Silnik krokowy – co to jest i jak działa?

Silniki krokowe odgrywają kluczową rolę w precyzyjnym sterowaniu ruchem różnych urządzeń. Są nieodłącznym elementem automatyki, drukarek 3D i maszyn CNC. W tym artykule przybliżymy ich działanie, typy oraz metody sterowania. Dodatkowo, przyjrzymy się ich zaletom, takim jak dokładne pozycjonowanie, oraz wadom, na przykład trudnościom przy wyższych prędkościach obrotowych. Poznaj, jak te silniki mogą zwiększyć precyzję i efektywność Twojego projektu.

Co to jest silnik krokowy i jego podstawowe zasady działania

Silnik krokowy to elektryczne urządzenie, które dzięki impulsom prądowym obraca się o wyznaczone kąty^[2]. Jego najważniejszą zaletą jest możliwość precyzyjnego kontrolowania pozycji^[3]. Zamienia on energię elektryczną na ruch obrotowy, co pozwala na dokładne pozycjonowanie bez konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego.

Działanie silnika krokowego opiera się na impulsowym zasilaniu^[4]. Wirnik obraca się o określony kąt, zależny od liczby impulsów prądowych^[5], co umożliwia bardzo dokładne sterowanie w aplikacjach, gdzie wymagana jest precyzja. Dzięki konstrukcji bezszczotkowej, silnik nie posiada elementów zużywających się, takich jak szczotki, co przekłada się na jego trwałość i niezawodność.

Główne komponenty silnika krokowego:

• wirnik,
• stator,
• cewki.

Te elementy razem tworzą pole magnetyczne niezbędne do ruchu wirnika. Wirnik, często wykonany z magnesu trwałego, obraca się krok po kroku, co jest idealne do precyzyjnego ustawiania kąta obrotu. Jego budowa pozwala na pracę w wymagających warunkach, a dzięki pracy w systemie otwartej pętli nie wymaga kosztownych urządzeń sprzężeniowych.

Jak działa silnik krokowy – impulsowe zasilanie prądem elektrycznym

Impulsowe zasilanie prądem elektrycznym odgrywa kluczową rolę w działaniu silnika krokowego, polegając na dostarczaniu serii impulsów do cewek statora. To z kolei tworzy zmienne pole magnetyczne, które oddziałuje na wirnik, pozwalając mu się obracać. Każdy impuls przesuwa go o określony kąt, co umożliwia precyzyjne sterowanie jego pozycją.

Ilość przesyłanych impulsów bezpośrednio decyduje o kącie obrotu wirnika, co jest niezwykle przydatne w aplikacjach wymagających dokładności, takich jak drukarki 3D czy maszyny CNC. Silniki krokowe znajdują szerokie zastosowanie w miejscach, gdzie niezbędna jest precyzja.

Budowa silnika krokowego – wirnik, stator i cewki

Silnik krokowy to urządzenie złożone z kluczowych komponentów: wirnika, statora i cewek^[6]. Wirnik, zazwyczaj wykonany z magnesu trwałego, posiada zęby, które umożliwiają precyzyjne pozycjonowanie. Przykładowo, w 2-fazowym silniku krokowym, wirnik może mieć aż 50 zębów. Stator, otaczający wirnik, wyposażony jest w cewki generujące pole magnetyczne. Standardowy silnik krokowy zawiera 4 cewki na fazę, co umożliwia dokładne sterowanie pozycją wirnika^[7].

Cewki są zasilane impulsowo, co tworzy zmienne pole magnetyczne, przyciągając zęby wirnika i wprawiając go w ruch. Dzięki tej konstrukcji możliwe jest wykonanie 200 kroków na pełny obrót, z minimalnym krokiem wynoszącym 1,8°. W sytuacjach wymagających wyjątkowej precyzji, takich jak maszyny CNC, rozdzielczość można zwiększyć do 0,03° dzięki mikrokrokom. Taki projekt sprawia, że silniki krokowe są niezawodne i trwałe, doskonale sprawdzając się w trudnych warunkach pracy, w temperaturach od 70°C do 100°C.

