Немного теории о шаговых двигателях и о том, как подобрать шаговый двигатель
Начнем, пожалуй, с того, чем руководствуется обычный человек, который никогда не имел дела с подобными устройствами и испытывает интерес к вопросу, но не вполне способен подобрать то, что ему нужно. С чего же стоит начать при выборе двигателя... Интернет пестрит различными советами и гайдами, с определением веса нагрузки и типом выбранной передачи на оси, но это все больше похоже на магию, так как, при сборке станка или другого устройства, использующего шаговые приводы трудно вычленить все действующие силы на конкретный узел, что сводит все советы к "купи, попробуй... не выйдет, купи больше и пробуй снова". На самом деле, действительно сложно определить какой привод подойдет именно Вам, но есть тысячи примеров, на основе которых можно хотя бы приближенно понять, что Вам нужен NEMA 23, а не NEMA 34 или наоборот, но что дальше?... А дальше идет сущий мрак, начиная от токов, напряжений и других характеристик, которые якобы показывают, как и что будет работать, но давайте рассмотрим поближе сам процесс изготовления шаговых двигателей и почему, казалось бы, одинаковые приводы работают так по-разному, почему у одних на таком же станке прекрасно справляются NEMA 23, а у второго они задыхаются без видимых причин, вызывая при этом процесс поиска бутылочного горлышка где угодно, но не в самом приводе, так как многие думают, что они все одинаковые раз выглядят примерно одинаково, но это далеко не так.
Итак, как Вы рассматриваете двигатель, который хотите купить? В большинстве случаев все начинается с цифры крутящего момента, что вполне логично, но мало кто знает, что 100% производителей не указывает динамический момент на своих двигателях, а указывают какой-то момент удержания, что для обычного человека вроде бы и понятно, но не отражает действительности даже и на 50%. Давайте определим, что же такое момент удержания и почему указывают именно его. Момент удержания шагового двигателя - ключевая характеристика, связанная, в первую очередь, со способностью двигателя удерживать ротор от вращения, что вполне себе логично. Но мало кто использует шаговые приводы таким образом, я сомневаюсь, что много людей что-то держат валом и это основная работа, которая требуется от устройства. Двигатель должен что-то двигать и здесь начинается другая магия... в дело вмешивается какая-то индуктивность, будь она неладна, обратная ЭДС вообще опасна для жизни, а токи Фуко постоянно стремятся что-то нагреть и не давать приводу вращаться, вишенка на торте - резонанс, вообще непонятный зверь, когда хочет приходит, когда хочет уходит, но жить мешает.
Итак, момент удержания шагового привода это момент, который при включении обмоток привода создается полем катушек и удерживает намагниченный ротор в одном положении, тут все просто. На самом деле, если достать ротор из двигателя и поместить его в корпус с постоянными магнитами, вместо электромагнитных катушек, то мы получим тот же эффект, ротор будет стоять в поле постоянных магнитов и работать как некая пружина, совершая работу по сопротивлению вращению, толку, собственно, для нас ноль.
Далее есть некий detent torque или момент фиксации (см. иллюстрацию ниже). Это момент, с которым магниты ротора сопротивляются движению, благодаря взаимодействию с металлом корпуса привода и самими обмотками. Так вот, несмотря на то, что эта величина обычно мала, но её тоже стоит учитывать, так как крутящий момент будет постоянно расходоваться на преодоление момента фиксации и эту величину следует отнять от значения именно крутящего момента (который нигде не указан, но об этом позже).
Идем дальше, а дальше у нас самое распространенное заблуждение при выборе шагового двигателя - опираться на характеристику тока, то есть на его амперы. Сама по себе данная характеристика имеет значение, но совсем не то, которое в нее вкладывает большинство. Ток важен, но не для оценки крутящего момента, а для оценки динамики его потери при вращении, именно так его и стоит рассматривать. Есть простое правило - при рассмотрении двух идентичных двигателей по массо-габаритным характеристикам (к примеру оба привода 80 мм длиной и с фланцем NEMA 23) с током 2 А и 4 А при одинаковом напряжении и одинаковых драйверах, при вращении их с одинаковым ускорением от 0 до 500 оборотов в минуту терять момент начнет раньше тот двигатель, ток которого ниже, но оба двигателя достигнут одинакового момента. Просто двигатель с высоким током начнет "сдуваться" позже, то есть начнет терять момент на более высоких оборотах, а двигатель с низким током достигнет максимального момента раньше и это и есть основное отличие. Сам по себе динамический крутящий момент у них абсолютно равнозначен и определяется только длиной корпуса и его фланцем (шириной).
