Линейный индукторный двигатель с постоянными магнитами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Целью данной работы является разработка, проектирование и моделирование линейного индукторного двигателя (ЛИД). Была поставлена задача построения модели ЛИД в программе MatLab - Simulink и расчета его динамических характеристик. Также задача разработки проектировочной методики, позволяющей определять требуемое ускорение, тяговое усилие и длину двигателя, при заданном перемещении, быстродействии и массе перемещаемой нагрузки. ЛИД может быть использован в линейном прецизионном электроприводе, металлообрабатывающем, сборочном и другом технологическом оборудовании.



Исходные данные

Величина воздушного зазора……………….. мм

Ширина зубца ……………………………...b_z=0.5 мм

Высота паза ………………………………...h_z=0.5 мм

Зубцовое деление………………………….. t_z=1 мм

Расчетные относительные единиц…………t_z*= t_z/ д

Расчет будем производить на единицу длины машины.



Введение

Современное технологическое оборудование требует надежного высокодинамичного и точного электропривода. Для оборудования, в котором рабочие органы осуществляют прямолинейное перемещение (сверлильно-фрезерные станки, лазерные установки, раскройные комплексы, графопостроители, высокоточные позиционеры и др.) наиболее оптимальным является электропривод на основе линейных двигателей. В значительной мере это обусловлено упрощением кинематики приводов путем исключения промежуточных устройств, преобразующих вращательное движение в поступательное. Замена в приводах подач электродвигателя вращательного движения, редуктора и ходового винта линейным электродвигателем повышает точность, надежность и долговечность приводов, создаются предпосылки для повышения их быстродействия.

В приводах разнообразного технологического оборудования находили успешное применение линейные индукторные двигатели (ЛИД). В зарубежных публикациях эти двигатели получили название магнитных устройств позиционирования, а в отечественно литературе известны как линейные шаговые двигатели.

Наиболее широко используются одномодульные и двухмодульные ЛИД с возбуждением от постоянных магнитов.

ЛИД могут находить применение в прецизионном оборудовании с малой и средней нагрузкой на подвижные элементы. К такому оборудованию относятся микропозиционеры, автоматические устройства для сборки печатных плат и т.п. Преимуществом ЛИД является малое зубцовое деление, позволяющее добиваться достаточной точности позиционирования без использования сложных обратных связей.

Благодаря простоте и надежности в работе применение ЛИД является перспективным и в других видах прецизионного технологического оборудования. Примером может быть прецизионное оборудование для проточки, фрезерования небольших деталей и т.д., а так же устройства, предназначенные для раскроя тонкого листового материала, изготовления фотошаблонов, лекал и т.п.

Успешное применение ЛИД в указанном технологическом оборудовании возможно путем применения современных приводов с замкнутой системой управления позиционированием и скоростью.

В конце двадцатого века делались попытки применения в подобном технологическом оборудовании ЛИД. Однако, использование ЛИД, в основном, в шаговых приводах отрицательно сказывалось на характеристиках оборудования. Во-первых, в шаговых устройствах позиционирования, разомкнутых по положению, добиться высокой точности позиционирования при значительных нагрузках не представляется возможным. Во-вторых, двигателям с шаговым управлением присущи предрасположенность к колебаниям и возможность выхода из синхронизма, приводящая к сбою в работе оборудования. В современных условиях ЛИД могут занять достойное место в приводах технологического оборудования.

Данная работа посвящена расчету и проектированию ЛИД для прецизионного привода, который может найти применение во многих областях техники.



1. Исторический обзор

Предшественниками ЛИД являются вращающиеся электрические машины с двойной зубчатостью (на статоре и роторе), называемые индукторными двигателями. Традиционно используемые в шаговых приводах, они получили название шаговых двигателей (ШД), хотя в качестве шаговых использовались и традиционные синхронные двигатели. В кратком историческом обзоре рассматриваются этапы развития, виды двигателей от самых первых до современных, конструкция и области применения индукторных двигателей.

