Przedmioty:
- Wprowadzenie
- Silnik krokowy z magnesami trwałymi (typ PM)
- Silnik krokowy o zmiennej reluktancji (VR)
- Hybrydowy silnik krokowy
Przedmowa:
Silnik krokowy, jak sama nazwa wskazuje, można regulować w kilku krokach. Liczba kroków może się różnić. W zależności od zastosowania silnik krokowy może regulować od 4 do 200 kroków na obrót, co może oznaczać kontrolowany obrót wirnika o 0,8°.
Obrót kątowy silnika krokowego można określić bardzo dokładnie. Silnik krokowy to w zasadzie jeden synchroniczny silnik elektryczny prądu stałego bez szczotek węglowych, ponieważ części i metody sterowania są bardzo podobne, niemniej jednak różni się on od tego silnika prądu stałego następującymi właściwościami:
- Silnik krokowy ma stosunkowo duży moment obrotowy przy niskich prędkościach i dlatego może bardzo szybko uruchomić się z zatrzymania;
- Ruch silnika krokowego jest powolny i bardzo precyzyjny. Silnik prądu stałego służy do szybkiej pracy przez długi czas;
- Prędkość obrotowa i położenie silnika krokowego są sterowane sygnałem sterującym z jednostki sterującej. Oznacza to, że nie jest wymagany żaden czujnik położenia ani inna forma sprzężenia zwrotnego;
- Silnik krokowy generuje więcej hałasu i powoduje więcej wibracji w porównaniu do bezszczotkowego silnika prądu stałego.
Silnik krokowy jest używany w wielu miejscach samochodu, aby wprawić części w kontrolowany ruch elektryczny. Poniżej znajdują się trzy zastosowania, w których można znaleźć silnik krokowy, a mianowicie: do sterowania biegiem jałowym, wskazówek w desce rozdzielczej oraz zaworów nagrzewnicy do sterowania wentylacją.
Silnik krokowy do kontroli biegu jałowego:
W stanie spoczynku przepustnica silnika benzynowego jest zamknięta. Aby silnik mógł pracować na biegu jałowym, wymagany jest mały otwór. Przejście musi być również regulowane, ponieważ temperatura i obciążenie (np. włączenie odbiorników takich jak pompa klimatyzacji) wpływają na wymaganą ilość zasysanego powietrza.
W nowoczesnych silnikach położenie przepustnicy jest precyzyjnie kontrolowane. Znajdujemy również systemy, w których przepustnica jest całkowicie zamknięta, a powietrze jest kierowane wokół przepustnicy poprzez sterowanie obejściowe. Cyrkulacja powietrza może być realizowana za pomocą silnika prądu stałego sterowanego PWM lub silnika krokowego. Zobacz stronę o przepustnica.
Trzy poniższe zdjęcia przedstawiają silnik krokowy, który służy jako regulator prędkości biegu jałowego. Otwarcie obejścia sterowane jest za pomocą wału ze stożkowym zakończeniem. Obracanie twornika w silniku krokowym powoduje obrót przekładni ślimakowej.
- Obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara: przekładnia ślimakowa obraca się do wewnątrz (duży otwór w obejściu);
- Obroty zgodnie z ruchem wskazówek zegara: przekładnia ślimakowa obraca się na zewnątrz (mały otwór w obejściu).
Tablica przyrządów:
Tablica przyrządów jest często wyposażona w wiele silników krokowych obsługujących miernik poziomu paliwa w zbiorniku, prędkościomierz, obrotomierz, temperaturę silnika, a w poniższym przykładzie także licznik zużycia paliwa pod obrotomierzem. Poniżej pokazano tablicę przyrządów BMW.