Почему так? А потому, что магнитный поток это индуктивность (количество витков медного провода в обмотках) умноженная на ток, текущий по обмоткам, напряжение в данной ситуации просто скорость "тележки" в которой этот ток едет, чем выше скорость тележки (выше напряжение) тем больших оборотов достигнет двигатель до потери момента. Индуктивность растет с числом витков в обмотках, если взять спичечный коробок и поместить в него моток провода толщиной 0,1 мм и взять второй коробок и поместить в него моток провода толщиной 1 мм, то, очевидно, что больше витков мы сделаем тонким проводом, но не сможем через него пропустить большой ток, так как он просто перегорит, в противоположность ему у нас есть второй коробок, в котором лежит моток, сделанный толстым проводом и здесь уже много витков мы не сделаем, иначе не вместимся в коробок, но тока сможем пропустить в разы больше, как результат - магнитный поток обоих мотков будет одинаков, так как пропускаемый ток связан с толщиной проводника, а чем меньше толщина, тем выше индуктивность и результирующий магнитный поток у обоих будет одинаковый (плюс-минус). Давайте это все закрепим небольшим набором ответов на частности.
Вводные данные: имеем два одинаковых шаговых двигателя А и Б с разным током обмоток 2А и 4А, далее их сравнение:
- Динамический момент А = БКакие приемы используют производители для того чтобы выжать максимум из конкретного типоразмера двигателя? Очевидно, что заполняемость обмоток при использовании толстых проводов будет хуже, поэтому, как правило, используется согнутый вдвое более тонкий провод, который подключается к одному полюсу и по суммарной площади будет равен заданной величине, при этом будет более плотно укладываться в статоре и заполнять его полости больше, что даст больше индуктивности при высоком токе и увеличит магнитный поток. Еще один из вариантов - повышение качества изолированного провода в сторону уменьшения сопротивления и увеличения пропускной способности по току. Мало ведь кто задумывается чем намотан конкретный шаговик... но все знают, что хорошая медь стоит недешево.
- Момент удержания А = Б
- Максимальная скорость потери момента А < Б
- Минимальная скорость достижения пикового динамического момента A < Б (достигается раньше)
- Превышение тока от номинального на 1 Ампер на двигателе А вызовет такое же возрастание момента как и аналогичное превышение на двигателе Б и примерно с тем же смещением по скоростной характеристике, параллельно с равноценным перегревом.
- Увеличение напряжения на двигателе А сместит точку потери момента в сторону больших оборотов, так же, как и на двигателе Б.
Теперь плавно переходим к следующему правилу, а именно: чем больше двигатель, тем он медленнее (тем раньше начинает падать его динамический момент). Поэтому возможна ситуация, когда на определенных оборотах NEMA 23 112 мм будет близок по динамическому моменту к NEMA 34 98 мм только за счет того, что второй привод весь свой момент уже растеряет на такой скорости, но это, правда, не отменяет момент инерции более массивного ротора. Поэтому при выборе приводов, учтите, что NEMA 34 не может в ту скорость, в которую может NEMA 23 без потери момента. По умолчанию, его более массивные и высокоиндуктивные обмотки начнут терять момент намного раньше более компактных двигателей, это стоит учитывать. Но на малых оборотах все отлично у всех.
И теперь мы подошли к важному вопросу: так а что же нам говорит цифра момента удержания, указанная в характеристиках двигателя? А говорит она нам крайне мало, для определения реального динамического момента она бесполезна. Поэтому единственное на что Вы сможете опереться это индуктивность и ток, а вернее простые правила их взаимодействия, а также, габариты корпуса.
Устройство шагового двигателя
Ниже приведена иллюстрация составляющих частей шагового двигателя
1. Корпус из кремнистой стали, набран пластинамиДалее, мы рассмотрим процесс производства шаговых двигателей, но сразу отвечу на пару популярных вопросов, так как мы часто принимаем заказы на нестандартные приводы.
2. Ротор из кремнистой стали, набран пакетами со смещением относительно друг друга на 1,8 град.
3. Вал из легированной стали
4. Пвх изоляторы обмоток от корпуса, или пеналы
5. Изолирующие втулки для торцевой изоляции обмоток и удержания выводов
6. Обмотки
7. Пружинная шайба и обычная шайба
8. Подшипники
9. Торцевые крышки
10. Болты
Можно ли сделать шаговый привод большей длины, ведь достаточно просто сделать статор и ротор из большего числа пластин?
Ответ: сделать можно, но есть несколько моментов, ознакомившись с которыми сразу отпадает вопрос:
— центровка вала в опорах на фланцах - существующие типоразмеры выбраны неслучайно, чем длиннее привод, тем сложнее выставить вал в фланцах таким образом, чтобы он был строго параллелен статору, для популярных типоразмеров существует набор кондукторов и отлажена цепочка ОТК, если Вам нужен привод длиннее то это влечет за собой ряд дополнительных затрат и, зачастую, не имеет смысла.Почему двигатели с валом-винтом ШВП такие дорогие?
