15. Принцип действия и конструкция шагового двигателя активного типа.

ШД относится к классу синхронных машин. Любая синхронная машина может быть использована для построения дискретного привода.

Однако с учётом специфики управления серийно выпускаются специальные ШД, отличающиеся конструкцией и способом возбуждения.

ШД работают в комплекте с электронным коммутатором, переключающим обмотки управления с последовательностью и частотой, определяемой преобразователем.

ШД имеют различное число пар полюсов ротора (4,8 и более, до 60). Чем больше пар полюсов, тем меньше шаг двигателя. Катушки диаметрально противоположных полюсов статора, соединённые между собой последовательно или параллельно образуют фазу ШД.

ШД могут иметь различное число обмоток управления( обычно 2-4). Напряжение питания обмотки управления (ОУ) представляет собой последовательность однополярных или разнополярных импульсов, поступающих от коммутатора.

В настоящее время применяются в основном 3 типа ШД; отличающихся конструкцией ротора: ШД активного типа, ШД реактивный и индукторный ШД.

ШД активного типа и его конструкция.

Рис.2. Схема конструкции ШД активного типа

с постоянным магнитом на роторе.

Схема одной из конструкций ШД активного типа (рис.2) имеет на статоре явно выраженные полюсы, на которых расположены 2-е катушки управления и три пары полюсов на роторе. Катушки, расположенные на нечётных полюсах 1,3...11, соединены последовательно, образуя одну обмотку управления. Вторая обмотка - это катушки 2,4...12. Ротор у ШД активного типа - это постоянный магнит с явными полюсами.

Принцип действия ШД рассмотрим на примере двухфазного двигателя (см. рис.3), где 3а- схема включения обмоток управления 1 и 2 к коммутатору К.

Рис.4. Напряжение на обмотках управления

и положение ротора.

На рис. 4а приведена временная диаграмма силовых импульсов напряжения на ОУ при восьмитактной разнополярной и несимметричной системе коммутации.

Несимметричной называется система коммутации, если нечетным и четным тактам соответствует возбуждение различного числа ОУ (в данном случае 1 или 2).

Симметричной называют систему коммутации, если на всех тактах возбуждается одинаковое число ОУ.

Переход от одного такта к другому соответствует поступлению на коммутатор очередного импульсного сигнала управления. Во время такта 1 положительный импульс возбуждает ОУ1. Магнитный поток статора направлен по оси этой обмотки. Ротор (магнит) притягивается к полюсам обмотки 1 и занимает положение вдоль оси. При переходе к такту 2 дополнительно возбуждаются полюсы ОУ2. Результирующий поток статора Фс , создаваемый двумя обмотками, скачком поворачивается на 45о. Возникает синхронизирующий момент синхронного двигателя и ротор поворачивается на тот же угол. При переходе к третьему такту остаётся возбуждённой ОУ2. Поток статора и ротор поворачивается на один шаг, равный 45о. Положение потока статора и ротора показано на рис.3в. Положение потока статора и ротора на всех восьми тактах видно на рис.4б. При данном способе коммутации величина потока Фс на нечетных и четных тактах различна. Это связано с тем, что Фс создаётся одной или двумя ОУ. В результате этого изменяется и синхронизирующий момент от такта к такту. Это является недостатком несимметричной системы коммутации.

Для симметричной разнополярной схемы коммутации диаграмма управляющих импульсов и результирующего магнитного потока статора и положение ротора показана на рис.5а.

Рис.5. Временные диаграммы импульсов и пространственные диаграммы положения потока статора при симметричных системах коммутации:

а) разнополярной б) однополярной.

Как видно из рис.5а при симметричной коммутации шаг ротора увеличивается вдвое, но результирующий поток статора на всех тактах одинаков. Из ШД с активным ротором практическое применение получили двухфазные двигатели, у которых каждая фаза разделяется на две управляемые однополярными импульсами тока, т.е. практически четырёхфазные двигатели.

Сравнение диаграмм рис.5а и б показывает, что применение разнополярной коммутации может влиять на шаг равносильно удвоению ОУ при однополярной коммутации.

В современных ШД применяются и более сложные виды коммутации.

Количество состояний коммутатора, обеспечивающих новое угловое положение результирующего магнитного потока Фс в пределах 360, называется числом тактов KТ схемы управления и определяется по формуле

(1)

где k1 - коэффициент, равный 1 при симметричной и 2 при несимметричной коммутации; mу - число обмоток управления; k2 - коэффициент, равный 1 при однополярной и 2 при разнополярной коммутации.

Нужно помнить, что в ШД, имеющих сдвинутые на 180 ОУ, применение разнополярной коммутации не имеет смысла.

Угловое перемещение ( шаг ) ШД в общем случае определяется зависимостью

или (2)

где Р - число пар полюсов ротора.

При четырёхтактной коммутации шаг восьмиполюсного двигателя   22.5. Частота вращения ротора двигателя зависит от частоты подачи импульсов

(3)

Диапазон изменения частоты для четырёхтактного двигателя составляет 0500 Гц.

Максимальной частоте соответствует частота вращения 20003000 об/мин.

Чем меньше шаг ШД, тем точнее отрабатывается угол. Увеличение числа пар полюсов ротора при его неизменном диаметре ограничен технологическими возможностями (Р= 46). Увеличение числа обмоток связано с усложнением коммутатора (ту =24).Поэтому  активных ШД составляет десятки градусов.

Дальнейшее уменьшение шага выполняется с помощью редуктора.