Синхронные шаговые двигатели

 

Шаговыми двигателями называются синхронные двига­тели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксирован­ное положение подвижной части двигателя. Шаговый двига­тель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.

 

В качестве шаговых применяют синхронные двигатели без обмотки возбуждения на роторе: с постоянными магнитами, реактивные и индукторные (с подмагничиванием). Для получения требуемых статических характеристик и динамических свойств их выполняют без пусковой обмотки, с ротором мини­мального диаметра и рассчитывают на большие электромаг­нитные нагрузки.

Шаговые двигатели целесообразно применять для приво­да механизмов, имеющих старт-стопное движение, или меха­низмов, с непрерывным движением, если управляющий сигнал задан в виде последовательности импульсов, например, ленто­протяжных устройств для ввода и вывода информации, счетчи­ков, приводов станков с программным управлением и т. д.

Мощность выпускаемых шаговых двигателей лежит в диа­пазоне от единиц ватт до одного киловатта.

Напряжение питания обмоток управления шагового двига­теля представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора. Результирующий угол поворота ротора соответствует числу переключений коммутатора, а час­тота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

По конструктивным особенностям различаются шаговые двигатели активного типа (с постоянными магнитами), реактив­ного типа и индукторные.

На рис. 5.7 изображена схема m-фазного шагового двига­теля без обмотки возбуждения на роторе.

Если питать поочередно фазы 1, 2, 3, ..., m обмотки якоря рассматриваемого двигателя одно полярными импульсами напряжения, то ротор двигателя будет скачкообразно переме­щаться в положения, при которых его ось совпадает с осями фаз 1, 2, 3 и т. д.

 

 

 

Рис. 5.7. К принципу действия шагового двигателя

Ротор при этом будет иметь т устойчивых состояний, соот­ветствующих направлению вектора МДС F обмотки якоря в данный момент времени; при этом шаг ротора равен 2π/m

Для увеличения результирующей МДС якоря и синхрони­зирующего момента одновременно подают питание на две, три и большее количество фаз. Например, если одновременно подать напряжение на две фазы, то положение результиру­ющего вектора МДС F и оси ротора совпадает с линией, проходящей между осями двух соседних фаз (рис. 5.7,6). При подаче питания одновременно на три соседние фазы ротор перемещается в положение, совпадающее с осью средней фазы (рис. 5.7,6). Если поочередно включать четное (две), или не­четное (одна, три) число фаз, то ротор двигателя будет иметь 2т устойчивых состояния и шаг двигателя будет равен π/m.

Управление двигателем, при котором фазы обмотки якоря включают поочередно равными группами по две, три и т. д., называют симметричным, поочередное включение неравных групп фаз — несимметричным.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами имеют ро­тор в виде постоянного магнита (звездочки) литой или состав­ной конструкции без полюсных наконечников. Статор имеет явновыраженные полюсы, на которых в полузакрытых пазах размещают катушки обмотки якоря. Обмотка статора может быть двух-, трех-, четырехфазной. В многополюсных машинах число пазов на полюс и фазу q = 1, т. е. обмотку выполняют сосредоточенной. Шаговые двигатели этого типа называют также магнитоэлектрическими.

В двигателе с двухфазной обмоткой якоря при последова­тельной подаче импульсов напряжения на катушки полюсов ось магнитного потока скачкообразно перемещается на 90° (рис. 5.8).

 

Рис. 5.8. Последовательность перемещения ротора шагового двигателя

 

В результате под действием синхронизирующего момента при каждом импульсе ротор поворачивается на 90°, т. е. делает шаг, равный 90°.

Возникновение синхронизирующего момента в шаговом двигателе при подаче питания на фазы обмотки якоря обус­ловлено теми же причинами, что и в синхронном двигателе обычного исполнения.

Каждому импульсу тока соответствует определенное поло­жение ротора двигателя. Чтобы изменить направление враще­ния ротора, следует изменить полярность включения одной из фаз обмотки якоря, не меняя очередность их коммутации. Для уменьшения шага ротора шаговые двигатели выполняют мно­гополюсными. При этом число полюсных выступов на роторе должно быть равно числу полюсов статора. Наиболее часто используют восьмиполюсные шаговые двигатели. Шаг двига­теля представляет собой угол поворота ротора за один такт:

,(5.11)

где k — число тактов в одном цикле; р — число пар полюсов. Частота вращения ротора двигателя зависит от частоты подачи импульсов:

(5.12)

Диапазон изменения частоты при четырехтактной комму­тации обычно составляет 0...500 Гц; максимальной частоте соответствует частота вращения до 3000 мин^-1.

Чаще всего шаговые двигатели имеют четырехфазную об­мотку, которая может управляться однополярными импульсами напряжения, что упрощает конструкцию электронного ком­мутатора. При подключении к коммутатору фазы такой обмот­ки соединяют в четырехлучевую звезду с выведенной общей точкой.

Реактивные шаговые двигатели имеют ротор из магнитно-мягкого материала. На статоре обычно располагают трехфаз­ную сосредоточенную обмотку, фазы которой получают пита­ние от электронного коммутатора. Реактивные шаговые дви­гатели называют также параметрическими.

Шаг реактивного двигателя можно уменьшить, если увели­чить число выступов на роторе. На рис. 5.9 показаны три такта работы шагового двигателя с крестообразным ротором. При той же последовательности подачи импульсов, что и для двигателя, показанного на рис. 5.8, шаг этого двигателя со­ставляет 15°.

 

 

Рис. 5.9. Такты работы шагового реактивного двигателя

с крестообразным ротором

Дальнейшее уменьшение шага, т. е. повышение точности работы двигателя, можно обеспечить, увеличив число выступов на статоре и роторе, т. е. перейдя к схеме редукторного дви­гателя.

При малом шаге (1°...5°) применяют реактивный редукторный шаговый двигатель с гребенчатыми выступами на статоре. Выпускаемые отечественной промышленностью реактивные редукторные шаговые двигатели имеют на статоре шесть по­люсных выступов с гребенчатой зубцовой зоной.

У активных шаговых двигателей есть существенный недо­статок: они имеют крупный шаг, который может достигать де­сятков градусов.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуциро­вать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли гра­дуса. Отличительной особенностью реактивного редукторно­го двигателя является расположение зубцов на полюсах ста­тора (рис. 5.10).

 

Рис. 5.10. Принцип действия реактивного редукторного

шагового двигателя:

а — при возбужденном полюсе /;

б — при возбужденном полюсе 2 (шаг 1/4т)

 

При большом числе зубцов ротора Z_pего угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора. Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигате­ля определится выражением:

.(5.13)

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по про­дольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесто­ченных обмотках статора.

Повышение степени редукции шаговых двигателей, как ак­тивного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каж­дого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов равно двум, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т. д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют ' пространственного сдвига, т. е. оси их полюсов полностью совпадают.

Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.

Стремление совместить преимущества активного шагово­го двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и ре­активного шагового двигателя (малая величина шага) приве­ло к созданию гибридных индукторных шаговых двигате­лей. В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, которые отличаются чис­лом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т. д.

Во всех конструкциях гибридных индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодей­ствия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается на­магничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в задан­ном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетиче­ские и динамические характеристики.

Линейные шаговые синхронные двигатели.При авто­матизации производственных процессов весьма часто необхо­димо перемещать объекты в плоскости (например, в графопо­строителях современных ЭВМ и т. д.). В этом случае прихо­дится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.

Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это по­зволяет упростить кинематическую схему различных электро­приводов (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Схема линейного шагового двигателя

 

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом. Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцо­вые деления в пределах одного магнитопровода ротора сдви­нуты на половину зубцового деления τ/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового де­ления τ/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.

Принцип действия линейного шагового двигателя не от­личается от принципа действия индукторного шагового двига­теля. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока под­магничивания создается не момент, а сила F_С, которая переме­щает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т. е. на четверть зубцового деления τ/4.

(5.14)

где К_Т — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум коорди­натам применяются двухкоординатные линейные шаговые дви­гатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами маг­нитного притяжения полюсов ротора. Через специальные фор­сунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между стато­ром и ротором создается воздушная подушка, и ротор подве­шивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движе­нию ротора и высокая точность позиционирования.

Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору ре­зультирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте им­пульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следу­ющего импульса заданный угол вращения α_ш. В начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колеба­ния угла Да поворота ротора двигателя относительно устано­вившегося значения, которые обусловлены запасом кинетической энергии, накопленной ротором при отработке угла α_ш (рис. 5.12). По мере отработки управляющих импульсов рас­тер угол поворота ротора Ɵ₂. Кинетическая энергия ротора преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быст­рее заканчивается переходный процесс отработки единично­го шага двигателем.