— для намотки удлиненного привода требуется специальная намоточная машина
— индуктивность такого привода будет выходить за пределы оптимальных значений относительно генерируемого момента
— шлифовка поверхностей ротора и статора будет занимать значительно больше времени на одно изделие
— параллельность ротора и статора также будет сложнее реализовать
Ответ: Для изготовления качественного вала с хотя бы 500 мм отрезком винта нужно накатать его на цельном куске металла, затем подготовить на одном из его концов посадку под сегменты ротора и подшипники, напрессовать ротор на довольно длинный вал, при этом не изменив его геометрии. Все это сопровождается постоянным контролем прямолинейности, следовательно трудозатрат на такое изделие, более чем много. Если делать это кое как, то стоимость будет меньше, но SHENLI так не делает.
Производство шаговых двигателей и их качество
Начинается весь процесс с получения расходников, особенность работы в КНР такова, что производить корпус и ротор выгоднее на специализированных производствах подрядчиков, следовательно корпуса шаговых двигателей из кремнистой стали поступают на фабрику в необработанном виде, пакеты пластин ротора из того же материала и в том же необработанном виде, сами валы изготавливаются из легированной стали массово на специализированном производстве с большим числом обрабатывающих центров, поэтому на входе мы имеем сначала 3 основные компонента, 2 из которых в сыром виде, а один уже готов к использованию.Первым этапом производства является напрессовка на вал сегментов ротора со смещением в 1,8/0,9 градуса, данная операция производится на специальных прессах с использованием фиксирующих составов и тугой посадки на вал, который имеет специальные ограничивающие уступы.
Следующий момент - центровка и зазор между ротором и статором, равномерность зазора должна быть максимальной, для этого на фабрике SHENLI используется специальное шлифовальное оборудование для обеспечения максимальной параллельности ротора статору.
Шлифовка роторов
Шлифовка статоров
Равномерный зазор и центровка магнитов статора относительно вала, на котором они напрессованы, также, имеют высокое значение, равномерность магнитного потока при любом положении ротора обеспечивает плавную работу двигателя и снижает шум, повышает КПД привода, тем самым косвенно влияет на динамический крутящий момент. При этом на момент удержания это практически не влияет, так как ротор в режиме удержания стоит на месте, а вот с динамическими показателями у двигателей с плохой подгонкой большие проблемы.
По окончанию шлифовки производятся замеры качества обработки и дальше статор поступает на установку пеналов и дальнейшую намотку, ротор уходит на напрессовку подшипников.
Итак, намотка, данный процесс происходит при помощи специальной машины, для каждого фланца двигателя она своя, ниже на видео можно посмотреть как наматывается NEMA 23 и NEMA 34. Статор предварительно оснащается изоляторами (пеналами) как на иллюстрации ниже, затем попадает на намоточную машину.
Намотка NEMA 23/24
Намотка NEMA 34
Намоточная машина автоматически с заданным шагом наматывает на подготовленный статор две обмотки двигателя, оставляя свободные концы которые в дальнейшем на следующем участке припаиваются к выводам. В зависимости от требований заказчика выводы изготавливаются в разных исполнениях. Для наших клиентов из России и стран СНГ мы всегда используем провод RVVP в общей оплетке с дальнейшей установкой защитного кожуха на вывод, чтобы обеспечить лучшую защиту в месте, где провод легче всего повредить и сложнее всего восстановить, отказ от любого типа разъемов это прихоть именно отделения SHENLI в РФ, чтобы избежать случайного размыкания на ходу, дабы сохранить оборудование клиентов от повреждения обратной ЭДС.
Процесс присоединения выводов Вы можете посмотреть на следующем видео, как видите, ничего сложного при наличии специального станка.
Пайка выводов к обмоткам
После данного этапа идет 100% тестирование статоров, все двигатели SHENLI проходят эту процедуру без исключений, что позволяет избежать брака и возникновения ситуаций, когда у нашего клиента на руках оказывается нерабочий привод, либо привод, не соответствующий заявленным характеристикам. Несмотря на то, что данный процесс не является чем-то космическим, он требует времени и трудозатрат. Это второй этап, которым занимается ОТК.
Проверка обмоток
Далее следует сборка привода и намагничивание, процесс намагничивания критически важен. Без магнетизма шаговый двигатель - груда металла. Намагничивается уже собранный привод в поле с определенными характеристиками. Если привод до намагничивания подключить к драйверу, то Вы ничего не добьетесь, кроме невнятных подергиваний вала.
После намагничивания идет третий этап, которым занимается отдел ОТК. На данном этапе снимаются динамические электрические характеристики с изготовленных приводов, для того, чтобы убедится не произошло ли случайного обрыва вывода и адекватно ли работает привод.
