Produktkonsultation
Din e-postadress kommer inte att publiceras. Obligatoriska fält är markerade *
En växlad stegmotor är en stegmotor kombinerad med en mekanisk växellåda - antingen inbyggd direkt i motorhuset eller monterad som en diskret reduktionsenhet på motorns utgående axel. Stegmotorn i sig är en borstlös likströmsmotor som rör sig i exakta vinkelsteg (steg) varje gång en strömpuls appliceras på dess lindningar, vilket ger öppen slinglägeskontroll utan behov av en kodare eller återkopplingsanordning. Växellådan som är fäst vid den utgående axeln multiplicerar motorns vridmoment samtidigt som den minskar dess utgående hastighet proportionellt och - kritiskt - multiplicerar dess vinkelupplösning, så att varje elektriskt steg i basmotorn motsvarar en mycket mindre fysisk rotation av den slutliga utgående axeln.
För att förstå varför denna kombination är så användbar, överväg en standard NEMA 17 stegmotor med en stegvinkel på 1,8° (200 steg per fullt varv). Vid fullstegsdrift är den finaste positionsökningen som motorn kan producera 1,8°. Fäst en 10:1 växellåda till den motorn och den utgående axeln rör sig endast 0,18° per elektriskt steg - tio gånger finare positionsupplösning - samtidigt som den levererar tio gånger hållningen och det dynamiska vridmomentet för den oväxlade motorn (minus växellådans effektivitetsförluster). Denna dubbla fördel med högre vridmoment och finare upplösning från samma basmotor och drivrutin är det som gör växlade stegmotorer oumbärlig i precisionsautomation, robotik och instrumenteringsapplikationer där kompakt storlek, högt hållmoment och exakt positionering måste samexistera.
Växellådans typ bestämmer effektiviteten, spelet, ljudnivån, belastningskapaciteten och den fysiska formfaktorn för den kompletta stegmotorenheten. Tre växellådsarkitekturer används i kommersiella stegmotorer, var och en lämpad för olika applikationskrav.
En planetväxellåda - uppkallad efter arrangemanget av dess växlar, där flera "planet"-växlar kretsar kring en central "sol"-växel i en ringväxel - är den dominerande typen av växellåda i precisionsväxlade stegmotorapplikationer. Belastningen delas samtidigt över flera planetväxlar i ingrepp, vilket fördelar det överförda vridmomentet över en större total kontaktyta än ett enda kugghjulspar. Detta resulterar i en mycket kompakt montering med hög vridmomentdensitet med utmärkt koaxial inriktning mellan ingående och utgående axlar, lågt spel (vanligtvis 1–5 bågminuter för precisionsgrader) och hög radiell och axiell belastningskapacitet i förhållande till växellådans diameter. Planetväxlade stegmotorer finns tillgängliga i standard NEMA-ramstorlekar (NEMA 8, 11, 14, 17, 23, 34) och i utväxlingar från 3,7:1 till över 100:1 genom en- eller flerstegskonfigurationer. De är det föredragna valet för CNC-system, kollaborativa robotar, medicinsk utrustning och alla precisionspositioneringsapplikationer där glapp och lastkapacitet är kritiska.
En cylindrisk växellåda använder en serie externa cylindriska kugghjul med rakt skurna tänder arrangerade i en enkel kuggväxel. Varje växelpar i tåget ger ett steg av hastighetsminskning och vridmomentmultiplicering. Spårväxlade stegmotorer är enklare och billigare att tillverka än planetversioner, vilket gör dem populära för kostnadskänsliga applikationer där visst spel är acceptabelt och radiella belastningar på utgående axel är blygsamma. Typiska cylindriska stegmotorenheter har högre glapp än planetekvivalenter (vanligtvis 3–10° vid utgående axel, beroende på antalet steg och tillverkningskvalitet) och mindre effektiv vridmomentöverföring på grund av den glidande kontakten mellan rakt skurna kuggar. De är väl lämpade för applikationer som ventilmanövrering, enkla matningsmekanismer och lätt automation där kostnad prioriteras framför absolut precision.
En snäckväxellåda använder en spiralformad snäckskruv (ingången) i ingrepp med ett snäckhjul (utgången) för att uppnå stora hastighetsreduktioner i ett enda kompakt steg. Snäckväxlarstegmotorer kan uppnå reduktionsförhållanden på 5:1 till 100:1 i ett enda steg och producera en 90-graders offset mellan ingående och utgående axelaxlar - en fysisk fördel i applikationer där rätvinkeldrift krävs. Den mest utmärkande egenskapen hos en snäckväxelstegmotor är självlåsande: över ett visst utväxlingsförhållande (vanligtvis över 20:1) kan snäckväxeln inte drivas tillbaka av belastningen, vilket innebär att den utgående axeln håller sitt läge mekaniskt utan någon elektrisk hållström. Detta gör snäckväxlade stegmotorer värdefulla för applikationer som motoriserade grindar, lyftmekanismer och tiltplattformar där kraftbortfall inte får orsaka okontrollerade rörelser. Den betydande begränsningen är effektiviteten – snäckväxelns friktionsförluster är höga (vanligtvis 40–80 % verkningsgrad mot 90–97 % för planetväxellådor), vilket begränsar snäckväxlarnas stegmotorer till applikationer med lägre belastning där värmegenerering och energiförbrukning inte är kritiska problem.
