Синхронні крокові двигуни

При необхідності отримання строго дозованих переміщень елементів робочих машин з фіксацією кінцевого положення, наприклад, натискних гвинтів прокатних ста-нов, механізмів подачі металорізальних верстатів, ланок маніпуляторів або прецизійних складальних агрегатів і т. д., знаходять застосування синхронні крокові двигуни (ШД). На відміну від звичайних синхронних двигунів безперервного типу в ШД обертання ротора відбувається в результаті послідовності його дискретних зсувів – кроків під впливом імпульсних керуючих команд, сформованих спеціальним пристроєм – електронним комутатором. Тому ШД може працювати тільки в сукупності з електронними засобами управління.

Широке поширення ШД обумовлено тим, що за своєю природою вони найбільш органічно поєднуються з сучасними цифровими системами управління: керуючими ЕОМ і т. п. Як правило, електроприводи з ШД в таких системах більш надійні, компактні і точні. При застосуванні спеціальних способів управління точність відпрацювання заданого положення рухливих частин механізму може досягати одиниць і навіть часткою мікрона. Потужність випускаються в даний час ШД коливається від одиниць ват до декількох кіловат.

Як і синхронні електричні машини безперервного обертання, ШД розрізняються за способом збудження, числу фаз, числу полюсів, спеціальним особливостям конструк-тивного виконання і т. п. Статор ШД має кілька зміщених у просторі сосредо-роджених або розподілених обмоток. Ротор завжди має явнополюсное виконання і виконується або активним (які мають обмотку збудження або постійні магніти), або пасивним (реактивним) з феромагнітного матеріалу з високою магнітною прони-цаємость.
Однією з найважливіших характеристик ШД, що визначають їх точність, є кутовий крок? ш переміщення ротора при кожному перемиканні (комутації) його обмоток. Він залежить від конструктивного виконання ШД і використовуваного алгоритму комутації обмоток. У ШД з активним ротором в силу конструктивних обмежень при звичайних способах комутації він зазвичай становить від? / 12 до? / 2. Реактивні ШД дозволяють отримати менший крок – до одного градуса.
Серед ШД з активним ротором найбільшого поширення набули двигуни з порушенням від постійних магнітів (магнітоелектричні ШД). Основна їх гідність – можливість фіксації або запам’ятовування кінцевого положення ротора при повністю знеструмлених обмотках. Одна з можливих конструкцій ШД з активним ротором показана на рис. 8.61. Статор має 8 полюсних виступів з розташованими на них зосередженими обмотками a, b, c, d, e, f, g, h. Четирехполюсний ротор з вмонтованими постійними магнітами виконаний у вигляді зірочки.
Двигун працює таким чином. Нехай у вихідному стані електронним комутатором підключені до джерела постійної напруги фазні обмотки a, c, e, g, в результаті чого на статорі утворюється система чергуються північних і південних полюсів. При цьому у разі відсутності навантаження на валу ротор займає положення, при якому його полюса орієнтовані згідно з порушеними полюсами статора, як показано на рис. 8.61, а. Це положення ротора стійко, оскільки при його відхилення у будь-яку сторону в результаті взаємодії протилежних полюсів статора і ротора виникає синхронізуючий момент, який прагне повернути ротор в попереднє положення.

Однак, як тільки електронним комутатором фазні обмотки a, c, e, g будуть відключені від джерела живлення і підключаться обмотки b, d, f, h в полярності, при якій система полюсів статора зміститься за годинниковою стрілкою на 450, положення стійкої рівноваги ротора також зміститься на цей же кут. До ротору ШД буде прикладено синхронізуючий момент, який прагне повернути його в новий стійкий стан. Під впливом цього моменту ротор зміститься на один крок і займе положення, як показано на рис. 8.61, б. Відповідно, при подальшому зміщенні положення стійкої рівноваги ротора в результаті відключення обмоток b, d, f, h і включення обмоток a, c, e, g в необхідної полярності знову відбудеться зміщення положення стійкого положення ротора і він зміститься ще на один крок (рис. 8.61, в) і т. д. Тимчасові діаграми зміни напруги на обмотках Ua, c, e, g і Ub, d, f, h показані на рис. 8.62.

