Двухфазные шаговые двигатели с печатными волновыми обмотками управления

Стремление к уменьшению собственных индуктивностей обмоток управления и момента инерции ротора привело к созданию конструкций шаговых двигателей с печатными волновыми обмотками управления на роторе (дисковый ротор) [Л. 54—56].

Толчком к разработке этих двухфазных шаговых двигателей послужило изобретение французскими инженерами Бодо и Раймондом в 1953 г. электрических машин постоянного тока торцового типа с печатными обмотками управления на плоских немагнитных роторах (дисковый ротор). Двигатели постоянного тока «Сервалько» [Л. 57], разработанные во Франции, это двигатели на постоянных магнитах возбуждения на статоре, создающими плоскопараллельное аксиальное поле в воздушном зазоре. На обеих торцовых поверхностях диска дискового ротора методом печатных схем нанесена волновая обмотка. Двигатель на постоянных магнитах не имеет коллектора, и серебряно-графитные щетки контактируют непосредственно с проводниками печатной волновой обмотки управления. Поскольку проводники печатной волновой обмотки управления лишены изоляции и имеют большую поверхность теплоотдачи, плотность тока в волновой обмотке может быть доведена до 40—60 а/мм2 при длительном режиме работы, а в кратковременном режиме — до 100 а/.н2. Это обстоятельство позволяет строить машины с весьма малым моментом инерции, что является чрезвычайно ценным, особенно для шаговых двигателей на постоянных магнитах .

В связи с тем, что воздушный зазор этих машин с учетом толщины немагнитного ротора составляет 2—3 мм, а число витков печатных волновых обмоток управления мало, индуктивности печатных волновых обмоток управления ничтожны и измеряются в микрогенри.

При необходимости обеспечить демпфирование колебания дискового ротора несущий диск, на котором печатаются волновые обмотки, выполняется из алюминия.

Сопротивление печатных волновых обмоток мало и практически является , чисто активным, поэтому полупроводниковые схемы управления двнгателями с печатными волновыми обмотками могут быть легко построены и хорошо работают а ключевом режиме.

Наконец, простота конструкции шагового двигателя и отсутствие ручных операции в технологическом процессе изготовления создают основу для дешевого массового производства этих машин.

Первые конструкции шаговых двигателей с печатными волновыми обмотками на дисковом роторе бы. ли предложены в СССР [Л. 54, 55].

Двигатель на постоянных магнитах с тремя обмотками управления на дисковом роторе [Л. 54] из-за технологической сложности выполнения трехслойного дискового ротора не получил развития.

Двигатель на постоянных магнитах с двумя обмотками управления, напечатанными на двух сторонах однослойного дискового ротора [Л. 55], были изготовлены в МЭИ и ЭНИМС.

Такой двигатель на постоянных магнитах имеет статор с многополюсной пли униполярной системой возбуждения и дисковый ротор, на обеих торцовых поверхностях которого расположены однозаходные или многозаходные волновые обмотки управления ОУ1 и ОУ2, сдвинутые одна относительно другой та половину полюсного деления, т. е. на 90 град. эл. При отключении обмотки управления ОУ1 и включении обмотки управления ОУ2 ротор смещается на шаг, равный половине полюсного деления, по или против часовой стрелки в зависимости от полярности включения обмотки управления ОУ2. Очередность коммутации обмоток управления соответствует табл. 8 и графику на рис. 22,6. Отметим, что возможны и другие схемы коммутации, когда обмотки управления работают с перекрытием во времени. При этом величина шага может быть уменьшена вдвое.

На рис. 26 изображена двухзаходная волновая обмотка конструкции шагового двигателя ЭНИМС, напечатанная на одной стороне плоского дискового ротора шагового двигателя. Число полюсов волновой обмотки равно половине числа печатных проводников, а число фиксированных положений дискового ротора на один оборот - числу проводников. Естественно, что пр таком большом числе полюсов система возбуждения статора может быть выполнена только униполярной. На рис. 20 показана конструкция шагового двигателя, изготовленного в ЭНИМС, в разобранном виде. На рисунке видны две симметричные половины униполярного статора и дисковый ротор с двухзаходной печатной волновой обмоткой. Система возбуждения двухфазного шагового двигателя по рис. 27 выполнена многополюсной (36 полюсов), а контактные кольца вынесены на вал. В конструкции шагового двигателя ЭНИМС контактные кольца напечатаны заодно с волновой обмоткой непосредственно на диске ротора.

Рис. 26. Двухфазный шаговый двигатель с печатной волновой обмоткой дискового ротора конструкции шагового двигателя ЭНИМС в разобранном виде.

В МЭИ совместно с ЭНИМС были проведены работы по определению методов расчета двухфазного шагового двигателя с печатными волновыми обмотками управления на дисковом роторе и по изучению их характеристик.

Рис. 27. Двухфазный шаговый двигатель с печатной волновой обмоткой управления дискового ротора конструкции шагового двигателя МЭИ.

Теоретический анализ, подтвержденный последующими экспериментами, показал, что сопротивление печатной волновой обмотки управления, мощность потерь, рассеиваемая ротором, и синхронизирующий статический момент зависят от соотношения наружного и внутреннего диаметров кольца на диске ротора, в которое вписана печатная волновая обмотка управления. В зависимости от условий теплоотдачи оптимальное отношение наружного диаметра кольца De к внутреннему D,- для многополюсных печатных волновых обмоток управления колеблется в пределах

Активное сопротивление печатной волновой обмотки управления не зависит от абсолютных размеров ротора, а также определяется только отношением наружного и внутреннего диаметров ротора

Мощность потерь, в меди обмотки определяется выражением

Нетрудно показать, что, если рассчитан некоторый двухфазный шаговый двигатель с печатными волновыми обмотками управления на дисковом роторе, то по соотношениям подобия можно легко получить все величины для аналогичного двухфазного шагового двигателя с другим диаметром ротора, толщиной печатной волновой обмотки управления, числом витков, и т. д.

Если плотность тока в печатной волновой обмотке управления неизменна, и индукция; в воздушном зазоре поддерживается постоянной, то соотношение подобия для двухфазного шагового двигателя, у которых диаметр дискового ротора, число витков печатной волновой обмотки управления и толщина медного слоя волновой обмотки управления изменены в произвольное число раз De = kiDc0; n = k2n0- h = kjia, где Dc0, n0, Ii0 — исходные величины первоначально рассчитанного двухфазного шагового двигателя, запишутся в виде:

Торцовая конструкция шагового двигателя с печатными волновыми обмотками управления на дисковом роторе не является единственно возможной. Более того, с точки зрения динамических свойств двухфазного шагового двигателя она наименее выгодна, так как момент инерции ротора возрастает пропорционально пятой степени диаметра дискового ротора. Это связано с тем, что для обеспечения механнческой прочности толщину несущего диска необходимо увеличивать вместе с диаметром. Кроме того, воздушный зазор торцовых машин всегда приходится делать большим, чем у цилиндрических машин. из-за неизбежных технологических перекосов диска ротора. Это npиводит к тому, что. система возбуждения двухфазного шагового двигателя дополнительно утяжеляется для обеспечения заданном магнитном индукции в воздушном зазоре.