Schrittmotor

Über den Schrittmotor

Definition: Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, der eine volle Umdrehung in mehrere gleiche Schritte aufteilt. Die Motorposition kann dann so eingestellt werden, dass sie sich in einem dieser Schritte ohne Rückkopplungssensor (Regler) bewegt und hält, solange der Motor in Bezug auf Drehmoment und Drehzahl sorgfältig auf die Anwendung dimensioniert ist.

Wofür sind Schrittmotoren gut?

• Positionierung - Da sich Schrittmotoren in präzisen, wiederholbaren Schritten bewegen, eignen sie sich hervorragend für Anwendungen, die eine präzise Positionierung erfordern, z. B. 3D-Drucker, CNC, Kameraplattformen und X- und Y-Plotter. Einige Festplatten verwenden auch Schrittmotoren, um den Lese-/Schreibkopf zu positionieren.
• Geschwindigkeitskontrolle - Präzise Bewegungsinkremente ermöglichen auch eine hervorragende Kontrolle der Drehzahl für die Prozessautomatisierung und Robotik.
• Drehmoment bei niedriger Drehzahl - Normale DC - Motoren haben nicht sehr viel Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Ein Schrittmotor hat ein maximales Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Daher sind sie eine gute Wahl für Anwendungen, die niedrige Drehzahlen mit hoher Präzision erfordern.

Was sind ihre Grenzen?

• Geringer Wirkungsgrad - Im Gegensatz zu Gleichstrommotoren ist der Stromverbrauch des Schrittmotors unabhängig von der Last. Sie ziehen am meisten Strom, wenn sie überhaupt keine Arbeit machen. Aus diesem Grund neigen sie dazu, heiß zu werden.
• Begrenztes Drehmoment bei hohen Drehzahlen - Im Allgemeinen haben Schrittmotoren bei hohen Drehzahlen ein geringeres Drehmoment als bei niedrigen Drehzahlen. Einige Schrittmotoren sind für eine bessere Hochgeschwindigkeitsleistung optimiert, müssen jedoch mit einem geeigneten Treiber gekoppelt werden, um diese Leistung zu erzielen.
• Keine Rückmeldung - Im Gegensatz zu Servomotoren verfügen die meisten Schrittmotoren nicht über eine integrierte Positionsrückmeldung. Obwohl eine große Präzision im offenen Regelkreis erzielt werden kann. Endschalter oder 'Home'-Melder werden typischerweise zur Sicherheit und/oder zur Ermittlung einer Referenzposition benötigt.

Studie

Der Schrittmotor mit einem gezahnten Rotor (Abbildung 2) wird mithilfe der transienten Magnetanalyse ("Transient Magnetic") von EMS analysiert.
Der Stator besteht aus vier Speichen, von denen jede von einer Kupferspule umgeben ist. Der an jeder Spule anliegende Strom ist ein zeitverzögertes Impulssignal. Die von den Spulen auf den Rotor ausgeübte elektromagnetische Kraft und das elektromagnetische Drehmoment werden berechnet. Der magnetische Flussdichteweg durch den Rotor und den Stator für alle Zeitschritte wird ebenfalls erhalten. Darüber hinaus wird die Stromdichte von EMS angegeben.

Das transiente Magnet-Modul von EMS dient zur Berechnung und Visualisierung von Magnetfeldern, die sich über die Zeit ändern. Diese Felder werden typischerweise durch Strom- oder Spannungsstöße verursacht. Diese Art der Analyse kann linear oder nicht linear sein. Es geht auch auf Wirbelströme, Leistungsverluste und magnetische Kräfte ein. Nach der Erstellung einer transienten Magnetstudie in EMS müssen immer vier wichtige Schritte befolgt werden: 1 - Auswählen des richtigen Materials für alle festen Körper, 2 - Auswählen der erforderlichen Randbedingungen oder der sogenannten Lasten/Beschränkungen in EMS, 3 - Vernetzen des gesamten Modells und 4 - Ausführen des Solvers.

Materialien

Bei der transienten Magnetanalyse von EMS werden die folgenden Materialeigenschaften benötigt (Tabelle 1).

Elektromagnetische Eingangsgrößen

In dieser Studie werden 4 Spulen (Tabelle 3) und der Rotor (Tabelle 3) verwendet, an dem das Drehmoment (virtuelle Arbeit) berechnet werden muss.

Tabelle 2 - Spuleneigenschaften

Im "Transient Magnetic" - Modul sollten wir die Erregungswellenform (Spannung oder Stromquelle) der Spule wie in der folgenden Abbildung gezeigt angeben.

Vernetzen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netztoleranz und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich.

Die Netzqualität kann mit der Netzsteuerung (Tabelle 4) eingestellt werden, die auf feste Körper und Flächen angewendet werden kann. Unten (Abbildung 4) ist das vernetzte Modell nach Verwendung der Netzsteuerungen ("Mesh controls") dargestellt.

Tabelle 4 - Mesh controls

Abbildung 4 - Vernetztes Modell (Innenluft im linken Bild gezeigt)

Ergebnisse

Nach dem Ausführen der Simulation dieses Beispiels können wir viele Ergebnisse erhalten. Magnetostatisches Modul erzeugt die Ergebnisse von: Magnetische Flussdichte (Abbildung 6), Angewandte Stromdichte (Abbildung 7), Kraftdichte und einer Ergebnistabelle, die die berechneten Parameter des Modells, der Kraft und des Drehmoments enthält (Abbildung 8).

Abbildung 6 - Magnetische Flussdichte Bei 0,0015 s ist der Fluss nahe der erregten Spule maximal






Abbildung 7 - Angewandte Stromdichte bei 0,004 s. Während jedes T/4 wird nur eine Spule erregt

Fazit

Durch das Erstellen mehrerer Studien kann der Benutzer die Materialien, die Anzahl der Windungen, den Strom durch jede Windung und die Geometrie jedes Teils ändern. Mit EMS kann der Benutzer dieselbe Baugruppendatei beibehalten und jede Studie mit einer Position in der Konstruktionstabelle verknüpfen. Alle diese Funktionen sind für Konstrukteure sehr hilfreich und können verwendet werden, um die Schrittmotorparameter zu bestimmen, die geändert werden müssen, um die Motorleistung zu optimieren. EMS ist nicht nur vollständig in SolidWorks und Inventor integriert, sondern auch genau und einfach zu bedienen.