Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Шаговые реактивные двигатели. Учебное пособие
.pdf
держащее фотоэлектрические датчики, считывающие сигналы с перфоленты 4, которая приводилась в движение с помощью двигателя 2 и червячной передачи 1.
Активные поиски решений, направленные на повышение характеристик шаговых двигателей, начались с ростом популярности таких
двигателей.
Так, например, в Японии в период с шестидесятых-семидесятых годов прошлого века входят в использование электрогидравлические шаговые двигатели, состоящие из обычного ШД и гидравлического механизма. Элементами переключения служили германиевые транзисторы.
Импульс развитию ШД придало развитие вычислительной техники. В периферийных устройствах вычислительных машин применялись
реактивные двигатели, обмотки статора которых были трех- и четырехфазные, а шаги равнялись 7,5о или 15°. В печатающих устройствах,
выпускаемых серийно, число символов в строке должно было быть
большим. Поэтому в них нашли широкое применение реактивные ШД,
у которых число шагов за один оборот равнялось 128 или 132.
В тех же печатающих устройствах для перемещения каретки
(рис. 8) использовались линейные реактивные ШД.
Рис. 8
11
В этих двигателях статором являлась направляющая 2, а ротором
– ползунок каретки 3. Управление шагами осуществлялось с исполь-
зованием датчика положения 1.
В то же время в цифровых управляющих машинах находят применение описанные выше мощные многопакетные реактивные шаговые
двигатели с использованием структуры типа "сандвич'' и цифрового
управляющего механизма, развивающие высокий вращающий момент.
Параллельно с развитием шаговых двигателей развивались и полупроводниковые приборы. В послевоенные годы был создан точечно-контактный транзистор. В 50-е годы 20-го века изобретен первый
тиристор (кремниевый управляемый выпрямитель).
Для управления шаговыми двигателями использовали различные
устройства. В первое время – механические контакты или реле, затем
– газонаполненные или вакуумные лампы, которые постепенно заменяли на тиристоры и транзисторы. Однако стоимость электроприводов с логическими схемами была высокой и поэтому шаговые двигатели были отнюдь не популярны. В 1964 году были созданы МОПтранзисторы. Год спустя были изобретены сначала интегральные
схемы, а позже – частично интегрированные микросхемы и, наконец,
интегральные микросхемы. В итоге логические схемы, которые входят в систему управления шаговых двигателей, стали:
• миниатюрными;
• надежными;
• дешевыми.
В результате применение шаговых двигателей стало экономически оправданным.
Шаговые двигатели начали широко применять в цифровом электроприводе. Микропроцессоры применялись в электроприводах с шаговыми двигателями.
В это время развитые страны начали интенсивно исследовать шаговые двигатели. В 1970-х годах, на международных конференциях,
был произведен обмен докладами, а также обсуждалась возможность
практического использования шаговых двигателей. Стоит отметить,
12
что в 1970-х годах в Великобритании три раза организовывалась
Международная конференция по шаговым двигателям и приборам.
Таким образом, ШД преобразуют электрические импульсы в дискретные «шаги», то есть угловые перемещения. В современных технологиях ШД широко применяются в системах автоматического
управления:
• электроприводами станков;
• электроприводами механизмов и других устройств;
• в ракетной технике.
Конструктивно они представляют собой синхронные двигатели.
Статор ШД выполняется неявнополюсным или явнополюсным, а ротор – явнополюсным.
Различают разные типы ШД без обмотки возбуждения (с реактивным явнополюсным ротором):
• одностаторные двигатели с сосредоточенными обмотками
управления;
• одностаторные двигатели с распределенными обмотками
управления;
• трехстаторные двигатели с сосредоточенными обмотками
управления;
• трехстаторные двигатели с распределенными обмотками
управления.
1. КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
РЕАКТИВНЫХ ШД
1.1. КОНСТРУКЦИИ РЕАКТИВНЫХ ШД
Выше мы пытались показать, что применяемые в настоящее вре-
мя реактивные ШД наиболее распространены.
Рассмотрим конструкцию принцип действия реактивного ШД.
Для этого на рис. 9 изобразим поперечное сечение простого реак-
тивного ШД и схему соединения его обмоток.
13
Рис. 9
Видно, что статор двигателя имеет шесть зубцов. Каждой фазе
обмотки статора 1 соответствуют два зубца. Эти зубцы друг относительно друга отстоят на 180°. Катушки противоположных зубцов
можно соединять последовательно (как на рис. 9) или параллельно.
Число фаз двигателя равно трем. На роторе 3 мы видим четыре зубца.
Ротор может быть массивным. Однако чаще всего для улучшения характеристик двигателя его, как и статор, изготавливают шихтованным обычно из магнитомягкого материала, обладающего высокой
магнитной проницаемостью для обеспечения прохождения магнитного потока большой величины.
Предположим, что на рис. 9 зубцы, принадлежащие какой-либо
фазе статора, намагничены в противоположном направлении. То есть
если на рис. 9 возбуждены I, II и III зубцы, то они соответствуют северному магнитному полюсу. И, напротив, возбужденные I', II' и III'
зубцы образуют южный магнитный полюс.
Токи в фазах изменяются при переключении переключателей S1,
S2, S3. Подадим ток в обмотку первой фазы, то есть возбудим ее. При
этом картина силовых линий магнитного потока показана на рис. 10.
Видно, что два зубца ротора устанавливаются на одной линии с I
и I' зубцами статора. Такое положение называется положением равновесия. В этом положении обеспечивается минимум магнитного сопротивления.
14
Рис. 10
Рассмотрим, что произойдет при движении ротора от положения
равновесия (рис. 11).
Рис. 11
Приложим к ротору внешний момент 2. При этом ротор сместится в направлении по часовой стрелке. Силовые линии магнитного поля 1 искривляются на концах зубцов статора и ротора. Они как бы
натянуты. Это натяжение называют натяжением Максвелла. Силовые
линии магнитного поля, как эластичные струны, стремятся выпрямиться, став при этом как можно короче. В результате этого эффекта
на концах зубцов возникает момент 3, называемый удерживающим и
направленный против часовой стрелки. Этот момент возвращает зубцы ротора в положение равновесия с зубцами статора, как показано
на рис. 11.
15
Рассмотрим, что произойдет, если отключить возбуждение первой фазы, возбудив вторую фазу. В момент переключения магнитное
сопротивление резко возрастает.
Для уменьшения магнитного сопротивления ротор повернется на
угол 30°, как видно из рис. 12. Этот поворот при переключении возбуждения называют угловым шагом.
Рис. 12
Если ротор выполнит три описанных выше шага, то есть повернется на 90°, то он снова окажется в положении равновесия, как показано на рис. 13. Здесь изображены включенные переключатели S и
соответствующие им возбужденные фазы.
Рис. 13
16
Одним из вариантов реактивного ШД является редукторный реактивный двигатель. Конструкция магнитной системы такого двигателя в трехфазном исполнении представлена на рис. 14. Также показано подключение и расположение обмоток.
Рис. 14
Реактивный ШД представляет собой трёхфазную синхронную
электрическую машину. Ротор выполнен явнополюсным. Возбуждающие обмотки на роторе отсутствуют. Фазные зоны статора расположены симметрично.
Постоянные составляющие фазных токов образуют потоки, которые в рассматриваемом реактивном ШД не принимают участия в
электромагнитном преобразовании энергии.
Гребенчатые зоны на статоре реактивного редукторного ШД
обеспечивают уменьшение величины шага.
Рассмотрим некоторые конструктивные особенности ШД реактивного типа.
Для достижения позиционирования высокой точности нам необходимо создать достаточно большой момент. Если при этом учесть
небольшой объем ротора, то необходимо минимизировать длину воздушного зазора. Картина магнитного поля при малой (1) и большой
(2) длине воздушного зазора приведена на рис. 15.
17
Рис. 15
Пусть и в первом, и во втором случае значение намагничивающей силы одинаково. Тогда в зазоре меньшей величины будет создаваться больший по величине магнитный поток. Это приведет к созданию более высокого момента. Кроме того, при уменьшении зазора
уменьшается уход ротора при воздействии на него внешнего момента
от положения равновесия. В современных ШД величина зазора находится в диапазоне от 30 до 100 мкм.
Выше уже отмечалось, что в реактивных шаговых двигателях
можно получить угол шага малой величины. В двигателях, описанных на рис. 12, 13, он составлял 30°. Рассмотрим возможности его
уменьшения. Увеличим число зубцов статора и ротора в два раза (соответственно 12 и 8), сохранив число фаз статора равным трем. Поперечное сечение такого реактивного ШД показано на рис. 16. В этом
двигателе угол шага будет равен 15°.
Рис. 16
18
Такой же угол шага можно получить и в четырехфазном ШД с 8
зубцами на статоре и 6 зубцами на роторе, представленном на рис. 17.
Рис. 17
Обозначим число зубцов ротора как Nr. Тогда число шагов двигателя S = m* Nr, то есть увеличивается с увеличением чисел зубцов ротора и фаз статора. При этом угол шага θS = 360°/S соответственно
уменьшается.
Из уравнения видно, что величина угла шага не зависит от числа
полюсов статора. Однако чаще всего это число увеличивают так же,
как и число зубцов ротора. Так, на рис. 18 показана еще одна конструкция реактивного ШД, обеспечивающего малый угол шага.
Рис. 18
19
На полюсах 1 статора намотаны обмотки. Полюса статора имеют
несколько зубцов 2 (на рис. 18 этих зубцов два). Зубцы, принадлежащие одному полюсу, намагничиваются в одном направлении. Это характерно для любого момента времени. Для конструкции рис. 18 угол
шага θS= (360°/42) = 8,57°, так как число зубцов ротора Nr = 14, число
фаз равно 3, число шагов двигателя S = 3 * 14 = 42 шага.
На рис. 19 изображена магнитная система реактивного ШД, пред-
ставленного на рис. 18 в развернутом виде.
Рис. 19
Таким образом, увеличение числа зубцов ротора приводит к увеличению число шагов за один его оборот и пропорциональному
уменьшению угла шага. Так, на рис. 20 приводится пример реактивного трехфазного ШД (отдельно изображены магнитопроводы статора 1 и ротора 2), число зубцов ротора которого равно 44. При этом
число шагов равно 132.
Рис. 20
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]