Z tyłu (wewnątrz) tablicy przyrządów znajduje się pięć silników krokowych w czarnej obudowie. Po prawej stronie widzimy omawiany silnik krokowy bez obudowy. Tutaj wyraźnie widać dwie cewki i cztery połączenia (dwa po lewej, dwa po prawej), po których możemy rozpoznać bipolarny silnik krokowy. Silnik krokowy może regulować igły wskaźnikowe w małych krokach. Polecenie regulacji pochodzi z ECU w zestawie wskaźników.
Poniższy schemat przedstawia wejścia i wyjścia sterownika silnika krokowego. To jest układ scalony w zestawie wskaźników, który przetwarza przychodzące informacje na sygnał wyjściowy dla silnika krokowego:
- poziom paliwa w zbiorniku (pływak zbiornika);
- prędkość pojazdu (generator impulsów w skrzyni biegów lub czujniki ABS);
- prędkość obrotowa silnika (czujnik położenia wału korbowego);
- temperatura (czujnik temperatury płynu chłodzącego).
Na schemacie blokowym czerwone i zielone strzałki pokazują połączenia (A do D) na cewkach silnika krokowego.
Zawory kierujące powietrzem w piecu:
Często spotykamy silniki krokowe w elektronicznie sterowanych zaworach odpowietrzających dom z piecem. Poniższe zdjęcia przedstawiają zdjęcie zaworu temperatury powietrza (po lewej) i ilustrację pozycji montażowej (po prawej). Silnik krokowy steruje zaworem za pomocą mechanizmu, gdzie cyfra 4 na rysunku oznacza punkt obrotu. Jeśli silnik krokowy działa nieprawidłowo lub po wymianie, w ECU należy podać położenie początkowe i końcowe. Za pomocą sprzętu diagnostycznego możemy nauczyć się zatrzymania zaworu, dzięki czemu ECU wie, kiedy zawór jest całkowicie otwarty, a kiedy zamknięty, a także może określić, jak długo powinien napędzać silnik krokowy, aby częściowo otworzyć zawór.
Silnik krokowy z magnesami trwałymi (typ PM):
Ten typ silnika krokowego posiada wirnik z magnesem trwałym. Zaletą tego silnika krokowego jest jego prosta konstrukcja, a co za tym idzie niska cena. Poniżej znajdują się informacje dotyczące działania tego silnika krokowego.
Wirnik silnika krokowego może wykonać pełny obrót z kilkoma etapami pośrednimi. W przykładzie na czterech poniższych obrazach pokazane są cztery etapy pośrednie na obrót. Wirnik można zatem zatrzymać co 90 stopni. Lewy silnik krokowy znajduje się w pozycji 1, z biegunem północnym wirnika na górze i biegunem południowym na dole. Aby obrócić wirnik o 90 stopni w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, prąd do cewki z zaciskami C i D zostaje przerwany, a druga cewka zostaje zasilona. Można to zobaczyć w drugim silniku krokowym. Lewy but na biegunie zmienia kolor na czerwony (biegun północny), a prawy na czarny (biegun południowy). Spowoduje to ustawienie wirnika w pozycji 2.
Działa to również w ten sposób z ustawieniami 3 i 4; cewka między C i D jest zasilana w pozycji 3, ale prąd płynie w przeciwnym kierunku, jak w pozycji 1. Górny klocek biegunowy jest teraz biegunem północnym, a dolny jest biegunem południowym. Wirnik będzie teraz w pozycji 3. W pozycji 4 dolna cewka zostanie ponownie zasilona, a wirnik obróci się do pozycji 4.
Czterobiegowy silnik krokowy można zatrzymać co 90 stopni. Jeśli jest to niewystarczające dla aplikacji, do której używany jest silnik krokowy, można go również ustawić w ośmiu krokach. Jest to możliwe w przypadku tego samego silnika krokowego, ale podczas tych etapów pośrednich obie cewki będą zasilane jednocześnie.
