Трехстаторная конструкция шагового двигателя

Рассмотрение целесообразно начать с простейшей конструкции шагового двигателя (реверсивного) с поворотным зубчатым якорем и тремя катушками электромагнита [Л. 65]. Сердечники катушек электромагнитов расположены таким образом, что когда одна катушка электромагнита из них соосен с зубцом якоря, то две других катушки электромагнита сдвинуты последовательно та 1/3 зубцового деления. При поочередном возбуждении катушек электромагнитов якорь отрабатывает шаговые перемещения, равные 1/3 зубцового деления. Направление вращения зависит от очередности коммутации обмоток катушек электромагнитов, Магнитопровод выполняется нешихтованным. Система имеет большое магнитное рассеяние и чрезвычайно неэффективна, так как в создании синхронизирующего момента участвует только один зубец якоря. Быстродействие такой конструкции шагового двигателя измеряется лишь десятками шагов в секунду. Система является устаревшей, но на ее примере наиболее наглядно можно проследить принцип получения реверсивных конструкций шагового двигателя.

Значительным шагом вперед по сравнению с описанной конструкцией шагового двигателя явились трехстаторные шаговые двигатели, магнитная система которых состоит из трех статоров и трех роторов, укрепленных на одном валу. Пакеты статоров либо роторов развернуты одна относительно другой на 1/3 полюсного деления, так что одновременно соосны полюсы одного статора и ротора, а полюсы двух других статоров и роторов смещены на 1/3 полюсного деления соответственно по и против часовой стрелки.

Одни из первых конструкций шагового двигателя описаны в [Л. 66 и 67]. Трехстаторная конструкция шагового двигателя по французскому патенту имеет радиально шихтованную магнитную систему. Цилиндрические обмотки управления статоров создают одноименнополюсное возбуждение зубцов статора и ротора.

В аналогичной конструкции шагового двигателя по патенту ФРГ полюсы ротора выполнены в виде магнитных зубцов-вставок, залитых в алюминий. Недостатком обеих конструкций шагового двигателя является сложность шихтовки пакетов в радиальном направлении. Магнитопроводы могут прессоваться из порошковых магнитных материалов, однако магнитная проницаемость их значительно ниже, чем у электротехнической стали. Кроме того, размещение и крепление цилиндрических обмоток управления на статорах связаны с технологическими трудностями.

С целыо упрощении технологии укладки обмоток управления и ЭНИМС была разработана в 1956 г. модификация описанных конструкции шаговых двигателей [Л. 8]. Конструкция шагового двигателя ЭНИМС ШДЭ-0.1 в разобранном виде показана на рис. 31а, обмотки управления перенесет на внутренний статор, а ротор выполнен полым, наружным, т. е. маховичного типа. Эта конструкция шагового двигателя вместе с гидроусилителем работала в приводе станка с программным управлением и была первой конструкцией шагового двигателя с управлением от схемы на полупроводниковых триодах, получившим промышленное применение в СССР. Двигатели ШДЭ-0.1 были выпущены мелкой серией в модификациях, которые в зависимости от схемы управления (трехтактной или шеститактной) обеспечивали шаг 1,5/0,75°;• 3/1,5° и 6/30. Максимальный синхронизирующий статический момент ШДЭ-0.1 (1,5/0,75°) равен 30 кГ • см, пусковой момент при отработке единичных импульсов 17,5 кГ*См. Приемистость такой конструкции шагового двигателя с нагрузкой на валу 6 кГ*см 90

Рис. 31а. Трехстаторная конструкция шагового двигателя с полым внешним ротором конструкции ЭНИМС (типа 111713-0.1)

На рис. 31б показана конструкция шагового двигателя (трехстаторного), разработанного совместно МЭИ и ВНИИМЕТМАШ [Л. 121].

Рис. 31б. Трехстаторная конструкция шагового двигателя с полым внутренним ротором конструкции МЭИ ВНИИМЕТМАШ

Конструкция шагового двигателя При наличии форсирующих сопротивлений и обмоток управления Rв/Rобм==5,5 составляет 200 имп/сек.

Основным недостатком этой конструкции шагового двигателя является большой момент инерции наружного ротора, и связи с чем его динамические свойства невысокие. Подробное исследование поведения ШДЭ-0.1 в динамике проведено ИМАШ АН СССР под руководством доктора техн. паук А. В. Кобрпиского [Л. 18].

Основное уравнение движения шагового двигателя было приведено к виду:

Периодические решения этого основного уравнения движения искались на основании очевидного утверждения, что на интервале между двумя очередными переключениями обмоток управления ротор независимо от закона движения в конечном счете должен переместиться на один шаг, и начальные скорости ротора при подаче каждого очередного импульса одинаковы.

Общее решение основного уравнения движения, полученное методом осреднений, позволило объяснить резонансные явления, возникающие при работе шагового двигателя, указать частоты, на которых имеют место сбои при заданной нагрузке на валу двигателя, построить характеристику неравномерности угловой скорости ротора в функции частоты следования управляющих импульсов и получить ряд других важных сведений о работе шагового двигателя. Метод исследования, разработанный в ИМАШ АН СССР применительно к трехстаторному двигателю, может быть распространен на другие системы шаговых двигателей и дать полное представление о качестве работы шагового привода, исходя из основного уравнения движения.