Шаговые двигатели известны своими возможностями точного позиционирования и передачи высокого крутящего момента на низких скоростях, но они требуют тщательного подбора размеров, чтобы убедиться, что двигатель соответствует нагрузке и параметрам применения, чтобы свести к минимуму возможность потери шагов или остановки двигателя. Добавление коробки передач к системе шагового двигателя может улучшить производительность двигателя за счет уменьшения отношения инерции нагрузки к двигателю, увеличения крутящего момента к нагрузке и уменьшения колебаний двигателя.

Одной из причин пропущенных шагов в приложениях с шаговыми двигателями является инерция. Отношение инерции нагрузки к инерции двигателя определяет, насколько хорошо двигатель может приводить в движение или контролировать нагрузку — особенно на участках ускорения и замедления переместить профиль. Если инерция нагрузки значительно превышает инерцию двигателя, двигателю будет трудно управлять нагрузкой, и может произойти превышение скорости (продвижение на большее количество шагов, чем предписано) или недостаточное ускорение (пропущенные шаги). Очень высокое отношение инерции нагрузки к двигателю также может привести к тому, что двигатель будет потреблять чрезмерный ток и заглохнет.

J_L = инерция нагрузки

J_M = инерция двигателя

Одним из способов уменьшить коэффициент инерции является использование двигателя большего размера с большей инерцией. Но это означает более высокую стоимость, больший вес и негативное воздействие на другие части системы, такие как муфты, кабели и компоненты привода. Вместо этого добавление коробки передач в систему уменьшает отношение инерции нагрузки к двигателю на квадрат передаточного отношения.

i = уменьшение передачи

Еще одной причиной использования коробки передач с шаговым двигателем является увеличение крутящего момента, доступного для приведения в действие нагрузки. Когда нагрузка приводится в действие комбинацией двигателя и коробки передач, коробка передач умножает крутящий момент от двигателя на величину, пропорциональную передаточному числу и КПД коробки передач.

T_o = выходной крутящий момент на валу коробки передач

T_m = выходной крутящий момент на валу двигателя

η = КПД коробки передач

Но в то время как коробки передач увеличивают крутящий момент, они снижают скорость. (Вот почему их иногда называют “редукторами” или “редукторами скорости”.) Другими словами, когда коробка передач присоединена к двигателю, двигатель должен вращаться быстрее — на коэффициент, равный передаточному числу, — чтобы обеспечить заданную скорость для нагрузки.

N_o = выходная частота вращения на валу коробки передач

N_m = выходная частота вращения на валу двигателя

А крутящий момент шагового двигателя обычно быстро уменьшается с увеличением скорости из-за момент фиксации и другие потери. Эта обратная зависимость между скоростью и крутящим моментом означает, что практически целесообразно увеличить скорость только на определенную величину, прежде чем двигатель не сможет выдавать требуемый крутящий момент (даже при умножении на передаточное число).

Но у ускорения двигателя действительно есть преимущество. Дополнительная частота вращения, требуемая двигателю при установке коробки передач, означает, что двигатель работает за пределами своего резонансного частотного диапазона, где колебания могут привести к потере шага двигателя или даже его остановке.

В дополнение к обеспечению того, чтобы коробка передач имела правильные значения крутящего момента, скорости и инерции, важно выбрать высокоточную коробку передач с низким люфтом — особенно при подключении коробки передач к шаговому двигателю.

Напомним, что шаговые двигатели работают в системе с разомкнутым контуром, а люфт в коробке передач снижает точность позиционирования системы без обратной связи для мониторинга или исправления ошибок позиционирования. Вот почему в шаговых установках часто используются высокоточные планетарные редукторы с люфтом всего 2-3 угловых минуты. А некоторые производители предлагают шаговые двигатели с гармоническими передачами, которые могут демонстрировать нулевой люфт в большинстве условий применения.