Tabellen nedan sammanfattar de viktigaste prestandaskillnaderna mellan de tre huvudsakliga växellådstyperna som används i växlade stegmotorenheter för att hjälpa till vid det första valet.
| Kriterier | Planetarisk | Spur | Mask |
| Typisk motreaktion | 1–5 bågmin (precision) | 3–10° (flersteg) | Låg–måttlig |
| Effektivitet | 90–97 % | 85–95 % | 40–80 % |
| Vridmomentdensitet | Mycket hög | Måttlig | Måttlig |
| Bakåtkörbarhet | Ja | Ja | Självlåsande (högt förhållande) |
| Skaftorientering | Koaxial (in-line) | Koaxial eller offset | 90° rät vinkel |
| Ljudnivå | Låg | Måttlig | Låg–måttlig |
| Relativ kostnad | Medium–Hög | Låg–Medium | Låg–Medium |
| Bästa användningsfallet | Precisionspositionering, robotik | Kostnadskänslig automatisering | Högervinkeldrift, självlåsande |
Utväxlingsförhållandet för en kuggväxlad stegmotor är den enskilt mest inflytelserika specifikationen för att avgöra om en given enhet kommer att uppfylla kraven för en applikation. Att förstå exakt vad ett utväxlingsförhållande förändrar – och inte – förändrar motorsystemets beteende är avgörande för korrekt val och systemdesign.
Utväxlingsförhållandet N definieras som antalet ingående axelvarv som krävs för att producera ett varv av den utgående axeln. Ett utväxlingsförhållande på 10:1 betyder att motoraxeln slutför tio hela varv för varje varv på växellådans utgående axel. Vridmomentmultiplikationseffekten är enkel: utgående vridmoment är lika med motorns ingående vridmoment multiplicerat med utväxlingsförhållandet och multiplicerat med växellådans effektivitet (η). För en motor som levererar 0,5 Nm vid sin axel ansluten till en 10:1 planetväxellåda med 95 % verkningsgrad, är det utgående vridmomentet 0,5 × 10 × 0,95 = 4,75 Nm. Omvänt är den utgående axelns varvtal motorhastigheten dividerat med utväxlingen - en motor som körs med 600 rpm genom en 10:1 växellåda levererar 60 rpm vid utgången. Detta omvända förhållande mellan vridmoment och hastighet är den grundläggande mekaniska kompromissen som utväxlingsförhållandena hanterar.
En standardstegmotor på 1,8° per steg fullbordar ett varv i 200 hela steg. Genom en 10:1 växellåda roterar den utgående axeln 0,18° per fullt steg, vilket kräver 2 000 steg per utgående axelvarv. Genom en 50:1 växellåda flyttar varje steg den utgående axeln endast 0,036°, och 10 000 steg krävs per varv. Denna dramatiska förbättring av vinkelupplösningen innebär att mycket fin positionering – som att kontrollera fokus på ett mikroskopobjektiv, justera vinkeln på en antenn eller indexera ett roterande bord – blir möjlig med standardstegmotorhårdvara och en enkel steg-och-riktningsdrivrutin, utan att kräva mikrostepping eller dyr servoåterkoppling. Upplösningsmultiplikationen är en av de praktiskt taget mest värdefulla egenskaperna hos växlade stegmotorer och är ofta det primära skälet till att välja en växelmotor framför ett alternativ med direktdrift.
En växellåda minskar den reflekterade trögheten hos lasten som ses av motorn med en faktor lika med kvadraten på utväxlingsförhållandet. En last med ett tröghetsmoment på 100 kg·cm² som reflekteras genom en 10:1 växellåda framstår för motorn som endast 1 kg·cm² (100 / 10²). Denna tröghetsreduktion är avgörande för att uppnå optimal dynamisk prestanda – stegmotorer är mest lyhörda och minst benägna att stanna när lasttrögheten de måste accelerera är nära motorns egen rotortröghet (designprincipen "tröghetsmatchning"). Genom att sätta in en lämplig växellåda kan ett brett spektrum av verkliga belastningströgheter bringas in i det optimala matchningsintervallet för en given stegmotor, vilket maximerar accelerationsförmågan och noggrannheten i stegföljande.