1.1 История возникновения индукторных двигателей

Шаговый двигатель -- это электрический двигатель, преобразующий цифровой электрический входной сигнал в механическое движение. По сравнению с другими приборами, которые могут выполнять эти же или подобные функции, система управления, используемая в ШД, обладает следующими существенными преимуществами: во-первых, она может не иметь обратной связи, обычно необходимой для управления положением или частотой вращения в приводах других типов; во-вторых, не накапливается ошибка положения; в-третьих, ШД совместим с современными цифровыми устройствами. На рис. 2.1 представлено поперечное сечение ШД, в качестве которого используется однопакетный индукторный двигатель. Сердечник статора имеет шесть выступающих зубцов, ротор четыре. Сердечники как ротора, так и статора выполнены из магнитомягкой стали. Три набора катушек расположены на диаметральнопротивоположных зубцах статора, как показано на рисунке. Катушки в каждом наборе последовательно соединены и образуют фазу. Число фаз двигателя равно трём.



Рис. 2.1. Однопакетный индукторный двигатель: 1 - сердечник статора; 2-сердечник ротора.

В 1927 г. этот индукторный двигатель (ИД) был использован для дистанционного управления индикатором направления торпедных аппаратов и орудий на военных кораблях Великобритании. Как показано на рис. 2.2, вращаемый вручную коммутатор был использован дня переключения тока управления. Один полный оборот рукоятки обеспечивал шесть шагов, выполняющих поворот ротора на 90°. Движение ротора шагами по 15° было замедленным дня достижения требуемой точности положения ротора. При конструировании этого простого ИД необходимо было учесть много факторов и принять во внимание ряд предосторожностей дня того, чтобы добиться его удовлетворительного функционирования. Этот механизм требует высокого отношения электромагнитного момента к моменту инерции движущихся частей, чтобы не допустить пропуска шага, а электрическая постоянная времени -- отношение индуктивности цепи к ее сопротивлению -- должна быть мала для достижения высокой приемистости. С этими проблемами до сих пор сталкиваются при создании современных двигателей. ИД позже применяли на военных кораблях в США дня аналогичных целей.



Рис. 2.2. ИД, использованный в 1920-х годах на военных кораблях Великобритании: а - двигатель; б - вращающийся коммутатор; в -- внутренняя схема вращения коммутатора.

Рис. 2.3. Трехфазный ШД, изобретенный Уолкером: 1 -- обмотка статора; 2-- ротор.

Впрочем, существуют примеры и более раннего применения ИД .

Двигатели индукторного типа, применяемые в настоящее время как приборы управления позиционированием, были известны как "электрические моторы" с середины XIX века. Можно сослаться на два следующих заслуживающих внимания изобретения (1919 и 1920 гг., Великобритания).

В 1919 г. инженером Уолкером из Абердена (Шотландия) был получен патент Великобритании на изобретение конструкции ИД, вращающегося с малым шагом. На рис. 2.3, а, б представлены соответственно продольное и поперечное сечения такого трехфазного двигателя. Зубцы ротора (их 32) имеют тот же шаг, что и зубцы на полюсах статора. В описании к патенту Уолкер представил чертежи двигателей, известных сегодня как многопакетные двигатели индукторного типа (рис. 2.4), а также как линейные двигатели. Тем не менее до 1950-х годов двигателей, основанных на этих принципах, не выпускали.

Рис. 2.4. Ротор многопакетного индукторного двигателя.

В 1920 г. Чикин и Тейн получили патент на изобретение двигателя, создающего большой вращающий момент на единицу объема ротора. Продольное сечение конструкции приведено на рис. 2.5,а.

Рис. 2.5. Реактивный ШД, изобретенный Чикином и Теином: а - продольное сечение; б -- положение ротора; 1 - обмотка статора; 2 - ротор; 3- обмотка; 4-- зубцы статора.

Отличительная черта конструкции состоит в том, что ротор, выполненный из магнитомягкой стали, располагается между двумя полюсами статора, как показано на рис. 2.5,6. Такая структура способна создавать максимальный момент на единицу объема ротора. Однако впервые этот принцип для создания мощных двигателей с цифровым управлением применила только в 70-е годы японская компания Fanuc Limited.

Помимо индукторных ШД в то же самое время появились три типа ШД с постоянными магнитами. Простейшим из них является называемый теперь двигателем с постоянными магнитами. Статор такого двигателя имеет выступающие полюсы, ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит как в обычных синхронных двигателях.