На последнем этапе проверяется момент удержания и динамический момент, графики которого доступны у нас на сайте в разделе с шаговыми двигателями. На этом собственно и все, ничего сложного на первый взгляд, но на самом деле за этой простотой лежит путь длиной в 16 лет, на протяжении которых компания SHENLI совершенствовала этапы и выстраивала цепочку этого нехитрого производства, доведя его до идеала. На данный момент процент брака составляет не более 1 и обычно до клиента не добирается. За 2 года (на момент написания этой статьи) к нам не поступило ни одной жалобы на приводы SHENLI, а только констатации того факта, что эти шаговики имеют лучшие характеристики в целом работают отлично. Обычно для клиентов это прозрение, так как сравнить было не с чем, когда покупался двигатель с али экспресс :)
Нюансы и аспекты
Но давайте все-таки поближе глянем за что же Вы платите, покупая шаговый двигатель SHENLI, вернее глянем, в каком месте могут экономить и экономят многие другие производители, сборщики, хламотронщики и прочие недобросовестные ребята, пользуясь тем, что покупатель зачастую не вникает в детали а исходит только из внешнего вида и цены.Начнем с корпуса. Корпус шагового двигателя это интересный объект инженерной мысли, обратите внимание как он сделан, если не обращали ранее. Фактически он похож на сердечник трансформатора наоборот. Набран тонкими листами стали, склеенными/спаянными воедино. Так вот, сталь эта обязательно должна обладать нужными характеристиками по магнитной проводимости, как правило, используется кремнистая сталь, набрана она пластинами для подавления явлений, связанных с токами Фуко, которые неизбежно возникают в шаговом двигателе. Качество этой стали сильно влияет на характеристики шагового двигателя и его нагрев. В производстве шаговых приводов SHENLI используется высоколегированная кремнистая сталь с текстурированным (ориентированным) зерном, что на 40-60% снижает эффект возникновения токов Фуко, такая же сталь используется для изготовления ротора. Для удешевления производства многие производители из КНР грешат применением низколегированных кремнистых сталей, часто NOES типа, без ориентации слоя, что сильно повышает нагрев двигателя. Визуально тип стали определить невозможно, только по цвету излома. Но переломить двигатель пополам Вам вряд ли позволят перед покупкой.
Следующий момент - центровка вала в фланцах. На заводе SHENLI, после шлифовки проверяется диаметр отверстия под фланец, после намотки в статор при помощи специального пресса тугой посадкой с клеевым составом заводят фланцы из дюрали, парно отцентрированные, и только затем двигатель стягивается болтами. Параллельность максимально под контролем, никаких исключений, тепловое расширение так же учтено. Как Вы думаете, много можно сэкономить на данном этапе? Безусловно достаточно. Помимо постоянных временных затрат ОТК можно еще не покупать измерительные приборы и шлифовальные машины, крутится да и крутится, какая разница... главное примерно в 1,8 градуса на шаг попасть. Можете поискать на просторах интернета примеры работы электрических машин с неравномерным зазором между ротором и статором, узнаете много нового.
Таким же образом можно экономить на проверке динамических характеристик, Лаоваям и так пойдет... делать не ковровым методом а выборкой, но это не наш метод и не метод SHENLI.
Подшипники. Про подшипники можно говорить долго, но нас интересуют только пара моментов, влияющих на всю нашу шаговую кухню. Мало кто знает, что у подшипников есть собственная частота резонанса, и шаговый привод вполне способен в нее попасть, что будет крайне неприятно. Поэтому не все подшипники одинаково полезны, так сказать. Использование дешевых вариантов с треугольными шариками как раз могут подсунуть такую вот пакость, поэтому в этом месте экономить не стоит по двум причинам: опасность срыва в резонанс и просто недолговечность подшипника. Ну и посадка, если вал летает в 3х плоскостях внутри двигателя, то это тоже качества не добавляет.
Медь. Как и подшипники не вся медь одинакового качества, в данном месте также можно смахнуть пару долларов на себестоимости, также можно найти много информации по разным классам намоточного провода и качеству лака, его покрывающего, от чего зависит стоимость провода. Вот крутите Вы крутите двигатель, думаете он 155 градусов выдержит как и положено, а внезапно на 105 градусах он ловит клин и не дышит больше никогда, бывает и такое.
Ну что же, дорогие друзья, я кратко постарался описать ключевые характеристики и узкие места шаговодвигателестроения, надеюсь данная информация будет кому-то полезна. Выбирайте тщательно, не опирайтесь на маркетинг и удачных Вам проектов в построении ЧПУ. Спасибо за внимание!
И напоследок, немного залипательного тестирования