Rodzaje silników krokowych i ich zastosowania

Silniki krokowe można podzielić na trzy główne typy:

• z magnesem trwałym,
• o zmiennej reluktancji,
• hybrydowe.

Każdy z nich charakteryzuje się specyficznymi cechami i zastosowaniami.

Silniki z magnesem trwałym wykorzystują magnesy umieszczone w wirniku, co sprawia, że ich konstrukcja jest prostsza, a działanie stabilne^[10]. Są często wykorzystywane tam, gdzie niezbędna jest umiarkowana precyzja, na przykład w niektórych systemach automatyki.

W przypadku silników o zmiennej reluktancji, magnesy w wirniku nie występują. Zamiast tego, zmieniają one reluktancję w zależności od pozycji wirnika, co czyni je bardziej ekonomicznym rozwiązaniem, ale o nieco niższej precyzji. Doskonale sprawdzają się w sytuacjach, gdzie liczy się szybkość i niższe koszty, jak w podstawowych systemach automatyki.

Silniki hybrydowe łączą zalety obu wcześniej wymienionych typów, oferując wysoką precyzję i wydajność^[11]. Dzięki temu cieszą się popularnością w zaawansowanych aplikacjach, takich jak drukarki 3D czy maszyny CNC, gdzie niezbędna jest dokładna kontrola pozycji i ruchu.

Silniki krokowe znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w automatyce, drukarkach 3D oraz maszynach CNC^[12]. W systemach automatyki precyzyjnie sterują ruchem urządzeń, co jest kluczowe dla ich prawidłowego funkcjonowania. W drukarkach 3D odpowiadają za dokładne pozycjonowanie głowicy drukującej, co ma wpływ na jakość wydruków. Natomiast w maszynach CNC umożliwiają precyzyjne przemieszczanie narzędzi roboczych, co pozwala na skomplikowane wykonanie elementów.

Typy silników krokowych – magnes trwały, zmienna reluktancja, hybrydowy

Silniki krokowe dzielą się na trzy główne rodzaje:

• z magnesem trwałym,
• o zmiennej reluktancji,
• hybrydowe.

Pierwszy typ, z magnesem trwałym, posiada magnesy w wirniku, co umożliwia generowanie ruchu. Dzięki prostocie konstrukcji zapewniają one stabilne działanie. Znajdują zastosowanie w systemach automatyki, gdzie wymagana jest umiarkowana dokładność.

Z kolei silniki o zmiennej reluktancji są pozbawione magnesów w wirniku. Ich działanie opiera się na zmianach oporu magnetycznego, co czyni je ekonomicznymi, choć mniej dokładnymi. Doskonale nadają się do zastosowań, gdzie kluczowa jest prędkość oraz niższe koszty, na przykład w podstawowych systemach automatyki.

Natomiast silniki hybrydowe łączą zalety obu poprzednich typów, oferując wysoką precyzję i wydajność. Szczególnie cenione są w zaawansowanych aplikacjach, takich jak drukarki 3D czy maszyny CNC, gdzie istotna jest precyzyjna kontrola pozycji i ruchu.

Zastosowania silników krokowych – automatyka, drukarki 3D, maszyny CNC

Silniki krokowe znajdują szerokie zastosowanie w automatyce, drukarkach 3D oraz maszynach CNC. W systemach automatyki umożliwiają one precyzyjne sterowanie ruchem różnych urządzeń, co ma kluczowe znaczenie dla ich efektywności. W kontekście drukarek 3D, odpowiadają za dokładne ustawienie głowicy drukującej, co przekłada się na wysoką jakość i precyzję wydruków. Maszyny CNC z kolei wykorzystują te silniki do dokładnego przesuwania narzędzi roboczych, umożliwiając skomplikowaną obróbkę materiałów. Dzięki swojej precyzji, silniki krokowe są niezastąpione w aplikacjach, gdzie wymagana jest duża dokładność.