Второй тип - это гибридные двигатели (одноименнополюсные индукторные двигатели с постоянными магнитами). У них имеются ротор, конструкция которого представлена на рис. 2.6, и цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль оси. На магнит установлены сердечники ротора из магнитомягкого материала с зубцами. В двигателе использованы принципы двигателя с постоянными магнитами и реактивного двигателя. Он изобретен сотрудниками компании General Electric и запатентован в 1952 г. в США.

Рис. 2.6. Структура ротора гибридного ШД: 1 -- магнитопровод из магнитомягкой стали; 2 - постоянный магнит.

Третий тип двигателя с использованием постоянных магнитов -- это однофазный двигатель Cyclonome, который выпускался фирмой Sigma Instruments .

В силу того, что для привода станков с цифровым управлением требуются большие значения момента и выходной мощности, в период с 1960 по 1974 г. в Японии стали широко использовать электрогидравлические ШД, представляющие собой комбинацию обычного ШД и гидравлического усилителя момента (рис. 2.7). На рис. 2.8 представлен фрезерный станок с электрогидравлическим ШД, выпущенный в 1961 г. В качестве переключающих элементов были использованы германиевые транзисторы.

Рис 2.7. Электрогидравлический ШД: 1 - шаговый двигатель, 2 - гидравлическое устройство (усилитель).



Рис 2.8. Фрезерный станок с числовым программным управлением 1 - шаговые двигатели.

В начале 1960-х годов появилась возможность использования ШД в качестве приводов в терминальных устройствах ЭВМ.

Рис. 2.9. Применение ШД в ЛГУ-графопостроителе, выпущенном в середине 1970-х годов:1 - перо; 2 -- направляющая; 3 -стальная лента.

В 1967 г. фирма Sanyo Denki начала серийный выпуск гибридных двигателей Step-Syn (одноименнополюсных индукторных двигателей с постоянными магнитами) (рис. 2.10). Компания Superior Electric, еще раньше выпускавшая синхронные ШД с шагом 1,8°, в 1970-х годах начала выпуск полного набора гибридных двигателей М-серий.



Рис. 2.10. Устройство дисковой памяти использующее десять трехпакетных ШД.

1.2 Быстрый прогресс в 1970-х годах

Шаговые двигатели с высокими динамическими характеристиками были необходимы еще до начала 1970-х годов, но именно в это время начался быстрый рост числа ШД, используемых в вычислительной технике, что, в свою очередь, привело к массовому их производству. В США производство печатающих устройств, использующих ШД и серводвигатели постоянного тока, было рискованным предприятием; однако печатающие устройства с управляемыми электроприводами, использующие интегральные схемы вместо сложных механизмов, употребляемых в прошлом, привлекали молодых инженеров, так как представляли большую свободу для применения их знаний в области электроники. Аналогичная тенденция прослеживалась в начале 1970-х годов и в других промышленно-развитых странах.

Наиболее важные типы ШД, сконструированные для применения в периферийных устройствах вычислительных машин за десятилетие, включают: четырехфазные двигатели с шагами 1,8; 2; 2,5; 5°; двигатели с постоянными магнитами с шагами 7,5; 45; 90°; трех- и четырехфазные реактивные двигатели с шагами 7,5; 15°; реактивные двигатели с 128 или 132 шагами за один оборот.

Последняя категория включает обычные двигатели для серийных печатающих устройств с большим числом символов в строке.

В начале 1970-х годов появились автоматические чертежные машины , использующие ШД гибридного типа. Позднее линейные индукторные ШД начали использовать для перемещения каретки в серийных печатающих устройствах (рис. 2.11).

Шло развитие и шаговых двигателей, используемых в цифровых управляющих машинах. В 1973 г. фирма Fanuc под руководством Инабы добилась успеха в создании мощных ШД. Это многопакетные индукторные ШД, но в них использована структура типа "сандвич'', предложенная для достижения высокого вращающего момента. В двигателях был использован цифровой управляющий механизм - схема управления. Однако вскоре опять вернулись к серводвигателям постоянного тока. Одной из причин этого являются ограничения, накладываемые ШД, и желание получить плавное окончание движения. Другая причина - это развитие цифрового управления для серводвигателей постоянного тока.

Рис. 2.11. Линейный ШД, используемый в серийном печатающем устройстве: 1 -- датчик положения; 2 -- направляющие (статор); 3 - ползунок (подвижное устройство).