Att välja en växlad stegmotor kräver utvärdering av en uppsättning av varandra beroende specifikationer som tillsammans avgör om monteringen kommer att fungera korrekt i målapplikationen. Att fokusera på endast en eller två parametrar – såsom vridmoment och utväxling – samtidigt som man ignorerar andra såsom glapp, maximal utgående axelhastighet eller tillåten radiell belastning leder till valfel som upptäcks först efter dyra prototyper eller installationer.
Kuggväxlade stegmotorer används över ett extremt brett utbud av automations-, robotteknik-, medicin- och instrumenteringsapplikationer. Deras kombination av exakt öppen-loop-positionskontroll, högt utgående vridmoment, kompakt formfaktor och enkel kontrollelektronik gör dem unikt väl lämpade för en uppsättning återkommande applikationsprofiler.
Planetväxelstegmotorer används i lederna av utbildningsrobotar, små kollaborativa robotarmar, stationära robotmanipulatorer och artikulerade plattformar av hobbyklass. Det höga vridmoment-till-storleksförhållandet hos en planetväxel NEMA 17 eller NEMA 23 stepper gör att den kan stödja och flytta armsegment mot tyngdkraften samtidigt som positionen bibehålls utan kontinuerlig ström i statiska håll (med lämplig hållström). Elimineringen av återkopplingssensorer och tillhörande ledningar, gränssnitt och inställning minskar systemets komplexitet jämfört med servobaserade alternativ i applikationer där kraven på hastighet och absolut precision är måttliga. Många populära robotarmssatser använder NEMA 17 stegmotorer med 5:1 eller 10:1 planetväxellådor på axel- och armbågsleder av exakt dessa skäl.
CNC-rotationsbord för fräsning och slipning använder planetväxelstegmotorer med hög kvot för att uppnå den vinkelupplösning och det hållmoment som krävs för exakt detaljindexering och kontinuerlig roterande axelkontur. Ett 5-axligt CNC-bearbetningscenters A- och B-rotationsaxlar drivs vanligen av snäck-planetära hybridväxlade stegenheter med utväxlingar på 90:1 till 180:1, vilket ger en båge-andra-nivå vinkelupplösning och vridmoment som är tillräckligt för att motstå skärkrafter utan glidning. Den självlåsande egenskapen hos snäckväxellådor med hög utväxling är dessutom värdefull här, eftersom den förhindrar tillbakadrivning av den roterande axeln när skärkrafter appliceras under bearbetningen.
Precisionspumpar för vätskedispensering, sprutmotorer, peristaltiska pumpar, motoriserade mikroskopsteg och automatiserade pipetteringssystem förlitar sig alla på växelstyrda stegmotorer för kombinationen av exakt dos- eller positionskontroll, kompakt storlek och tillförlitlig öppen-loop-drift utan återkopplingskomplexitet. Medicinska applikationer kräver växlade stegmotorer med renrumskompatibla material, låg partikelgenerering och i många fall biokompatibla eller steriliserbara husmaterial. Planetväxelstegare med lågt spel i NEMA 8 och NEMA 11 ramstorlekar är det dominerande valet för kompakt medicinsk och laboratorieinstrumentering där utrymmet är kraftigt begränsat och en positionsnoggrannhet på några mikrometers linjär rörelse (uppnås genom en skruv med fin stigning kopplad till den växlade stegutgången).
Motoriserade kulventiler, vridspjällsventiler och ventiler för HVAC-spjäll använder kugghjulsstegmotorer för att driva ventilelement till exakta vinkellägen som svar på byggnadsautomation eller processkontrollsignaler. Det höga utgående vridmomentet hos en växlad stegmotor - ofta 5–50 Nm för ventilställdonstillämpningar - övervinner sätes- och frigöringskrafterna i processventiler, medan den självhållande förmågan hos en strömsatt stegmotor (eller den mekaniska självlåsningen av en variant med snäckväxel med hög utväxling) bibehåller ventilens läge mot vätsketryck utan kontinuerlig effektförbrukning. Det enkla steg-och-riktningskontrollgränssnittet integreras enkelt med PLC och byggnadsledningssystem (BMS) utgångar.
Medan standardstegmotorer från NEMA 17 hanterar de flesta axlar i FDM 3D-skrivare, används växlade stegmotorer – särskilt de med planetväxellådor i förhållandet 3:1 till 5:1 – alltmer i extruderns drivmekanism. En växlad extruderstegare ger högre greppkraft på glödtråden, bättre indragningskontroll för minskad strängning och mer konsekvent extrudering vid både låga och höga flödeshastigheter jämfört med en direktdriven ogarad motor av samma ramstorlek. Orbiter- och Sherpa-extruderdesignerna som är populära i FDM-gemenskapen använder kompakta planetväxlade NEMA 14- eller specialutväxlade NEMA 17-motorer specifikt för att uppnå dessa extruderprestandaförbättringar i ett lättviktigt, skrivhuvudmonterbart paket.
