Синхронный шаговый привод с внешним ротором

Во многих областях техники (электрохимические анализы, гальваника, кулонометрия, анализы свертываемости крови и другие) по технологическим соображениям необходимо перемешивание жидких сред.

Для этих применений наиболее эффективен привод на основе электродвигателя с внешним ротором, т.к. ротор помещается непосредственно в перемешиваемую среду, а механическая связь между ротором и статором отсутствует. Статор электродвигателя размещается вне перемешиваемой среды и содержит магнитные полюса, которые посредством магнитного поля приводят в движение внешний ротор, изготовленный из ферромагнитного материала.

Патентное исследование показало, что в известных двигателях с внешним ротором аналогичного функционального назначения реализован принцип асинхронного двигателя, чем и обусловлены недостатки такого привода, главные из которых:

• -    нестационарность движения перемешивающего элемента (переменное скольжение) вследствие принципиальной зависимости скорости вращения от нагрузки (от переменной вязкости среды).

• -    паразитный и зависящий от вязкости среды нагрев перемешивающего элемента вихревыми токами, протекающими по нему, что делает необходимым введение в установку термостабилизирующих устройств.

с симметричным двуполярным потенциальным управлением; режим работы – полношаговый [1].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В разработанной конструкции шаговый двигатель состоит из неподвижного статора с магнитными полюсами, блока управления и ферромагнитного ротора, причём в качестве ротора шагового двигателя использован цилиндрический магнит с высокой коэрцитивной силой из материала с высоким удельным сопротивлением. На рис. 1 показано использование шагового двигателя с внешним ротором для перемешивания жидкой среды. Статор с магнитными полюсами и блоком управления создаёт магнитное поле для вращения ротора, который вращается синхронно с магнитным полем

Рис. 1. Перемешивание жидкой среды синхронным шаговым двигателем с внешним ротором:

1 - сосуд из немагнитного материала; 2 - внешний ротор – постоянный магнит с высокой коэрцитивной силой; 3 - перемешиваемая жидкая среда; 4 - немагнитный корпус толщиной b, к которому крепится статор; 5 - пара активных магнитных полюсов статора (подключённых к источнику напряжения в текущий момент времени); 6 - магнитопровод из магнитомягкой стали; 7 - пара магнитных полюсов статора, обесточенных в текущий момент времени; Ф - магнитный поток полюсов статора; h – расстояние между ротором и полюсами статора.

Рис. 2. Распределение импульсов по фазам двигателя в течение каждого шага:

А, В, С, D – выводы катушек фаз

статора. Число пар полюсов р экспериментально выбрано равным 2. Ротор расположен снаружи по отношению к магнитным полюсам (рис. 1) и на некотором расстоянии h от торцевой поверхности полюсов статора, а магнитные полюса статора расположены в точках окружности, плоскость которой горизонтальна. Магнитные полюса шагового двигателя – это 2 пары цилиндрических электромагнитов, включённых попарно – последовательно – согласно и подключённых к выходам транзисторного коммутатора блока управления.

На рис. 2 показана последовательность работы фаз двигателя с внешним ротором в полношаговом режиме. Импульсы напряжения с постоянной скважностью поочерёдно поступают с коммутатора на катушки статора, соединённые последовательно – согласно так, что в каждый момент времени включена только одна фаза (одна пара катушек) и указанному положению ротора соответствует максимальный момент, развиваемый двигателем.

Структура управляющего импульса приведена на рис. 3, взаимное расположение ротора и полюсов статора – на рис. 4. Сопоставляя рис. 2 и рис. 3, видим, что каждое положение ротора, указанное на рис.2, соответствует удержанию ротора полюсами после окончания шага (отрезок времени t3).

Время t1 (рис. 3) нарастания импульса тока в каждой паре полюсных катушек до установившегося значения постоянно и равно:

1, = 3 т — 6 -^°-

¹                R о

,

где т -постоянная времени нарастания тока в катушке,

L0 – индуктивность полюсной катушки,

R0 – активное сопротивление катушки.

