Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Шаговые реактивные двигатели. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф едра «Электромеханика и автомобильное электрооборудование»
П.В. ТУЛУПОВ
С.Ю. КАУРОВ
ШАГОВЫЕ
РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Учебное пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2017
1
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 621.4 (075.8)
ББК 39.15я73
Т 82
Тулупов П.В.
Т 82 Шаговые реактивные двигатели учеб. пособие / П.В. Тулупов,
С.Ю. Кауров. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2017. – 111 с.: ил.
Содержит основы теории и общие сведения о шаговых двигателях, описание принципа их действия, принципиальные схемы, конструкции, характеристики и основные соотношения.
Предназначено для лекционных и практических занятий и самостоятельной работы студентов направления 13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника», очной и очной форм обучения с использованием дистанционных образовательных технологий.
Профиль подготовки – Электромеханика
Дисциплины – «Электромеханические преобразователи систем автоматики»,
«Электрические микромашины» и «Специальные электрические машины».
УДК 621.4 (075.8)
ББК 39.15я73
Т 82
Р е ц ензент канд. техн. наук, доцент В.Е. Антропов
© П.В. Тулупов, С.Ю. Кауров, 2017
© Самарский государственный
технический университет, 2017
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебный план для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля подготовки «Электромеханика» содержит курсы «Электромеханические преобразователи систем
автоматики», «Электрические микромашины» и «Специальные электрические машины», одним из разделов которых является изучение
шаговых реактивных двигателей.
Изучение этих курсов базируется на преемственности знаний,
полученных при изучении таких предшествующих дисциплин, как
курсы математики, физики, теоретической и прикладной механики,
теоретических основ электротехники, силовой электроники, электромеханики, электрических и электронных аппаратов, управления электромеханическими преобразователями.
Знания, полученные студентами при изучении шаговых реактивных двигателей, необходимы для освоения материала по курсам:
«Электромеханические преобразователи в современных технологиях», «Электромеханические преобразователи транспортных средств»,
«Энергосберегающие технологии в электромеханике».
Учебное пособие разработано для высших учебных заведений на
базе программ курсов «Электромеханические преобразователи систем автоматики», «Электрические микромашины» и «Специальные
электрические машины» по профилю подготовки «Электромеханика»
направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Шаговые реактивные двигатели являются составным элементом
следующих объектов профессиональной деятельности выпускников
программ бакалавриата:
• электрические машины, электромеханические комплексы и
системы, включая их управление и регулирование;
• электромагнитные системы и устройства механизмов, тех-
нологических установок и электротехнических изделий,
первичных преобразователей систем измерений, контроля и
управления производственными процессами.
3
Студент, освоивший раздел «Шаговые реактивные двигатели»,
должен:
• владеть методиками проектирования объектов профессио-
нальной деятельности, в которых применяются шаговые реактивные двигатели с соблюдением различных технических
требований;
• уметь с помощью расчетов и измерений определять пара-
метры и осваивать новое оборудование объектов профессиональной деятельности, в которых применяются шаговые
реактивные двигатели.
Изучение раздела «Шаговые реактивные двигатели» предусматривает кроме аудиторных занятий достаточно большой объем самостоятельной работы даже при очном обучении. При использовании
электронного обучения и дистанционных образовательных технологий доля самостоятельной работы значительно возрастает.
Структура, содержание и методика изложения материала подчинены задаче стимулирования навыков самостоятельной работы. Для
этого пособие включает две, по мнению автора, равноценные части:
изложение теоретического материала и контроль (в большей степени
самоконтроль) освоения изученного материала с помощью вопросов
для самопроверки различной сложности.
Пособие, естественно, не лишено недостатков, поэтому все критические замечания и предложения по его совершенствованию автор
примет с благодарностью.
4
ВВЕДЕНИЕ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ РЕАКТИВНЫХ
ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В наши дни используются различные типы электрических машин, в
том числе шаговых двигателей (ШД), которые можно разбить на несколько видов в зависимости от их структуры и принципов работы.
Шаговый исполнительный двигатель – это преобразователь электрического управляющего импульса в угловое перемещение. На обмотку статора ШД подаются сигналы. Их количеством и порядком
определяется угловой шаг (угол поворота выходного вала). Такие
двигатели являются синхронными. Силы магнитного притяжения полюсов статора и ротора создают электромагнитный момент. Этот момент воздействует на ротор. ШД часто используют в системе электропривода с программным управлением
.
Различают ШД с невозбужденным (пассивным, реактивным) и
возбужденным (активным) ротором. Статор в обоих случаях может
выполняться двухфазным или многофазным.
Область применения шаговых двигателей с возбужденным ротором меньше, чем реактивных ШД. Это вызвано величиной шага (15–
90)° и большой пульсацией момента.
В то же время реактивные ШД позволяют получить до 200 шагов
в секунду с величиной шага, достигающей долей градуса, что
определяется большим числом зубцов невозбужденного ротора по
сравнению с числом полюсов постоянных магнитов у ШД активного типа.
Рассмотрим конструкцию и принцип действия современного реактивного ШД. Поперечное сечение двигателя приведено на рис. 1.