Sterowanie silnikiem krokowym i jego wpływ na działanie

Sterowanie silnikiem krokowym odgrywa kluczową rolę w jego funkcjonowaniu, umożliwiając precyzyjne zarządzanie pozycją i ruchem. Sterownik, odpowiedzialny za jego działanie, zasila fazy w odpowiedniej kolejności, co powoduje rotację wirnika o określony kąt. To podejście jest niezbędne w urządzeniach takich jak drukarki 3D oraz maszyny CNC, zapewniając dokładne pozycjonowanie.

🫴 Warto także wspomnieć o trybie mikrokrokowym, który dzieli standardowy krok na mniejsze fragmenty, co przekłada się na płynniejszy ruch.

Dzięki temu zyskujemy większą precyzję przy jednoczesnym zredukowaniu hałasu i drgań^[14], co jest istotne w aplikacjach wymagających cichej pracy i wysokiej dokładności. Dodatkowo nowoczesne sterowniki oferują adaptacyjne mikrokroki, jeszcze bardziej poprawiając płynność działania.

Sterownik silnika krokowego – sekwencyjne zasilanie faz

Sterowanie fazami w silnikach krokowych pozwala na precyzyjne kontrolowanie ruchu wirnika. Poprzez odpowiednie zasilanie, wirnik porusza się krokowo, co jest niezbędne dla dokładnego pozycjonowania w urządzeniach takich jak drukarki 3D czy maszyny CNC. Silnik krokowy wykonuje ruchy pod określonym kątem, co umożliwia ustawienie pozycji bez konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego. Istotną rolę odgrywa tu sterownik, który zapewnia płynność i dokładność działania, co ma kluczowe znaczenie w aplikacjach wymagających precyzji.

Sterowanie mikrokrokowe – zwiększenie płynności ruchu

Sterowanie mikrokrokowe znacząco poprawia płynność działania silnika krokowego. Dzieląc pełen krok na drobniejsze segmenty, podnosi precyzję i zapewnia bardziej płynne działanie. Dzięki temu osiągamy wysoką rozdzielczość ruchu, jednocześnie zmniejszając hałas oraz drgania. W aplikacjach wymagających cichego i precyzyjnego sterowania, takich jak drukarki 3D czy maszyny CNC, mikrokroki umożliwiają łagodne przejścia między pozycjami. Co więcej, współczesne sterowniki oferują adaptacyjne mikrokroki, co dodatkowo zwiększa płynność ruchu.

Zalety i wady silników krokowych

Silniki krokowe cieszą się dużą popularnością ze względu na liczne zalety, które oferują. Ich największym atutem jest precyzyjne pozycjonowanie, dzięki któremu kąt obrotu wirnika odpowiada ilości impulsów wejściowych. To umożliwia dokładną kontrolę ruchu w urządzeniach takich jak drukarki 3D czy maszyny CNC. Dodatkowo, silniki te utrzymują pełny moment w stanie spoczynku, co pozwala zachować pozycję bez konieczności dodatkowego zasilania. Są także niezawodne, łatwe i ekonomiczne w sterowaniu, co czyni je korzystnym wyborem pod względem kosztów. Praca w pętli otwartej eliminuje potrzebę drogiego sprzężenia zwrotnego.

Niemniej jednak, silniki krokowe nie są pozbawione wad. Przede wszystkim, działanie przy wysokich obrotach bywa problematyczne z powodu mechanicznych rezonansów i możliwości gubienia kroków. Maksymalne obroty rzadko przekraczają kilkaset na minutę. Dodatkowo, zużywają one sporo energii i generują ciepło, co może stanowić wyzwanie w aplikacjach wymagających efektywnego zarządzania energią. Odpowiednie sterowanie i właściwie zaprojektowany system mogą jednak zminimalizować te niedogodności, zapewniając optymalne działanie w specyficznych zastosowaniach.