Рассматривая режим холостого хода примем, что ротор Р (рис. 4) начинает движение по окончании времени t1 нарастания импульса тока I в фазе до установившегося значения (рис. 3). Путь длиной в один шаг, который ротор проходит за время t2 = const (рис.3), измеряется длиной дуги nD

L

T рабочем диапазоне частот, когда (t1 + 12) < скорость V движения ротора по дуге L:

V — - — ( nD /4)/ 1 ₂,

¹ ₂

не зависит от частоты импульсов генератора. Она неравномерна по длине шага; эта неравномерность особенно видна при частотах вращения до 100 об/мин. При более высоких скоростях из-за инерции ротора неравномерность движения ротора по длине шага практически незаметна.

Отрезок времени t3, в течение которого ротор, замкнув магнитную цепь полюсов, удерживается ими и стоит на месте - величина переменная и зависит от частоты f — 1 / T управляющих импульсов. С повышением частоты t3 стремится к нулю; значение t3 = 0 – это условие достижения предельной скорости вращения (и частоты управляющих импульсов), при которой ротор ещё развивает максимальный момент, т.к. воздействие полюсов на ротор продолжается в течение всего времени шага.

При t3 = 0 можно считать     T /2 — 11 +12, откуда

T /2 — 6 L 0 / R0 +12, или

2 R_o fмакс —------------;

6 L ₀ + R ₀ 1 ₂

При 11 < T /2 ток в фазе хоть и успевает достичь установившегося значения, но воздействие полюсов на ротор измеряется временем T /2 —11 и заканчивается раньше, чем ротор повернётся на 90 градусов и замкнёт магнитную цепь, поэтому момент не достигает максимума, т.к. для этого требуется время t2 (рис. 5). Остальную часть шага до 90 градусов ротор пройдёт за счёт силы инерции и ослабленной силы притяжения следующей пары полюсов, поэтому механический момент ротора при частоте импульсов выше максимальной уменьшается. При 11 > T /2 (штриховые линии на рис.

Рис. 3. Структура управляющего импульса: Т-период; t1– время нарастания импульса тока; t2 – время движения ротора(выполнения шага); t3 – время последующего удержания ротора полюсами

Рис. 4. Взаимное расположение ротора и полюсов статора:

Р – ротор; N,S – северный и южный полюсы; D – диаметр статора; L – длина шага

5) ток в фазе не успевает достичь установившегося значения, поэтому магнитная связь между ротором и статором становится недостаточной (момент трогания меньше момента холостого хода) и шаговый двигатель теряет работоспособность (ротор выходит из синхронизма). Экспериментально установлено, что для ненагруженного двигателя это происходит при t 1 >  0,3 T .

Момент, создаваемый шаговым двигателем, зависит от скорости и тока в обмотках [2]. На рис. 6 для двигателя с внешним ротором показана зависимость намагничивающей силы и момента от угла поворота ротора; она синусоидальна.

В рабочем режиме момент нагрузки определяется вязкостью перемешиваемой среды. Если к ротору приложен момент нагрузки, меньший момента удержания, то угловое положение ротора изменится на некоторый угол б:

N Mн а =---х Sin ---

2 п      Му ’

где а - угловое смещение ротора,

N – количество шагов ротора на оборот,

Мн – внешний момент нагрузки,

Му – момент удержания.

Угловое смещение ротора б является ошибкой позиционирования ротора нагруженного двигателя. Эта ошибка растёт с ростом вязкости перемешиваемой среды и не влияет на устойчивость процесса перемешивания до тех пор, пока момент нагрузки не превышает момент удержания двигателя Мн <  Му . (Тогда ротор выйдет из синхронизма с полем статора и положение ротора станет неконтролируемым). Однако с ростом вязкости увеличивается время t2 выполнения шага ротора (рис. 3), что снижает предельную частоту управляющих импульсов и скорость перемешивания.

Сила F взаимодействия ротора с полюсами статора в положении, показанном на рис. 1, определяется по формуле [1]:

F =

W ² х ^ х S _т