellentétes módon van feltekerve, mint a másik oldalon (A'). Ugyanez vonatkozik természetesen B-re és B'-re stb. A forgórész fogait az állórész tekercseinek feszültség alá helyezése által létrehozott mágneses fluxus vonzza.
A VR léptetőmotor előnyei az állandó mágneses változathoz képest:
- Az állandó mágnesek hiánya miatt a VR léptetőmotor gyártása kevésbé káros a környezetre;
- Nem szükséges megfordítani az állórész tekercseinek polaritását. Ez egyszerűbb vezérlést tesz lehetővé;
A hátrányok a következők:
- Alacsony nyomaték;
- Alacsony pontosság;
- Magasabb zajtermelés. Ezért az alkalmazások száma, beleértve az autóipari alkalmazásokat is, korlátozott;
- Az állandó mágnesek hiánya miatt álló helyzetben nincs tartónyomaték.
Hibrid léptetőmotor:
A hibrid léptetőmotornak állandó mágneses fogazott forgórésze és nyolc tekercses fogazott állórésze van, a rotor és az állórész között kis légréssel. A rotor két fogaskerékből áll, amelyek 3,6°-kal vannak eltolva egymástól. A rotor belsejében egy nagy mágnes található. Két acél fogaskerék van rányomva a mágnesre. A fogaskerekek is mágnesessé válnak a mágnes jelenléte miatt. Az egyik fogaskerék az északi pólus, a másik pedig a déli pólus mágnesezett. A rotor minden egyes foga mágneses pólussá válik. Ezért beszélünk az „Északi-sarki rotorról” és a „Déli-sarki rotorról”. A fokozatváltás miatt az északi és a déli pólus váltakozik majd forgás közben. Minden fogaskeréknek 50 foga van.
Abban a pillanatban, amikor a léptetőmotor meghajtó áramot vezet az állórész tekercsén, a tekercs mágnesessé válik. A tekercsek északi pólusai vonzzák a forgórész déli pólusait, ami a rotor elfordulását okozza.
Az alábbi három kép a hibrid léptetőmotor két fázisának (piros és narancssárga) vezérlését mutatja be.
V. A léptetőmotor forgórésze elfordult jelenlegi helyzetébe (lásd az ábrát), mert az ábrázolt tekercseket mágnesessé tették.
- A zöld fogaskerék a déli pólus, amely az állórész északi pólusaihoz vonzódik;
- A forgórész és az állórész közötti fogak egy vonalban vannak egymással azokon a helyeken, ahol a rotort meghúzták. Az egyértelműség kedvéért ezeket a pontokat mindhárom helyzetben fekete jelzéssel jelöljük;
- A piros fogaskerék a zöld fogaskerék mögött van. Mivel a fogaskerekek egymáshoz képest el vannak forgatva, láthatóak a vörös fogak. A forgórész északi pólusai az állórész déli pólusaihoz vonzódnak.
B. A vezérlés fázisokat váltott. A narancssárga tekercsek és a forgórész közötti mágneses tér eltűnt. Most a „piros” fázis tekercseit vezérlik, aminek következtében a vörös tekercsek és a forgórész között létrejön a mágneses mező.
- A mágneses tér narancssárgáról a piros tekercsekre való átkapcsolása következtében a forgórész az óramutató járásával megegyező irányban 1,8°-kal elfordul;
- Ahhoz, hogy a rotort az óramutató járásával ellentétes irányba forgathassa, a polaritást (az áram irányát) meg kellett fordítani a piros csatlakozásokon keresztül. Végül is a tekercsen áthaladó áram iránya határozza meg a mágneses tér irányát, és ezáltal az északi és déli pólus "helyzetét".
C. A vezérlés ismét fázist váltott, és a rotor ismét az óramutató járásával megegyező irányban 1,8°-kal elfordult.
- Ugyanazok a tekercsek kapnak feszültséget, mint az A helyzetben, de a narancssárga vezetékeken megfordult a polaritás;
- A forgórész ismét az óramutató járásával ellentétes irányba forgatható a tekercsek vezérlésével a B helyzetben látható módon;
- Ahhoz, hogy a rotor az óramutató járásával megegyező irányba forogjon, a piros tekercsek is feszültség alá kerülnek, de a polaritás megfordul a B helyzethez képest.
A fenti példákban látható, hogy az északi pólusú rotort egy déli pólusú tekercs vonzza, ugyanakkor a déli pólusú rotort egy északi pólusú tekercs vonzza. Ez biztosítja, hogy a hibrid léptetőmotor nagyon precíz mozgásokat végezzen, és nagy nyomatékkal is rendelkezzen.
A hibrid léptetőmotor több póluspárral és több foggal is felszerelhető a forgórészen, ami akár 0,728°-os lépést tesz lehetővé, és fordulatonként 500 lépést tesz lehetővé.
Kapcsolódó oldalak:
