Шаговый электродвигатель с двойным статором

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.

При большом числе зубцов ротора Z_р его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя  определится выражением:

 

α_ш=360/К_тZ_р

 

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.

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 два, 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.

Индукторные (гибридные) шаговые  двигатели. 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, различающихся  числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре  и т.д. Во всех конструкциях 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.

 

4. 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.

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 магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/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 FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

 

ΔXш=tz/Кt

 

где Kt — 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.

 

5. Режимы работы  синхронного шагового двигателя

 

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. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колебания  углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания  обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена  валом двигателя при отработке  угла. Кинетическая энергия преобразуется  в потери: механические, магнитные  и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, чем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.

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.

Предельная механическая характеристика — это зависимость  максимального синхронизирующего  момента от частоты управляющих  импульсов.

Приемистость — это  наибольшая частота управляющих  импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем  переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.

Приемлемость падает с  увеличением нагрузки.

 

 

Описание моего  проекта

 

Радикальным отличием от обычных  двигателей у моего проекта является наличие 2 статоров: внешнего и внутреннего, между которыми вращается ротор. Для реализации проекта были выбраны  такие детали, как:

Внутренний статор (ротор  асинхронного двигателя с фазным ротором)

12 полюсов, 24 ламели

 

А также:

Внешний статор (статор однофазного  асинхронного двигателя)

24 полюса

 

 

 

Предлагается следующая  конструкция магнитной системы  двигателя:

Обмотки статоров переключаются  с шагом в 1 полюс. Причём на 1 переключение обмоток внутреннего статора  приходится 2 переключения обмоток  ротора. Что приводит к перемещению  ротора вследствие его затягивания  магнитным полем статоров. Скорость вращения регулируется частотой переключения обмоток. Общий закон размещения постоянных магнитов на роторе: 1 постоянному магниту соответствует 3 одноимённых полюса переменных магнитов. Двигатель должен быть оснащён датчиком положения ротора. И переключение обмоток производится только в том случае, если ротор уже повернулся на заданный угол. В двигателе предполагается применить радикальное новшество. В воздушные зазоры поместить магнитную жидкость, которая имеет существенно меньшее магнитное сопротивление, нежели воздух.

 

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ И  ИХ РАЙЧЕТ

 

Магнитной цепью называется путь, по которому замыкается магнитный  поток. На рисунке 84, а показан соленоид. Магнитная цепь здесь проходит через  воздух.   Магнитное  сопротивление  воздуха  очень  велико, поэтому даже при большой намагничивающей силе магнитный поток мал.

Для увеличения магнитного потока в состав магнитной цепи вводят ферромагнитные материалы (обычно литая или электротехническая сталь), имеющие меньшее магнитное сопротивление. Устройство, выполненное из ферромагнитных материалов, в котором замыкается магнитный поток, называется магнитопроводом, или     сердечником.

На рис. 84, б представлен  прямой электромагнит с разомкнутым  сердечником. Магнитные линии только небольшую часть своего пути проходят по стальному сердечнику, большую  же часть своего пути они проходят по воздуху. Полюсы электромагнита можно  определить при помощи «правила буравчика».

Подковообразный электромагнит, изображенный на рис. 84, в, представляет магнитную цепь с лучшими условиями  для прохождения магнитного потока. При такой конструкции поток  Ф большую часть пути проходит по стали и меньшую часть от полюса N до полюса S по воздуху.

На рис. 84, г представлена конструкция магнитной цепи, применяемая  в электромашиностроении  и  приборостроении.  Между полюсами электромагнита помещается стальной якорь. Большую часть своего пути магнитные линии проходят по стали и только очень малую  часть (от нескольких долей миллиметра до 2—3 мм) проходят по двум воздушным  промежуткам.

Трансформаторы имеют  замкнутый стальной сердечник (рис. 84, д). Сердечники трансформаторов собирают из нескольких частей, но во время сборки принимают меры к тому, чтобы воздушные  зазоры между отдельными частями  практически были равны нулю.

До сих пор мы не говорили о том, что магнитный поток, созданный  намагничивающей силой, не весь замыкается по тому пути, который ему предназначен. Помимо рабочего магнитного потока, существует магнитный поток рассеяния, который  замыкается по воздуху вне того места, где используется рабочий поток. На рис. 84, б, в, г, д показан также поток рассеяния.

Таким образом, общий магнитный  поток, который должна создать обмотка  возбуждения электромагнита, равен  сумме рабочего потока и потока рассеяния.

Расчет магнитной цепи, казалось бы, можно производить по формуле

Но если вспомнить, что  относительная магнитная проницаемость (х для ферромагнитных тел непостоянна и зависит от многих причин, то становится ясно, что этой формулой можно пользоваться лишь в том случае, когда в состав магнитной цепи входят только немагнитные тела (в том числе и воздух), для которых р, есть заранее заданная постоянная величина.

На практике для расчета  магнитных цепей предпочитают пользоваться графическими методами решения.

Расчет магнитной цепи производят в следующем порядке. Задаются необходимой величиной  магнитного потока. Разбивают магнитную  цепь на участки, имеющие одинаковые поперечные сечения и однородный материал, и для каждого участка  определяют величину магнитной индукции по формуле

Затем по кривым намагничивания для данного материала находят  для каждого значения магнитной  индукции величину Я. Если в магнитной  цепи встречаются воздушные зазоры, зависимость между В₀ и Н₀ определяется по формул

,

 

здесь В₀ выражено в вб/м².

 

Если индукция выражена в гауссах, а напряженность — в А/см, то зависимость между В₀ и Н₀ будет

 

Н₀=0,8 х В₀.

 

Определив величину Н для  каждого участка, находим по закону полного тока величину необходимой  намагничивающей силы по формуле:

 

 

 

Список использованной литературы

1. http://www.motor-remont.ru/books/2/05_41.html
2. http://vt-tech.eu/ru/articles/cnc/50-stepper-motors.html
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Шаговый_электродвигатель