Ze względu na budowę wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje silników krokowych: z magnesem trwałym, o zmiennej reluktancji i rozwiązania hybrydowe. Zależnie od przeznaczenia, mogą one wykonywać od ułamka obrotu do kilkuset obrotów na minutę.

Na rynku dostępna jest szeroka gama rozwiązań przeznaczonych do różnych zastosowań. Począwszy od miniaturowych dwufazowych, ze zintegrowaną przekładnią po klasyczne o różnych średnicach oraz hybrydowe. Coraz większym zainteresowaniem na rynku cieszą się silniki trój i pięciofazowe. Szczególnie pięciofazowe, choć wymagają bardziej złożonego i przez to droższego sterowania wyróżniają się lepszymi parametrami dotyczącymi dynamiki, precyzji oraz momentu trzymającego. Zastosowanie sterowania cyfrowego również znacznie poprawiło i ułatwiło kontrolę kąta i prędkości obrotowej. Najczęściej w silnikach krokowych prędkość obrotowa nie jest najważniejsza, a bardziej liczy się dokładność pozycjonowania, którą można zwiększyć poprzez odpowiednie sterowanie.

Warto też zaznaczyć, że specyfikacja oraz zadania stawiane przed silnikami krokowymi i silnikami serwo są dość podobne. Silniki krokowe cechuje niska awaryjność i są one stosowane jako tańsza alternatywa sprawdzająca się w wielu aplikacjach w przemyśle. Jednak to serwo silniki są używane ze względu na dynamikę pracy i sprzężenie zwrotne oraz dokładność wykonywania zadań, jeśli nie patrzymy na cenę.

W nowych konstrukcjach silników krokowych projektanci ograniczają problemy związane z ich wykorzystaniem takie jak rezonanse mechaniczne (niewłaściwe sterowanie), problemy występujące przy dużych prędkościach, stosunkowo małe obroty maksymalne, zjawisko gubienia kroków oraz związany z ich pracą duży pobór prądu (również do utrzymywania rotora w określonej pozycji i z pełnym momentem trzymającym) co w efekcie powoduje ich nagrzewanie się.

Trendy

W najnowszym raporcie firmy analitycznej Technavio dotyczącym globalnego rynku serwonapędów i silników krokowych przedstawiono analizę najważniejszych trendów, które będą miały wpływ na prognozy rynkowe dotyczące tych urządzeń do 2021 roku. Analitycy wskazali, że na rozwój konstrukcji i sprzedaż tego rodzaju napędów największy wpływ będzie miało coraz szersze adoptowanie technologi internetu rzeczy (IoT), rosnące zapotrzebowanie na napędy regulowane i inteligentne oraz popyt na zminiaturyzowane i niestandardowe silniki do automatyki przemysłowej.

Wprowadzenie technologii IoT w przemyśle pozwala ograniczyć nieplanowane czynności konserwacyjne, co może dawać znaczne oszczędności. Branża produkcyjna stara się też ograniczać zaangażowanie człowieka w procesie produkcyjnym wszędzie tam, gdzie jest to tylko możliwe. W ten trend dobrze wpisują się inteligentne serwo napędy, a obecnie ich główną wadą jest tylko wyższa cena.

Podkreśla się, że zapotrzebowanie na silniki krokowe rośnie, bo stosowane są one powszechnie w robotyce i automatyce. Według opinii specjalistów w najbliższych latach duże zapotrzebowanie będzie dotyczyło silników miniaturowych instalowanych w sprzęcie medycznym. Popyt będzie rósł zwłaszcza na silniki małe, ale o wysokim momencie obrotowym. Takie, które mogą zapewnić niską prędkość i wysoki moment obrotowy przy stabilnej pracy.

1 mld dolarów dochodu

W opublikowanym w tym roku przez firmę analityczną ResearchAndMarkets raporcie „Global Industrial Hybrid Stepper Motors Market 2018-2022” oszacowano, że światowy rynek hybrydowych silników krokowych wygeneruje do 2022 roku ponad 1 mld dolarów dochodu. Również tu analitycy uznali, że jednym z trendów na rynku jest coraz większa koncentracja producentów na miniaturowych silnikach krokowych.

