Động cơ bước là gì? Ứng dụng

Động cơ bước, hay còn gọi là Step Motor đang được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau.

Để hiểu hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như những ứng dụng của động cơ bước, Phương Minh xin gửi đến quý khách hàng một số thông tin về động cơ này:

1. Động cơ bước là gì?

Động cơ bước ( Step Motor – Stepper Motor hay Stepping Motor ) là một thiết bị cơ điện, nó chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng. Ngoài ra, nó là một động cơ điện không chổi than, đồng bộ, có thể chia một vòng quay đầy đủ thành một số bước mở rộng. Trục của động cơ quay qua một góc cố định cho mỗi xung rời rạc. Khi một chuỗi xung được áp dụng, nó sẽ được chuyển qua một góc nhất định. Góc mà trục động cơ bước quay cho mỗi xung được gọi là góc bước, thường được biểu thị bằng độ.

Động cơ bước

Động cơ bước

Ví dụ: Một động cơ bước có góc 1,8 độ/ bước nếu quay hết 1 vòng khoảng 360 độ thì mất 200 bước (thuật ngữ chuyên ngành gọi là Full Step). Các chế độ quay càng nhiều xung thì động cơ quay của máy sẽ càng êm hơn. Ở Việt Nam, người ta hay dùng phổ biến nhất là động cơ 200 step.

2. Cấu tạo của động cơ bước

Cấu tạo động cơ bước

Cấu tạo của động cơ bước

Gồm: Rotor và stato.

Rotor thực ra chính là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu, chúng được sắp xếp chồng lên nhau một cách kỹ lưỡng, cẩn thận. Trên các lá nam châm này lại được chia thành các cặp cực sắp xếp đối xứng với nhau.
Stato được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây.

Trong trường hợp động cơ biến từ trở lại chính là những khối răng được làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính cao. Động cơ bước được điều khiển bởi một bộ điều khiển từ bên ngoài. Động cơ bước và bộ điều khiển sẽ được thiết kế sao cho chúng có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào và có thể quay đến được bất kỳ một vị trí nào.

Động cơ bước thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển có vòng hở đơn giản, hoặc là vòng kín đều được. Tuy nhiên, khi sử dụng động cơ bước vào trong hệ điều khiển vòng hở khi máy móc bị quá tải thì tất cả các giá trị của động cơ đều bị mất đi và hệ thống cũng cần phải nhận diện lại.

3. Phân loại

Các loại động cơ bước

Phân loại động cơ bước theo số pha

Loại 1: động cơ bước 2 pha là loại động cơ bước 4 dây, động cơ bước 6 dây hoặc động cơ bước 8 dây.
Loại 2: động cơ bước 3 pha là loại động cơ bước 3 dây hoặc động cơ bước 4 dây.
Loại 3: động cơ bước 5 pha là loại động cơ bước có 5 dây

Phân loại theo cực của động cơ bước

Động cơ đơn cực

Dòng điện trong một động cơ đơn cực luôn chạy qua cuộn dây theo cùng một hướng. Điều này cho phép sử dụng mạch điều khiển đơn giản, nó tạo ra mô-men xoắn ít hơn động cơ lưỡng cực.

Động cơ lưỡng cực

Dòng điện trong một động cơ lưỡng cực có thể chạy qua cuộn dây theo một trong hai hướng. Trong khi điều này đòi hỏi một mạch điều khiển phức tạp hơn động cơ đơn cực, nó tạo ra nhiều mô-men xoắn hơn.

Phân loại động cơ bước theo Rotor

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu ( Permanent magnet stepper ) :

Động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng một nam châm vĩnh cửu (PM) trong rotor và hoạt động dựa trên lực hút hoặc lực đẩy giữa rotor PM và nam châm điện stator.

Động cơ bước biến đổi điện trở ( Variable Reluctance Stepper Motor ) :

Động cơ bước biến đổi điện trở (VR) có một rotor sắt trơn và hoạt động dựa trên nguyên tắc miễn cưỡng tối thiểu xảy ra với khe hở tối thiểu, do đó các điểm rotor bị hút về phía cực nam châm của stator.

Động cơ bước đồng bộ lai ( Hybrid Synchronous Stepper Motor ):

Động cơ bước lai (HB) được đặt tên bởi vì chúng sử dụng kết hợp các kỹ thuật nam châm vĩnh cửu (PM) và biến đổi điện trở (VR) để đạt được công suất tối đa trong kích thước nhỏ gọn.

4. Nguyên lý hoạt động:

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, Step motor quay theo từng bước một nên nó có độ chính xác cao về mặt điều khiển học.

Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử. Các mạch điện tử sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.

Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở vị trí phase A. Khi cấp điện cho 2 cuộn dây pha B và D tương ứng trong 2 cuộn sẽ xuất hiện được cực tính.

Do cực tính của các cuộn dây pha và rôto trong động cơ ngược nhau dẫn đến roto sẽ chuyển động được đến vị trí phase B on. Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện, còn cuộn dây A và B được cấp điện thì lúc này roto lại chuyển động đến vị trí phase C on.

5. Ứng dụng

Các ứng dụng phổ biến của các loại động cơ bước hiện nay đó là:

Quá trình gia công cơ khí như: Máy cắt công nghệ plasma CNC, máy cắt công nghệ CNC laser,…
Bảo mật: sản phẩm giám sát mới cho ngành an ninh.
Y tế Động cơ bước được sử dụng bên trong máy quét y tế, máy lấy mẫu và cũng được tìm thấy bên trong chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc và máy phân tích máu.
Điện tử tiêu dùng : Động cơ bước trong máy ảnh cho chức năng lấy nét và thu phóng camera kỹ thuật số tự động, máy in 3D.