 

 

 

Рис. 5.12. Процесс отработки шагов шаговым двигателем за время шага ta

 

 

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.

Основными характеристиками ша­гового двигателя являются: шаг, пре­дельная механическая характеристика и приемистость. Предельной механи­ческой характеристикой называют за­висимость максимального синхронизи­рующего момента от частоты управля­ющих импульсов (рис. 5.13).

 

Рис. 5.12. Процесс отработки шагов шаговым двигателем за время

 

 

При высоких частотах вращения (2000...3000 об/мин) при­меняют шаговые двигатели с постоянными магнитами, распо­ложенными на роторе. Наличие активного ротора позволяет получить относительно большие моменты и обеспечить фик­сацию ротора при обесточенных обмотках. При низких часто­тах вращения (до 1000 об/мин) и малом шаге применяют индукторные и реактивные двигатели с гребенчатыми выступа­ми на полюсах статора.

 

Редукторные двигатели

 

Синхронные редукторные микродвигатели — это машины, частота вращения ротора которых зависит от числа зубцов ротора. Редукторные трех- и двухфазные индукторные маши­ны широко применяют в качестве генераторов и в качестве двигателей.

Синхронная частота вращения поля двигателя:

. (5.15)

Синхронная частота вращения ротора:

.(5.16)

Таким образом отношение:

(5.17)

Величину, k_ред называют коэффициентом редукции. Он показывает, во сколько раз частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля, поэтому индукторные дви­гатели часто называют редукторными.

Редукторные двигатели могут быть трех типов: с электро­магнитным возбуждением (на статоре или роторе), с постоян­ными магнитами или без возбуждения (реактивные). В зависи­мости от расположения обмотки возбуждения или постоянных магнитов различают двигатели с осевым и радиальным воз­буждением.

На рис. 5.14 изображено устройство редукторного реак­тивного двигателя. Двигатель состоит из статора 1 с трех- или двухфазной обмоткой, расположенной на полюсах 3 статора и ротора 4, имеющего зубцы. В редукторном реактивном дви­гателе число пазов больше или меньше числа пазов ротора, т. е. зубцовые деления статора и ротора различны. Принцип действия реактивного редукторного двигателя сводится к сле­дующему. В исходный момент времени ось магнитного потока совпадает с осью полюсов статора, и ротор расположен так, что магнитное сопротивление для потока, замыкающегося по этой оси, является минимальным.

 

 

 

Рис. 5.15. Устройство редукторного реактивного двигателя

Когда ось вращающегося магнитного потока повернется и будет совпадать с осью соседних полюсов, на зубцы, располо­женные под этими полюсами, будет действовать реактивный момент. При этом ротор повернется на 1/3 зубцового деле­ния против направления вращения поля так, что зубцы на роторе встанут против зубцов на этих полюсах. При дальней­шем вращении магнитного поля будет, происходить и враще­ние ротора, но повороту поля на половину окружности якоря будет соответствовать поворот ротора всего на одно зубцовое деление. Таким образом, коэффициент редукции

Обычно 2р = 2 и частота вращения ротора:

(5.18)

Пуск в ход редукторных двигателей осуществляется при помощи короткозамкнутой обмотки, расположенной на рото­ре. Если частота вращения низка, а ротор имеет малый момент инерции, то он может втягиваться в синхронизм непосред­ственно, без каких-либо пусковых устройств.

Мощность редукторных двигателей находится в пределах 1...40 Вт. КПД их составляет 20...40%.

Наряду с двигателями в системах следящего привода, в радиолокационных и гироскопических устройствах широко используются индукторные генераторыповышенной частоты, находящейся в пределах от 400 до 30000 Гц. В конструктив­ном отношении генераторы отличаются от двигателей тем, что имеют на статоре кроме обмотки переменного тока еще об­мотку возбуждения, питаемую постоянным током. Роторы ин­дукционных генераторов выполняют без обмоток с большим числом зубцов. Таким образом, в основе принципа работы индукционных генераторов лежит действие зубцовых гармоник. Индукторные генераторы имеют более низкий КПД, чем обычные синхронные машины, что объясняется значительным увеличением добавочных потерь в стали и обмотке якоря из-за высокой частоты перемагничивания.