Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Шаговые реактивные двигатели. Учебное пособие
.pdf
Еще одна конструкция ШД с четырехфазным статором и ротором
с 50 зубцами приведена на рис. 21.
В этом двигателе число шагов за один оборот ротора составляет
200, а величина угла шага равна 1,8°.
Рис. 21
Во всех рассмотренных выше реактивных ШД статор и ротор
выполнялись в виде одного пакета. Такие двигатели называются однопакетными. В них фазы статора располагаются в одной плоскости,
т.е. находятся в одном слое.
Существуют и многопакетные ШД реактивного типа. Их называют
также каскадными. У этих двигателей каждая фаза располагается в одном пакете. При этом количество зубцов ротора и статора одинаково.
Обратимся вновь к рис. 13, на котором показан процесс поочередного возбуждения фаз в однопакетном ШД. Теперь предположим,
что каждая фаза располагается в своем пакете. При возбуждении третьей фазы обмотки статора, которая располагается в третьем пакете,
зубцы статора и ротора магнитной системы устанавливаются на одной линии. В фазах 1 и 2 первого и второго пакетов в этот момент
времени они расходятся в противоположных направлениях на 1/3 ша-
21
га зубца, как видно из рисунка. При переключении возбуждения с
третьей фазы ротор поворачивается на один шаг:
• при переключении на первую фазу – по часовой стрелке;
• при переключении на вторую фазу – против часовой стрелки.
На рис. 22 изображен продольный разрез реактивного ШД, число
фаз статора и, соответственно, число пакетов равно пяти. Такие двигатели широко используются в устройствах, например, с числовым
управлением. Их достоинством является создание большого электромагнитного момента на единицу объема ротора.
Рис. 22
На рис. 23 для этого двигателя показано, каким образом зубец ротора 1 проходит между одинаковыми по ширине зубцами статора.
Рис. 23
22
В многопакетных двигателях, например, таких как изображенный
на рис. 22, обмотки фаз статора представляют собой кольцевые катушки в виде соленоида.
Распределение магнитного поля для однопакетных двигателей с
обмоткой статора 1 представлено на рис. 24.
Рис. 24
В этом случае два магнитных полюса (N и S) располагаются в
плоскости, которая перпендикулярна валу ШД. Это распределение
магнитного поля:
• униполярно;
• разноименно полюсное.
В отличие от распределения магнитного поля, изображенного на
рис. 24 в многопакетных ШД с обмотками статора 1 (рис. 25) в плоскости, которая перпендикулярна валу ШД, располагается только северный или южный магнитный полюс.
Рис. 25
Это распределение магнитного поля:
• многополярное;
• одноименно полюсное.
23
Однако на рис. 26 представлен пример конструкции многопакет-
+++
ного реактивного ШД, в котором распределение магнитного поля
разноименно полюсное.
Рис. 26
1.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕАКТИВНЫХ ШД
Рассмотрим принцип действия реактивных шаговых двигателей
(ШД с пассивным ротором).
Пусть в рассматриваемом реактивном трехфазном двигателе
явнополюсный статор имеет 6 полюсов 1-1, 2-2 и 3-3 (рис. 27). Ротор
имеет два невозбуждённых полюса.
Рассмотрим последовательно прохождение импульсов тока в фазах обмотки статора. Импульсы
,, UUU
сдвинуты на 60° и
321
имеют продолжительность 90°.
В начальный момент времени t=0 происходит подача управляющего импульса на обмотку фазы 1 статора. Положение ротора при
этом совпадает с осью 1-1 фазы, а распределение магнитного поля
обмотки статора показано на рис. 27 пунктирными линиями.
В момент времени, равный
, появляется импульс тока во второй
t
1
фазе. В результате этого оказываются намагниченными одновременно полюсы 1-1 и 2-2. Ротор под действием сил магнитного притяжения поворачивается на 30°. Для рассматриваемого процесса это величина углового шага
α
.
ш
24
Рис. 27
=
=
При
этом ротор повернётся ещё раз на угловой шаг
tt
действие импульса тока в первой фазе закончится. При
2
0
. Суммарный
30α =
ш
угол поворота составит 60°. Ротор будет расположен по оси полюсов 2-2.
Когда
tt
, полюса статора 2-2 и 3-3 окажутся намагниченными,
3
так как будет подаваться управляющий импульс тока в третьей фазе
статора. Ротор окажется между полюсами 2-2 и 3-3. Общий угол поворота составит 90°.
В последующие моменты времени (
t , 5t , 6t ) перемещения ротора
4
шагового двигателя будут происходить аналогично рассмотренному
выше. Ротор будет совершать повороты на
ш
0
. В конечном ито-
30α =
ге он повернётся на суммарный угол 180° и опять совпадёт с осью 1-1
полюсов статора.
25
Таким образом, двигатель работает по следующей схеме:
• в промежутки времени (0-
t
,
t
-
1
t , 4t -5t ) возбуждена одна
2
3
фаза статора;
• в промежутки времени (
t -2t , 3t -
1
,
t -
t
t
4
) возбуждены две фа-
5
6
зы статора.
Такое включение обмоток фаз статора называется раздельносовместным.
Так как процессы в ШД после окончания шестого цикла начнут
повторяться, рассматриваемая схема коммутации называется шеститактной.
Рассматривались однополярные импульсы. При изменении их
полярности силы, действующие на невозбужденный ротор, своего
направления не изменяют. Поэтому для того, чтобы осуществить реверс ротора (запуск в обратном направлении), нужно поменять схему
коммутации (рис. 28).