Звернемо увагу на те, що оскільки для вчинення кожного кроку ШД змінюється електричний стан половини його обмоток, то він є двофазним двигуном (m = 2) з числом пар полюсів на фазу p = 8. При цьому як видно, при розглянутому найпростішому способі комутації, званому одиночній комутацією, перша фаза (обмотки a, c, e, g) і друга фаза (обмотки b, d, f, h) ШД підключаються до джерела живлення по черзі і механічний крок переміщення ротора становить 45 °. Для здійснення ротором повного обороту необхідно провести 8 перемикань – тактів комутації. У загальному випадку при довільному числі фаз m механічний крок ШД при одиночній комутації визначається з виразу:

При використанні більш складного змішаного алгоритму перемикання обмоток можна домогтися зменшення кроку переміщення ротора. Зокрема, в показаному на рис. 8.61 двигуні можна чергувати одиночне і парне включення фаз, що дозволяє збільшити число стійких станів ротора в межах одного обороту і, відповідно, зменшити крок ротора в два рази.
Якщо при початковому положенні ротора, показаному на рис. 8.61, а при першій комутації включити другу фазу без відключення першої, то стійке положення ротора зміщується щодо початкового стану не на 45 °, а на 22,5 °. Потім при другій комутації перша фаза відключається, а друга залишається включеною і положення стійкого положення ротора знову зміщується на 22,5 °. Надалі при збереженні стану другої фази включається перша фаза в протилежної полярності і т. д. Тимчасова діаграма зміни напружень на фазах ШД для цього способу комутації показана на рис. 8.63.

Реактивні ШД зазвичай мають явновираженние зубчасті полюса на статорі і зубчастий ротор, причому обмотки збудження розташовуються тільки на статорі. При збігу осей зубців яких або полюсів статора і ротора, осі зубців найближчого полюса статора і ротора зрушені на деякий кут (рис. 8.64). Обертання ротора відбувається при почерговому порушенні полюсів статора. Зубчастий ротор щоразу прагне зайняти положення, при якому осі зубців порушеної полюса статора і ротора збігаються, що відповідає мінімальному магнітному опору повітряного проміжку між ними. Як приклад на рис. 8.64, а показано взаємне положення взаємодіючих зубців статора і ротора при підключенні до джерела обмотки a, а рис. 8.64, б, обмотки b, відповідно. При великому числі зубців ротора Zр його кут повороту значно менше кута повороту поля статора, що забезпечує електромагнітну редукцію кута повороту ротора. Тому такі ШД іноді називають редукторного.
Додаткове зменшення кроку переміщення ШД досягають за рахунок так званого електронного дроблення кроку. Суть його полягає в тому, що напруги на комутованих фазах (відключається і включається) змінюють не відразу, а поетапно. Наприклад, для двох суміжних фаз ШД а й в, умовно показаних на рис. 8.65, а можна створити по два проміжних рівня напружень Uа1, Uа2 і Uв1, Uв2, відповідно.

Це призведе до відповідної зміни МДС фаз Fа1, Fа2 і Fв1, Fв2 і до появи двох проміжних положень вектора результуючої МДС F?1 і F?2 (див. Векторну діаграму на рис. 8.65, а). Оскільки кут повороту вектора результуючої МДС F? з кожним перемиканням фаз ШД стає менше, ніж при звичайному управлінні, це тягне відповідне зменшення кроку переміщення ротора ШД. Збільшуючи число проміжних рівнів напруг на фазах можна домогтися значного зменшення дрібного кроку? Д по відношенню до цілого кроці? ш при звичайному управлінні. Реально, для забезпечення рівномірності і плавності переміщення ротора ШД форму його фазних струмів наближають до синусоїдальної. Зразковий вид фазних струмів iф, а й iф, в двухфазного ШД при дробленні його цілого кроку? Ш на три дрібних кроку? д показаний на рис. 8.65, б.

Типовими режимами роботи ШД є режим безперервного обертання і режим одиничних кроків. У режимі безперервного обертання у розглянутих ШД, як і у звичайних синхронних машин, середня швидкість обертання ротора не залежить від навантаження. Вона визначається частотою комутації фазних обмоток. Відповідно, кут повороту ротора визначається кількістю перемикань фаз. Тому однією з найважливіших характеристик ШД є частота приемистости – максимальна частота комутації фаз, при якій можливий пуск двигуна зі стану спокою без втрати кроків. Вона обмежується електромагнітної і механічної інерційністю ШД.
У режимі одиничних кроків кут повороту ротора також складається з послідовності кроків ротора, але команда на наступний крок подається тільки після повного відпрацювання попереднього кроку при нульовій швидкості ротора. В результаті, характер зміни в часі результуючого кута повороту ротора? приблизно має вигляд, як показано, на рис. 8.66. Такий режим роботи ШД отримав назву Стартостопні. Один їх характерних прикладів використання цього режиму – привід обертання стрілок кварцових годин.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 5.00 out of 5)

Синхронні крокові двигуни