Växellådan i en växlad stegmotor är en rent mekanisk komponent - den har inget elektriskt gränssnitt och kräver inga ändringar av den grundläggande stegmotorns drivkrets. Föraren ansluter till stegmotorns lindningar på exakt samma sätt som för en ogarad motor, och samma steg- och riktningssignaler styr båda. Växellådan introducerar dock flera praktiska kontrollöverväganden som måste beaktas i rörelsesystemdesign och förarkonfiguration.
Eftersom växellådan multiplicerar stegen per varv vid den utgående axeln med utväxlingsförhållandet, måste rörelseregulatorn ta hänsyn till detta när den översätter en önskad utgående axelhastighet eller position till motorstegkommandon. Om applikationen kräver att den utgående axeln roterar med 30 RPM genom en 10:1 växellåda, måste motorn rotera med 300 RPM, vilket kräver en steghastighet på 300 × 200 = 60 000 steg per minut (1 000 steg per sekund) vid fullt steg, eller proportionellt högre steghastigheter för mikrosteg. De flesta stegmotorstyrenheter tillåter inmatning av systemets steg-per-varv-siffra - vilket bör vara motorns hela stegräkning multiplicerat med utväxlingsförhållandet och mikrostegningsfaktorn - så att alla beordrade positioner och hastigheter specificeras direkt i termer av utgående axel.
Växlade stegmotorer används ofta i applikationer som kräver långvarigt högt hållmoment vid låga utgående varvtal, vilket innebär att motorn kan aktiveras med full märkström under längre perioder. Till skillnad från servomotorer, som drar ström i proportion till belastning, drar en stegmotor fullfasström kontinuerligt oavsett om den rör sig eller står stilla under belastning. Detta resulterar i kontinuerlig värmeutveckling i motorlindningarna som måste hanteras med tillräcklig ventilation eller kylfläns. Många stegmotordrivrutiner inkluderar en automatisk strömreduktionsfunktion (som typiskt reducerar strömmen till 50–70 % av driftströmmen när motorn har stått stilla i 100–500 ms) vilket avsevärt minskar standbyvärmegenereringen och rekommenderas starkt för växelstegmotorapplikationer där växellådan ger tillräckligt med mekanisk hållning utan full elektrisk hållström.
Stegmotorer uppvisar mellanfrekvensresonans — ett hastighetsområde där motorns naturliga oscillationsfrekvens sammanfaller med stegexcitationsfrekvensen, vilket orsakar vibrationer, brus och potentiell stegförlust. Växellådan isolerar delvis belastningen från motorresonans genom att fungera som ett mekaniskt lågpassfilter: växelns anpassning och tröghetsutjämning från växelstegen dämpar de impulsiva stegvridmomenten innan de når den utgående axeln. Detta innebär att växlade stegmotorer ofta går smidigare vid resonansbenägna hastigheter än motsvarande ogarade motorer som driver samma belastning, vilket är en ytterligare praktisk fördel utöver de primära fördelarna med vridmoment och upplösning. Användning av mikrostepping (1/8, 1/16 eller 1/32 steglägen) på förarnivå minskar ytterligare motorvibrationer och buller och rekommenderas för alla precisionsstyrda stegmotorapplikationer.
Beslutet att använda en växlad stegmotor kontra en direktdriven stegmotor - eller faktiskt kontra en växelstyrd servomotor - bör baseras på en tydlig analys av applikationens vridmoment, hastighet, upplösning, noggrannhet och kostnadskrav snarare än vana eller komponentförtrogenhet. Varje tillvägagångssätt har en genuin prestanda- och kostnadsprofil som gynnar den i vissa scenarier.
Kuggväxlade stegmotorer är i allmänhet enheter med lågt underhåll när de är korrekt specificerade och drivs inom sina nominella parametrar. Själva stegmotorn är en borstlös design utan kommutatorslitage, och kullagren i både motor och växellåda är designade för lång livslängd under normala belastningsförhållanden. Vissa underhållsöverväganden gäller dock under aggregatets livslängd.
Din e-postadress kommer inte att publiceras. Obligatoriska fält är markerade *
Tel: +86 0579-86817938-836
Phone: +86 15258922705
E-mail: [email protected]
Add: No.2 Zengping Rd., Dongyang, Zhejiang, Kina
Upphovsrätt © Zhejiang Dongzheng Motor Co.,Ltd. Alla rättigheter reserverade.
DC-växelmotortillverkare