В области вычислительной техники серводвигатели постоянного тока использовали там, где требовались высокая частота вращения и быстрое ускорение и торможение, например при вращении дисков с символами печатающего устройства или лентопротяжного механизма для магнитной ленты. Двигатели постоянного тока подвержены механическому износу щеток и коллектора. Практика применения ШД показала, что в них не возникает проблем механического трения и обеспечивается высокая надежность.

1.3 Исследовательская активность

В конце 1950-х годов университеты и лаборатории промышленно развитых стран начали интенсивное исследование индукторных двигателей; результаты этих исследований опубликованы. В 1970-х годах состоялись две Международные конференции, где специалисты науки и производства обменялись докладами и обсудили возможности практического использования индукторных двигателей. Ежегодно с 1972 г. в Urbana-Champaign проходит симпозиум по приборам и системам дифференциального управления под председательством профессора Куо из университета штата Иллинойс (США). В 1974, 1976, 1979 гг. в Великобритании работала Международная конференция по индукторным двигателям и приборам под председательством профессора Лоуренсона из университета в Лидсе. Индукторные двигатели были также предметом обсуждения в 1976 г. на Международной конференции по малым электрическим машинам, состоявшейся в институте инженеров-электриков в Лондоне.

1.4 Современные ШД

Шaговые двигaтели можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни. Линейные шаговые двигатели конкурентоспособны в производстве полупроводников и волоконной оптики, в станках проволочного монтажа, лазерных резаках, устройствах испытаний схем на полупроводниковой пластине, медицинском оборудовании и других приложениях, утверждают в Baldor Electric. Линейные шаговые системы часто получают высокую оценку за свою низкую стоимость обслуживания в сравнении с альтернативами. Компания MTT приводит примеры шаговых двигателей типа "консервная банка" в приложениях промышленной автоматизации, такие как манипулятор для захвата, транспортировки и установки деталей, конвейеры и станки по обработке и упаковке относительно небольшого размера. Компания Portescap считает, что шаговые двигатели больше подходят для текстильной промышленности, сборки электронных приборов, линейных координатных платформ и медицинских анализаторов. Много шаговых двигателей также используются в автомобильных приложениях, но это, как правило, полноразмерные мощные модели. Целевыми приложениями шаговых систем, по мнению Berger Lahr/Schneider Electric, являются те, у которых очень низкие требования к поддержке, а также OEM системы с недорогими решениями по управлению движением. Поскольку для ввода в эксплуатацию шаговых систем не требуется высокой квалификации, экспортеры техники также часто отдают предпочтение им, а не системам на серводвигателях. В целом, системы управления движением на базе шаговых двигателей живут и развиваются. Улучшения продолжаются по всему спектру предлагаемых моделей, но наиболее заметны они в компактных системах и системах с низким потреблением энергии.



2. Системы управления ЛИД

2.1 Эра цифрового управления и прогресс 1970-х годов

В январе 1957 г. журнал Control Engineering опубликовал отчет о применении ЛИД. Он был посвящен системе трех ЛИД с цифровым управлением, которые были использованы для перемещения фрезерного стола по трем осям. Для этого использовались многопакетные индукторные двигатели. Управление осуществлялось с помощью усилителя на ламповых тиратронах. Система привода показана на рис. 3.1. Управление движением трех двигателей осуществлялось либо вручную, либо по записи на перфоленте, которая считывалась фотоэлектрической головкой, посылавшей управляющие сигналы на тиратроны. С момента выхода в свет этого отчета в промышленно-развитых странах начались интенсивные исследования, направленные на улучшение характеристик ЛИД.

Рис. 3.1. Схема системы управления станка с трёхкоординатным перемещением детали с помощью индукторных ШД управляемых тиратронами:1 - червячная передача; 2 - двигатель для передвижения ленты; 3 - устройство считывания; 4-- лента ;5 -- тиратрон; 6 - двигатель.

Развитие приводов с ЛИД, шло параллельно с развитием транзисторов и других полупроводниковых приборов. В 1948 г. в телефонной лаборатории фирмы Bell был изобретен точечно-контактный транзистор. В 1957 г. компания General Electric объявила о создании первого тиристора SCR (кремниевый управляемый выпрямитель).

