Шаговые двигатели и электромагнитные муфты

Шаговые двигатели. Шаговые двигатели (ШД) бывают с кинематической связью между ротором и статором (храповые устройства), они имеют невысокое быстродействие и малый срок службы и поэтому применяются редко.
ШД с электромагнитной связью между ротором и статором — синхронные электродвигатели. Эти ШД относятся к системам частотного регулирования синхронного электродвигателя с широким диапазоном изменения скорости. В ШД обмотки возбуждаются, питаются прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся частотой, что обеспечивает дискретное вращение электромагнитного поля и вращение ротора в виде дискретной последовательности элементарных угловых перемещений.
ШД с электронным коммутатором осуществляет преобразование унитарного кода управления в угол поворота вала, каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фиксированный угол. Скорость вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны соответственно частоте и числу импульсов управления.
Таким образом, дискретный привод с ШД является синхронным следящим приводом, сочетающим в себе возможности глубокого частотного регулирования скорости вращения до нуля и числового заданного перемещения.
ШД используются в электроприводе с дискретным перемещением рабочих органов — узлов роботов, затворов, устройств надвигания станков, а также в электроприводе, где управляющий сигнал задается в виде последовательности кодовых импульсов в системах числового программного управления оборудованием.
Требуемое быстродействие, точность, устойчивость в заданном диапазоне частот и величина шага обеспечиваются выбором типа шагового привода, который выпускается с широким диапазоном параметров.
Схема управления ШД состоит из электронного коммутатора, который имеет m выходных усилителей, равных числу фаз, и силовых усилителей (рис. 4.6). Схемы электронных коммутаторов определяются числом управляющих обмоток ШД и обычно используют реверсивный счетчик. Электронный коммутатор имеет два выхода для обеспечения реверса ШД. Сигналы на вход коммутатора поступают от программирующего устройства, в частности от микропроцессорной системы управления.

Электромагнитные муфты. Применение электромагнитных муфт (ЭММ) дает возможность разделить пуск электродвигателей M и рабочих механизмов PM, устранить удары как в электродвигателях, так и в механических передачах, обеспечить плавность разгона и снять перегрузки (рис. 4.7). Несмотря на значительно более низкий КПД по сравнению с электродвигателями, оснащенными тиристорными преобразователями, область применения электромагнитных муфт весьма широка: от прецизионных приборных следящих систем до мощных регулируемых приводов. Индуктор электромагнитной муфты И вращается с постоянной скоростью асинхронным электродвигателем. Обмотка возбуждения индуктора питается постоянным током и при ее вращении в массивном якоре Я возникает ток. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем вращающегося индуктора создает вращающий момент на выходном валу привода рабочего механизма PM. В рассматриваемой схеме электромагнитной муфты скольжения скорость и момент вала якоря и рабочей машины легко и в широких пределах регулируются изменением возбуждения Iв. На рис. 4.7 показано питание индуктора от сети переменного тока через трансформатор Tp и выпрямитель В. Ток возбуждения изменяется резистором R.

Динамика электромагнитной муфты скольжения, связывающая угловую скорость вращения выходного вала ω с током возбуждения индуктора Iв, характеризуется дифференциальным уравнением в операторной форме

где Tм — электромеханическая постоянная времени; Tэ — электрическая постоянная времени; ω — угловая скорость вращения вала; k — коэффициент усиления, определяемый статической характеристикой муфты; Iв — ток возбуждения индуктора.
Индукционные муфты скольжения используются в приводах подачи лесопильных рам и круглопильных станков.
Наряду с электромагнитными муфтами скольжения применяются также электромагнитные муфты сухого трения, в которых передача мощности с одного вала на другой осуществляется через диски трения. Диски имеют возможность перемещаться по шлицам оси, вала. При включении электромагнитного устройства ведущие и ведомые диски сжимаются и между ними возникают силы трения.
В муфтах вязкого трения (ферропорошковые муфты) имеется постоянный зазор между ведущей и ведомой полумуфтами, который заполнен мелкими опилками железа с графитом. При подаче напряжения постоянного тока в обмотку муфты создается магнитное поле, которое в зазоре между полумуфтами создает из железных опилок цепочки, мостики, т.е. заполнитель как бы соединяет ведущую и ведомую полумуфту и создает момент вращения ведомой полумуфты с рабочим механизмом. Изменяя силу тока обмотки, можно регулировать скорость и момент вращения.
Характеристики электромагнитных муфт, определяющие зависимость передаваемого момента от тока управления в относительных величинах, показаны на рис. 4.8.

Выбор приводного двигателя ЭММ имеет особенности. Номинальная скорость приводного двигателя для фрикционных и ферропорошковых муфт должна выбираться с таким расчетом, чтобы частота вращения ведомых частей с учетом передаточного отношения редуктора Iв между двигателем и ЭММ не превышала 1800...2000 мин-1. Для индукционных муфт скольжения номинальная частота вращения приводного электродвигателя выбирается по возможности большей, так как это позволяет уменьшить габаритные размеры, массу ЭММ, а также улучшить ее динамические характеристики.
Выбирается тип электродвигателя на основании принятых максимальной скорости nдвmах и жесткости механической характеристики hдв-1.
Максимальная мощность приводного электродвигателя без учета тепловых и вентиляционных потерь определяется выражением

где iр — передаточное число редуктора; Мmax — максимальный момент, передаваемый муфтой; nн.дв — номинальная частота вращения электродвигателя.
Для случая линейной экстраполяции механической характеристики трехфазного асинхронного электродвигателя

и, следовательно,

На основании формулы (4.23) можно также заключить, что вращающий момент электродвигателя Мдв (Мдв = hдв nдв max, где hдв — коэффициент наклона механической характеристики электродвигателя) должен значительно превосходить величину ipMmax. Формулу (4.24) удобно применять для фракционных и ферропорошковых муфт, когда Mmax не зависит или слабо зависит от nн.дв.
Для индукционных муфт скольжения:

где Cи — коэффициент, учитывающий диаметр индуктора; Bmax — максимальная магнитная индукция в рабочем воздушном зазоре. Коэффициент, учитывающий диаметр индуктора, находится следующим образом:

где D — средний диаметр индуктора.
Таким образом, по заданным мощности и моменту вращения рабочего механизма можно вычислить необходимую мощность электродвигателя и максимальный момент, передаваемый ЭММ.
Качество исполнительных механизмов ЭММ определяется следующими показателями: максимальное ускорение

где I — момент инерции ведомых частей муфт;
максимальная скорость нарастания (крутизна) мощности на выходе

коэффициент усиления по мощности

где Nmax — максимальная мощность, передаваемая ЭММ; Ny — мощность управления;
КПД

где Nдв.с — мощность, потребляемая из сети;
электромеханическая постоянная