Сердечник статора изготавливается из магнитомягкой стали. Число
зубцов статора равно шести. Сердечник ротора также изготавливается из магнитомягкой стали. Число зубцов ротора равно четырем. На
зубцы статора наматывается трехфазная обмотка. Каждая фаза обмотки, как видно из рисунка, выполнена из двух соединенных последовательно катушек.
5
Обмотки питаются постоянным током от источника. Подключение источника к обмоткам осуществляется через три переключателя.
Рис. 1
На рис. 1, а обмотка первой фазы подключается при замыкании
переключателя 1 к источнику питания. При этом первая фаза возбуждается, т.е. возникает магнитный поток, направление которого показано на рис. 1, а.
Взаимодействие двух из четырёх зубцов ротора с двумя возбуждёнными зубцами статора показано на рис. 1, а. Зубцы останавливаются на одной линии. Выражаясь термином динамики, такое положение называется равновесным. При замыкании ключа 2 дополнительно
к первой фазе возбуждается вторая фаза. В зубцах статора, принадлежащих этой фазе, появляется магнитный поток, направление которого показано на рис. 1, б. И тогда в наклонных силовых линиях магнитного поля возникает натягивающая сила, которая, в свою очередь,
является основой для появления вращающего момента.
6
В результате действия вращающего момента, как видно из рис. 1, в,
ротор принимает конечное положение. Шаг или угол шага в нашем
случае равен 15о. Угол шага – это угол поворота ротора, в процессе переключения в одной операции. Если рассмотреть положение ротора на
рис. 1, г, то видно, что он повёрнут ещё на 15о. Это следующий цикл.
При этом в результате переключения фаза 1 не соединена с источником
питания, так как ключ 1 разомкнут. С помощью действия переключения возможно управлять угловым положением ротора.
Так же действие переключения используется для регулирования
средней частоты вращения. Так как ротор вращается пошагово, действие переключения производят последовательно. На рис. 2 показана
система управления шаговым двигателем 4 с помощью микропроцессора или цифровых интегральных схем 2. Они служат для генерирования сигналов на переключение. Транзисторы в современных управляемых ШД используются как электронные переключатели в составе коммутатора (инвертора) 3, питаемого от источника постоянного тока 1.
Рис. 2
История ШД берет свое начало в 20-х годах прошлого века. Так,
с 1927 года военно-морским флотом для повышения точности
стрельбы на торпедах и орудиях дистанционного управления использовался трёхфазный реактивный шаговый двигатель.
Конструкция шагового двигателя и его система управления изображена на рис. 3.
Для переключения тока управления используется коммутатор,
который приводится в действие ручным вращением. Чтобы повернуть
ротор на 90о, нужно сделать один целый поворот рукояти вращения,
это даст нам шесть шагов. Для того чтобы достичь нужного положения ротора, достаточной точности, ротор следует вращать замедленно
о
шагами по 15
.
7
Рис. 3
Для достижения стабильности работы этого шагового двигателя
приходится учитывать влияние различных моментов при его проектировании. Например, таких, как пропуск шага. Чтобы этого не допустить, требуется высокое отношение электромагнитного момента к
моменту инерции движущихся частей. Для достижения высокой приемистости требуется минимальное отношение индуктивности цепи к
её сопротивлению. Эти трудности встречаются и при проектировании
новых двигателей.
Шаговые двигатели начали применяться в начале XX века для
управления позиционированием.
Рассмотрим конструкцию шагового двигателя с вращающимся
малым шагом, изображенного на рис. 4, который был изобретён в
1919 году. Под пунктами (а) и (б) изображены сечения этого двигателя с обмоткой статора 1 и ротором 2. На рисунке пункта (б) мы видим, как пунктиром показано место прохождения магнитного потока
при возбуждении фазы l. Зубцы статора и зубцы ротора расположены
напротив друг друга. Всего зубцов 62 (32 на роторе и 30 на полюсах
статора), и они имеют равный шаг. Также показано расхождение зубцов статора и ротора, принадлежащих фазам 2 и 3. Это расхождение
равно трети шага относительно друг друга в обратном направлении.
При переключении тока с фазы l на фазу 2 ротора поворачивается по
часовой стрелке на угол, равный (360/32)/3 = 3,75о. Если же подать
ток управления на фазу 3, ротор повернется на тот же угол против часовой стрелки.
8
Рис. 4
Далее рассмотрим конструкцию реактивного шагового двигателя,
продольное сечение которого изображено на рис. 5, а. Этот двигатель
создан в 1920 году. Его особенность – высокий вращающий момент
на единицу объема ротора. Это достигнуто с помощью торцевой конструкции «сандвич» с обмоткой статора 1 и ротором 2. При этом, как
видно из рис. 5, б, ротор 2, изготовленный из магнитомягкой стали,
помещен между двумя зубцами статора 3
Рис. 5
В середине прошлого века были разработаны первые многопакетные реактивные шаговые двигатели. Ротор одного из них представлен на рис. 6.
9
Рис. 6
Этот двигатель представлял собой систему трёх шаговых двигателей и служил для передвижения фрезерного стола по трём осям.
Цифровая система управления этим двигателем показана на рис. 7.
Рис. 7
Система позволяла осуществлять два вида управления движением двигателей 6:
• управление вручную;
• управление с помощью тиратронов 5, на которые посыла-
лись управляющие сигналы устройства считывания 3, со-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]