Poniższy obrazek przedstawia te etapy pośrednie. Są to kroki od 5 do 8. Jak widać, ustawienie 5 znajduje się pomiędzy krokami 1 i 2. To samo dotyczy kroku 6 (między krokami 2 i 3) itd. Podczas tych etapów pośrednich prąd przepływa przez obie cewki.
Kiedy wirnik musi zostać obrócony do kroku 5, prąd przepływa zarówno przez dolną cewkę od A do B, jak i górną cewkę od C do D. Istnieją więc teraz dwa bieguny północne (czerwone bieguny) i dwa bieguny południowe (czarne bieguny). Wirnik będzie w pozycji 5.
Aby obrócić wirnik o dalsze 45 stopni (do pozycji 2), ponownie obowiązuje schemat silnika krokowego z czterema pozycjami. Dolna cewka zostanie ponownie zasilona, aby umożliwić przepływ prądu z A do B.
Jeśli następnie silnik krokowy zostanie obrócony o 45 stopni dalej (do pozycji 6), powyższy obraz pojawi się ponownie, a obie cewki będą pod napięciem.
Silnik krokowy jest zawsze sterowany przez urządzenie sterujące. Tranzystory w układzie scalonym sterownika urządzenia sterującego zapewniają zasilanie i odprowadzanie prądu do i z nabiegunników. Jednostka sterująca zawiera osiem tranzystorów. Kontrolując prawidłowo te osiem tranzystorów, silnik krokowy wykona pełny obrót w czterech lub ośmiu krokach. Obrót może odbywać się w dwóch kierunkach; lewo i prawo. Urządzenie sterujące zapewnia przewodzenie właściwych tranzystorów.
Na obrazku widzimy silnik krokowy sterowany za pomocą urządzenia sterującego. Tranzystory 1 i 4 są włączone. Aby ułatwić sterowanie, tranzystory i przewody są pomalowane na czerwono i brązowo. Tranzystor 1 (czerwony) łączy zacisk A z dodatnim, a tranzystor 4 (brązowy) łączy zacisk B z masą.
Ponieważ tranzystory 2 i 3 nie są włączone, nie przepływa przez nie prąd. Gdyby tak było, doszłoby do zwarcia.
Na zdjęciu silnik krokowy jest obrócony nieco dalej. W tym celu tranzystory 6 i 7 muszą być również przewodzące.
Aby umożliwić silnikowi krokowemu dalsze obracanie się, przewodzenie zostaje zatrzymane przez tranzystory 1 i 4. Tylko tranzystory 6 i 7 nadal przewodzą, powodując przyjęcie przez silnik krokowy pozycji 3.
W następnym kroku należy włączyć tranzystory 2 i 3.
Silnik krokowy o zmiennej reluktancji (VR):
Podobnie jak silnik krokowy z magnesami trwałymi, silnik krokowy o zmiennej reluktancji zawiera bieguny stojana z cewkami. Od omawianego wcześniej silnika krokowego różni się on wirnikiem zębatym wykonanym z metali ferromagnetycznych, takich jak nikiel czy żelazo. Oznacza to, że wirnik nie jest magnetyczny. Ten typ silnika krokowego jest obecnie rzadko używany.
Cewka stojana po jednej stronie (A) jest nawinięta w odwrotną stronę niż cewka po drugiej stronie (A'). To samo oczywiście dotyczy B i B' itd. Zęby wirnika są przyciągane przez strumień magnetyczny wytwarzany przez zasilanie cewek stojana.
Zaletami silnika krokowego VR w porównaniu do wersji z magnesami trwałymi są:
- Ze względu na brak magnesów trwałych produkcja silnika krokowego VR jest mniej szkodliwa dla środowiska;
- Nie jest konieczne odwracanie polaryzacji cewek stojana. Pozwala to na prostsze sterowanie;
Wady to:
- Niski moment obrotowy;
- Niska dokładność;
- Większa produkcja hałasu. Liczba zastosowań, w tym motoryzacyjnych, jest zatem ograniczona;
- Ze względu na brak magnesów trwałych, podczas postoju nie występuje moment trzymający.