Рис. 28
Если бы в данном шаговом двигателе была реализована раздельная схема коммутации, когда в любые промежутки времени возбуждена одна фаза статора, то угловой шаг двигателя
α
составил бы 60°.
ш
Таким образом, величина углового шага двигателя обратно пропорциональна:
• числу полюсных выступов на роторе
• числу фаз обмотки статора
26
m
;
1
2р
;
2
• коэффициенту, зависящему от способа включения фаз об-
=
=
мотки статора
раздельно-совместном
Угловой шаг рассчитывается по формуле
(при раздельном включении
k
Ф
k
= 2).
Ф
Ш
k
= 1, при
Ф
0
.
)2/(360α
kmр=
Ф12
Для того чтобы увеличить быстродействие и точность работы
ШД, нужно уменьшить угловой шаг. При этом уменьшается время
перемещения ротора.
Основной путь уменьшения углового шага – увеличение числа
полюсов ротора
2р
.
2
На рис. 29 изображена крестовая четырехполюсная конструкция
шагового двигателя с реактивным ротором.
В представленной на рис. 29 конструкции шагового двигателя
0
, так как
α =
15
Ш
• число полюсных выступов на роторе
42
р
2
;
• число фаз обмотки статора
m
6
.
1
При совместно-раздельном включении угловой шаг
уменьшается вдвое.
α
также
Ш
Рис. 29
27
Катушки, намотанные на два полюса статора, расположенные
θСd
dA
θ
d
2
друг напротив друга, соединяются последовательно. При протекании
в катушках тока полюса имеют противоположную полярность. Катушки питаются от источника постоянного тока последовательными
импульсами напряжения прямоугольной формы. Для подачи импульсов применяется контактный коммутатор, аналогичный коллектору
машины постоянного тока.
Если коммутатор неподвижен, то ротор шагового двигателя занимает фиксированное определенное положение. Этому положению
соответствует наибольшая магнитная проводимость для замыкания
магнитного потока статора.
Если этот коммутатор вращается, то на обмотки статора двигателя поочередно подаются импульсы постоянного тока. В результате
образуется магнитное поле. Это поле перемещается по окружности
статора скачками.
Такими же дискретными «шагами» величиной
α
за полем ста-
Ш
тора следует синхронно явнополюсный ротор двигателя.
Отклонение ротора от состояния равновесия на какой-либо угол
приводит к уменьшению магнитной проводимости для потока. Это, в
свою очередь, приводит к возникновению синхронизирующего момента. Этот момент стремится переместить ротор в положение равновесия.
Электромагнитный момент шагового двигателя для статического
dA
режима можно определить по формуле
М =
, где
– изменение
электромагнитной энергии, сосредоточенной в воздушном зазоре;
– изменение угла отклонения ротора от состояния равновесия.
Электромагнитная энергия воздушного зазора ШД изменяется
периодически и зависит от угла рассогласования между ротором и
статором. При этом речь идет об электрическом угле, связанном с
геометрическим углом рассогласования известным соотношением
z
p
28
θ,
где
θ
=
э
z
– число зубцов реактивного ротора.
p
С учетом вышесказанного статический электромагнитный мо-
=
λ
212
2
2
мент двигателя определяется как
M
z
dA
p
C
⋅=
2
d
)θ(
э
.
θ
э
Магнитный поток двигателя, проходящий через воздушный зазор, определяется как
λФСF
,
где
F
– намагничивающая сила пары полюсов, создаваемая обмот-
С
кой статора;
– величина полной магнитной проводимости в воздушном зазоре.
Электромагнитная энергия в зазоре двигателя рассчитывается как
1
2
Ф
FLiA =⋅=
.
С
Подставив выражения для электромагнитной энергии и магнитного потока в формулу для определения статического электромагнитного момента ШД с невозбужденным ротором, получим
М
С
z
p
F
⋅=
4 d
λ
d
2
C
.
θ
э
Каким же образом изменяется магнитная проводимость λ в зазоре ШД?
Допустим, что магнитная система двигателя не насыщена. В первом приближении пренебрежем также высшими гармониками кривой
магнитного поля в зазоре ШД.
Примем традиционные обозначения
и
λ
d
для полных магнит-
λ
q
ных проводимостей в воздушном зазоре рассматриваемого двигателя
по продольной и поперечной осям. При этих условиях выражение для
изменения магнитной проводимости в зазоре запишется как
1
λ
1
)λλ(
−++=
qdqd
θ2cos)λλ(
.
э
На рис. 30 в соответствии сданным выражением простроена кривая зависимости полной магнитной проводимости рассматриваемого
двигателя от угла поворота ротора.
29
<
Рис. 30
Таким образом, неравенство магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям ротора в воздушном зазоре между ротором и статором учитывается при определении статического электромагнитного момента шагового двигателя с реактивным ротором. При
этом максимум электромагнитного момента достигается, когда угол
рассогласования
θ
равен 45°.
э
Если ротор ШД вращается непрерывно с какой-либо скоростью,
то ток в обмотках статора в момент их переключения коммутатором
не достигает полностью установившегося значения из-за индуктивности обмоток. Поэтому средняя намагничивающая сила пары полюсов
статорной обмотки уменьшается
FF
и электромагнитный мо-
СС.ср
мент шагового двигателя при вращающемся реактивном роторе (динамический момент) снижается до 20÷30% значения статического
момента.
Уменьшения углового шага достигается также за счет электромагнитной редукции ротора. Для изображенного на рис. 31 ротора с восемью невозбуждёнными полюсами и числом открытых пазов Z2=36 при
раздельной схеме коммутации угловой шаг будет равен 2,5◦.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]