Aby silniki krokowe w drukarkach 3D i innych aplikacjach mogły długo i niezawodnie działać, należy regularnie badać ich stan techniczny.

Badanie stanu technicznego silników krokowych

W artykule tym opisano, jak zadbać o dobry stan techniczny silników krokowych oraz jak je sprawdzić pod kątem obecności potencjalnych uszkodzeń.

Urządzenia elektroniczne bezobsługowe vs urządzenia elektroniczne z częściami ruchomymi

W zależności od przeznaczenia docelowego urządzenia elektryczne i elektroniczne mogą różnić się względem siebie swoją budową. Urządzenie zbudowane z elementów nieruchomych podczas pracy ciągłej (np. układy scalone) możemy uznać za urządzenie bezobsługowe. Natomiast gdy urządzenie wykorzystuje elementy, które wykonują ruch podczas pracy ciągłej, dobrze o nie zadbać poprzez ich odpowiednią konserwację, np. czyszczenie i smarowanie. Dzięki temu możemy w prosty sposób zmniejszyć ryzyko występowania potencjalnych awarii. Dotyczy to m.in. silników krokowych.

Gdzie się wykorzystuje silniki krokowe?

Silniki krokowe są maszynami elektrycznymi wirującymi. Aby prawidłowego funkcjonowały, konieczne jest zapewnienie wysokiej dokładności pracy układów mechanicznych. Takie silniki są elementami konstrukcji m.in. zegarów wskazówkowych, drukarek, skanerów, robotów, obrabiarek sterowanych numerycznie, drukarek 3D, a także znajdują się w samochodach – zarówno pod maską, jak i w kabinie pasażerskiej.

Jak działa silnik krokowy?

Już z punktu widzenia samej budowy i zasady działania silników krokowych dostrzec można ich zalety eksploatacyjne. W odróżnieniu od konwencjonalnych silników prądu stałego z wirnikiem komutatorowym silniki krokowe nie mają komutatora i szczotek węglowych, które ulegają zużyciu wskutek normalnej eksploatacji. Jednak w takich silnikach wał nie wykonuje obrotów w sposób ciągły, ale dyskretny, tzn. na jeden pełny obrót kątowy wału silnika krokowego składa się skończona liczba kroków. Determinuje ona rozdzielczość krokową silnika. Jeśli rozdzielczość krokowa silnika wynosi 400 kroków, to podczas pojedynczego kroku wał silnika wykona obrót o kąt 0,85°. Silniki krokowe są zasilane napięciem o przebiegu impulsowym, które jest podawane na odpowiednio połączone ze sobą uzwojenia nieruchomych elektromagnesów. Odpowiednio zaprojektowany układ sterowania pobiera napięcie stałe ze źródła (np. baterii lub zasilacza sieciowego) i przekształca je na ciąg impulsów sterujących doprowadzanych do uzwojeń silnika.

Jak sprawdzić silnik krokowy?

Jeśli silnik krokowy wykazuje nieprawidłowe działanie (kiedy mamy pewność, że z układem sterowania i zasilania jest wszystko w porządku) lub nie reaguje po podaniu napięcia, wtedy wymaga on odpowiedniego przetestowania. Do sprawdzenia silnika krokowego niezbędne będzie użycie multimetru, najlepiej z cyfrowym wyświetlaczem. Jeśli miernik ma ręcznie ustawiany zakres pomiarowy, trzeba wybrać tryb pomiaru rezystancji na najniższym możliwym zakresie, który w najprostszych i najtańszych modelach wynosi 200 Ω. Jeśli badany silnik ma np. dwie pary uzwojeń, to jego przewód zasilający powinien być zakończony złączem 4-pinowym. Po przyłożeniu sond miernika do pinów złącza należy szukać par uzwojeń. Gdy na wyświetlaczu multimetru zaobserwujesz wskazanie wynoszące np. 3,3 Ω, musisz przestawić sondy na dwa pozostałe piny złącza. Odczyt wartości rezystancji powinien być identyczny. Jeśli różnica odczytów dla obu uzwojeń wynosi ok. 0,1 Ω, jest to akceptowalne. Następnie należy przestawić zakres pomiarowy rezystancji na maksymalny (np. 2000 kΩ). Po przyłożeniu sond miernika pomiędzy wyprowadzenia osobnych uzwojeń odczyt powinien wykazywać rezystancję poza zakresem pomiarowym. Jeśli takie warunki są spełnione, oznacza to, że silnik jest sprawny. Natomiast jeśli tak samo przeprowadzone pomiary wykażą zerowe lub nieskończenie duże rezystancje dla badanych uzwojeń, prawdopodobnie będzie to świadczyło o tym, że mają one odpowiednio zwarcie lub przerwę. Zanim spiszesz silnik na straty, sprawdź, czy przewody doprowadzające zasilanie nie są przetarte lub uszkodzone. Wówczas wystarczy wyciąć wadliwy fragment przewodów i je przylutować.

Kłopotliwe ciepło

Silniki krokowe, podobnie jak inne rzeczywiste konstrukcje maszyn i urządzeń, nie są wolne od strat mocy, które objawiają się przez wytwarzanie ciepła jako naturalnego efektu ubocznego. Ciepło w silniku krokowym powstaje wskutek przepływu prądu zasilającego przez rezystancje uzwojeń elektromagnesów oraz za sprawą prądów wirowych indukowanych w magnetowodzie elektromagnesów. Nie bez znaczenia dla tych strat jest także zawartość harmonicznych w przebiegu czasowym prądu pobieranego przez silnik, ponieważ powodują one powstawanie pól magnetycznych o częstotliwościach odpowiadającym poszczególnym harmonicznym prądu. Przyczynia się to do wzmożonego nagrzewania obwodu magnetycznego silnika i zwiększenia w nim strat. Jeśli temperatura pracy silnika przekroczy ok. 130°C, trzeba się liczyć z możliwością stopienia izolacji uzwojeń prowadzącej do powstania zwarć. Najlepiej utrzymywać silnik w warunkach ciągłej pracy w temperaturze nie większej niż 80°C. Do zdiagnozowania temperatury roboczej silnika warto użyć pirometru laserowego. Jeśli zamierzasz korzystać z silnika krokowego w sposób długotrwały, to należy zwrócić uwagę na to, aby jego uzwojenia miały niską rezystancję i niskie straty reluktancyjne w magnetowodzie. Gdy silnik krokowy pracuje w warunkach wzmożonej ilości kurzu i innych zabrudzeń, trzeba go wyczyścić, np. izopropanolem. Najlepiej robić to regularnie. Jest to istotne, ponieważ obecność zabrudzeń powoduje gorsze odprowadzanie ciepła, a dostanie się brudu do wnętrza silnika może skutkować nawet przedwczesnym zatarciem łożysk wału.