Hybrydowy silnik krokowy:
Hybrydowy silnik krokowy ma wirnik zębaty z magnesami trwałymi i stojan zębaty z ośmioma cewkami z małą szczeliną powietrzną pomiędzy wirnikiem a stojanem. Wirnik składa się z dwóch kół zębatych przesuniętych o 3,6° względem siebie. Wewnątrz rotora znajduje się duży magnes. Na magnes dociskane są dwie stalowe zębatki. Koła zębate również stają się magnetyczne dzięki obecności magnesu. Jeden bieg jest namagnesowany jako biegun północny, a drugi jako biegun południowy. Każdy ząb wirnika staje się biegunem magnetycznym. Dlatego mówimy o „wirniku bieguna północnego” i „wirniku bieguna południowego”. Ze względu na zmianę biegów bieguny północny i południowy będą się zmieniać podczas obrotu. Każde koło zębate ma 50 zębów.
W momencie, gdy sterownik silnika krokowego przewodzi prąd przez cewkę stojana, cewka staje się magnetyczna. Północne bieguny cewek przyciągają południowe bieguny wirnika, powodując obrót wirnika.
Trzy poniższe obrazy pokazują sterowanie dwiema fazami (czerwoną i pomarańczową) hybrydowego silnika krokowego.
A. Wirnik silnika krokowego obrócił się do swojego aktualnego położenia (patrz rysunek), ponieważ pokazane cewki zostały wykonane jako magnetyczne.
- Zielony bieg to biegun południowy, który jest przyciągany do biegunów północnych stojana;
- Zęby wirnika i stojana są wyrównane względem siebie w miejscach naciągnięcia wirnika. Dla przejrzystości punkty te są oznaczone czarnym znakiem we wszystkich trzech sytuacjach;
- Czerwony bieg znajduje się za zielonym biegiem. Ponieważ koła zębate są obrócone względem siebie, widoczne są czerwone zęby. Bieguny północne wirnika przyciągają bieguny południowe stojana.
B. Sterowanie zmieniło fazy. Pole magnetyczne pomiędzy pomarańczowymi cewkami a wirnikiem zniknęło. Teraz kontrolowane są cewki fazy „czerwonej”, co powoduje powstawanie pola magnetycznego pomiędzy czerwonymi cewkami a wirnikiem.
- W wyniku przełączenia pola magnetycznego z cewek pomarańczowych na czerwone, wirnik obraca się o 1,8° w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara;
- Aby obrócić wirnik w lewo zamiast w prawo, należało odwrócić polaryzację (kierunek prądu) poprzez czerwone połączenia. Przecież kierunek prądu płynącego przez cewkę określa kierunek pola magnetycznego, a zatem „położenie” bieguna północnego i południowego.
C. Sterowanie ponownie zmieniło fazę i wirnik ponownie obrócił się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara o 1,8°.
- Te same cewki, co w sytuacji A, są pod napięciem, ale polaryzacja pomarańczowych przewodów została odwrócona;
- Wirnik można ponownie obrócić w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, sterując cewkami, jak pokazano w sytuacji B;
- Aby wirnik obracał się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, czerwone cewki również są zasilane, ale polaryzacja jest odwrócona w porównaniu z sytuacją B.
W powyższych przykładach widać, że wirnik bieguna północnego jest przyciągany przez cewkę bieguna południowego, a jednocześnie wirnik bieguna południowego jest przyciągany przez cewkę bieguna północnego. Dzięki temu hybrydowy silnik krokowy wykonuje bardzo precyzyjne ruchy, a przy tym dysponuje wysokim momentem obrotowym.
Hybrydowy silnik krokowy może być wyposażony w większą liczbę par biegunów i więcej zębów na wirniku, umożliwiając wykonywanie kroków do 0,728° i 500 kroków na obrót.