Hybrydowe silniki krokowe są stosowane w wielu obszarach zwłaszcza w zautomatyzowanych urządzeniach w obiektach przemysłowych. Tego typu silniki krokowe są wydajne, jednak jednym z wyzwań dla rynku jest silna konkurencja ze strony serwosilników i konwencjonalnych silników krokowych. Wśród głównych światowych dostawców hybrydowych silników krokowych analitycy ResearchAndMarkets wymieniają firmy: AMETEK, MinebeaMitsumi, Moons’, Nidec i Schneider Electric. W innych opracowaniach wskazuje się, że jednym z głównych trendów kształtujących rynek silników krokowych jest rosnące zapotrzebowanie z branży opakowań i etykiet. Zwłaszcza że przemysł opakowań farmaceutycznych i leków bardzo szybko się dziś na świecie rozwija.

Bez hałasu, ale z mocą

Na co jeszcze zwraca się uwagę w konstrukcjach silników krokowych? Nowe możliwości aplikacyjne zapewniają ciche silniki krokowe. Generowane przez nie dźwięki mogą być znacznie ograniczone przez wykorzystanie odpowiednich układów sterujących. Zwraca się też uwagę, że silniki krokowe dzięki lepszej efektywności energetycznej i kompatybilności elektromagnetycznej wypierają z rynku tanie silniki prądu stałego (zwłaszcza urządzenia szczotkowe). Stosuje się je np. w pracy mikrokrokowej, dzięki zastosowaniu sterowaniu zasilania każdego uzwojenia przez układ pełnomostkowy z tranzystorami MOSFET, co jest lepszym rozwiązaniem od odcinania zasilania uzwojeń przez pojedynczy klucz.

W praktyce atrakcyjnym rozwiązaniem w przypadku zastosowań np. w obrabiarkach CNC są hybrydowe silniki krokowe o podwyższonym momencie i znacznej mocy. Dostępne są choćby w wykonaniu z krótkim korpusem i z gotowymi już otworami do zamocowania enkodera. Na rynku dostępne są też modele o dwukrotnie większej liczbie kroków na obrót. Jeśli potrzebny jest wyższy moment trzymający, stosuje się silniki krokowe o większej średnicy rotora.

Również, jeśli chodzi o małe silniki, warto zwrócić uwagę na wykonania z krótkimi korpusami. Dla prawidłowej pracy silnika krokowego ważny jest odpowiedni sterownik. Na rynku dostępne są modele sterowników, które mogą pracować z wyższymi wartościami prądu np. do 10 A. Przydaje się zaimplementowana w nich funkcja automatycznego redukowania prądu fazy i filtr sygnału skoku. Dostępne są zaawansowane modele sterowników, dzięki którym można zaprojektować wykonywanie skomplikowanych układów ruchu.

Silnik krokowy vs serwonapęd

Jednak podsumowując obecne trendy w zastosowaniach silników krokowych, zawsze trzeba mieć na uwadze, że obecnie konkurują one z serwonapędami, które są jednymi z podstawowych elementów wykonawczych wykorzystywanych w automatyce. Na razie wygrywają z nimi dzięki atrakcyjnej cenie. Silnik krokowy sterowany przez sterownik PLC i tzw. końcówki mocy lub dedykowany kontroler ruchu jest dobrą, lub wystarczającą alternatywą dla rozwiązań wykorzystujących serwonapędy. Napędy hybrydowe wyposażone w wysokiej rozdzielczości enkodery i sterownikami cyfrowe mogą nadzorować ruch w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, co zapewnia kontrolę nad pozycją bez utraty kroków.

W takich rozwiązaniach prąd w uzwojeniu silnika zmieniany jest dynamicznie, w zależności od obciążenia silnika. Specjaliści podkreślają, że dzięki temu uzyskuje się większy moment na wale silnika i możliwość pracy z większymi prędkościami. Dodatkowo silnik i sterownik mniej się grzeją, mniejsze są wibracje oraz hałas generowany w trakcie ich pracy. Na naszym rynku dostępne są obecnie sterowniki o szerokim zakresie napięć i prądów oraz silniki o dużym zakresie momentów obrotowych. To pozwala dopasować odpowiednie sterowanie do większości aplikacji i wymagań związanych z kulturą pracy napędów.