Zalety – precyzyjne pozycjonowanie i programowe ustawienie prędkości obrotowej

Silniki krokowe wyróżniają się dwiema istotnymi cechami, które mają kluczowe znaczenie w wielu branżach przemysłowych. Pierwszą z nich jest precyzyjne pozycjonowanie. Kąt obrotu wirnika jest proporcjonalny do liczby impulsów, co pozwala na dokładne sterowanie położeniem bez konieczności stosowania sprzężenia zwrotnego. Z tego powodu znajdują szerokie zastosowanie tam, gdzie wymagana jest wysoka dokładność, na przykład w drukarkach 3D czy maszynach CNC.

Druga zaleta to możliwość regulacji prędkości obrotowej za pomocą oprogramowania, co umożliwia dostosowanie działania silników do specyficznych wymagań, kontrolując zarówno szybkość, jak i kierunek obrotów. Taka elastyczność jest nieoceniona w systemach automatyki, gdzie precyzyjne zarządzanie ruchem ma kluczowe znaczenie. Dodatkowo, silniki te cechują się niezawodnością i ekonomicznością, co sprawia, że są chętnie wybierane przez inżynierów i projektantów.

Wady – trudności przy dużych obrotach i emisja ciepła

Silniki krokowe, choć powszechnie stosowane, mają pewne ograniczenia, które mogą wpływać na ich efektywność w różnych aplikacjach. Jednym z istotnych wyzwań jest trudność w osiąganiu wysokich obrotów^[16]. Często zdarza się, że tracą kroki z powodu mechanicznych rezonansów lub niewłaściwego sterowania. Ich prędkość maksymalna zazwyczaj nie przekracza kilkuset obrotów na minutę, co utrudnia ich użycie w systemach dynamicznych, gdzie wymagana jest duża szybkość.

Dodatkowym problemem jest duża ilość generowanego ciepła. Brak sprzężenia zwrotnego sprawia, że silniki te mogą się nadmiernie nagrzewać^[17]. Jest to istotne wyzwanie w sytuacjach, gdzie kluczowe jest efektywne zarządzanie energią. Podczas pracy zużywają znaczne ilości energii, co stawia konieczność odpowiedniego chłodzenia i kontroli temperatury, aby uniknąć przegrzania i zapewnić niezawodne działanie.

---

Źródła:

• [1] https://www.motochemia.pl/silnik-krokowy-co-to-jest-jakie-sa-objawy-jego-awarii-n-314.html
• [2] https://www.youtube.com/watch?v=F_VDHryuT00
• [3] https://supercar24.pl/co-to-jest-silnik-krokowy-odkryj-jego-dzialanie-i-zastosowania
• [4] https://www.youtube.com/watch?v=eT0XawFzBM0
• [5] https://www.elmark.com.pl/blog/co-to-jest-silnik-krokowy
• [6] https://www.ebmia.pl/wiedza/porady/budowa-i-sterowanie-maszyn-cnc/silnik-krokowy-budowa-dzialanie-zastosowanie/
• [7] https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_krokowy
• [8] https://botland.com.pl/blog/silnik-krokowy-co-to-jest-zasada-dzialania-i-zastosowanie/
• [9] https://botland.com.pl/content/220-wszystko-o-silnikach-krokowych
• [10] https://www.amgautomatyka.pl/jak-dziala-silnik-krokowy-silniki-krokowe-budowa-sterowanie-i-zastosowanie/
• [11] https://www.elmark.com.pl/blog/co-to-jest-silnik-krokowy
• [12] https://www.ebmia.pl/wiedza/porady/budowa-i-sterowanie-maszyn-cnc/silnik-krokowy-budowa-dzialanie-zastosowanie/
• [13] https://www.motochemia.pl/silnik-krokowy-co-to-jest-jakie-sa-objawy-jego-awarii-n-314.html
• [14] https://supercar24.pl/co-to-jest-silnik-krokowy-odkryj-jego-dzialanie-i-zastosowania
• [15] https://www.elmark.com.pl/blog/co-to-jest-silnik-krokowy
• [16] https://www.ebmia.pl/wiedza/porady/budowa-i-sterowanie-maszyn-cnc/silnik-krokowy-budowa-dzialanie-zastosowanie/
• [17] https://www.motochemia.pl/silnik-krokowy-co-to-jest-jakie-sa-objawy-jego-awarii-n-314.html