В начале для управления ЛИД использовали механические контакты или реле, затем газонаполненные или вакуумные лампы, которые постепенно были заменены на полупроводниковые приборы: тиристоры и транзисторы. Хотя использование последних год от года расширялось, электроприводы с логическими схемами были все еще дороги. Именно поэтому в 1960-х годах ЛИД не получили широкого применения. МОП-транзисторы появились лишь в 1964 г. В следующем году появились цифровые интегральные схемы, затем микросхемы со средним уровнем интеграции, а вслед за ними и большие интегральные микросхемы. В результате логические схемы, входящие в систему управления ЛИД, стали миниатюрными, возросла их надежность, снизилась стоимость и применение ЛИД стало экономически оправданным.

Развитие полупроводниковой технологии, кажется, бесконечно. В 1971 г. компания Intel объявила об изобретении четырехразрядного микропроцессора. Затем Intel в 1972 г. и Motorola в 1974 г. выпустили на рынок восьмиразрядный процессор, имеющий большую область применения. Фактически с конца 1970-х годов микропроцессоры стали находить различные применения в электроприводах с ЛИД.

В настоящее время все ЛИД имеют цифровую систему управления.

2.2 Принципиальные схемы силовых ключей

Простейший транзисторный ключ показан на рис.3.2, а. Если на вход ключа не поступает сигнал от ДППЭ, то силовой транзистор V надежно заперт напряжением от источника запирающего напряжения U₃, положительный потенциал которого приложен к базе транзистора. Сопротивление R_б выбирают таким, чтобы ограничить обратный ток источника U₃ и в то же время не шунтировать переход эмиттер-база при подаче управляющего сигнала на вход. Иногда параллельно эмиттер-базе включают диод VD₁ cтем, чтобы фиксировать запирающее напряжение на переходе благодаря нелинейной характеристике диода. Падение напряжения на нем 0,3-0,5 В является достаточным для запирания. При подаче управляющего сигнала от ДППЭ на вход по цепи эмиттер-база проходит ток и транзистор V открывается, запитывая активно-индуктивную нагрузку LR, содержащую ЭДС Е, током от источника U. Напряжение и мощность сигнала от ДППЭ должны быть достаточными по величине, чтобы превысить напряжение запирания на диоде VD₁ либо чтобы "преодолеть" напряжение на эмиттерном переходе и обеспечить необходимый ток базы для полного открытия ключа (перевода транзистора V в состояние насыщения).

Рис.3.2. Транзисторные ключи:а-на одном транзисторе; б-составной на двух транзисторах.

Исчезновение сигнала на входе (якорь ДППЭ вышел из взаимодействия с чувствительным элементом) приводит к резкому запиранию транзистора V (переход в состояние отсечки).При этом для снятия перенапряжений от ЭДС самоиндукции коммутируемой секции (на схеме -- нагрузка L, R, Е) используется цепочка из диода VD₂ и стабилитрона VC.Такая защитная цепочка, как уже отмечалось при рассмотрении схем обмоток, применяется для двигателей с нереверсивным питанием секций.

Если коммутируемый ток требует установки достаточно мощного транзистора и мощность сигнала ДППЭ оказывается недостаточной для управления им, либо если фронты этого сигнала не обладают достаточной крутизной, то необходимо применять силовые ключи, состоящие из двух-трех транзисторов (составные ключи). Схема такого ключа, называемая схемой Дарлингтона, приведена на рис.3.2, б.

Составной ключ на транзисторах V₁ и V₂ имеет общий источник запирающего напряжения U₃. При отсутствии сигнала от ДППЭ на входе положительный потенциал U₃ приложен к базе V₂ через сопротивление R_б, и, таким образом, транзисторы V₂ и, соответственно, V₁ надежно заперты.

Появление сигнала от ДППЭ на входе приводит к протеканию тока через переход эмиттер-база V₂ и он отпирается. Это, в свою очередь, вызывает, протекание тока в цепи эмиттер-база V₁ -- эмиттер-коллектор V₂ благодаря чему и V₁ оказывается открытым. Небольшое сопротивление R₁, иногда устанавливают для более четкого вывода транзистора V₁ в режим насыщения.

На рис.3.4 показан ключ на полевом транзисторе V, управляемый от оптопары VO. Сигнал от ДППЭ подается на оптопару VO, и фототранзистор V₁ открывается. Тем самым потенциал 12В подается на затвор 3 полевого транзистора V, и он также скачком переходит в открытое состояние и подключает нагрузку L, R, Е к источнику питания U. Исчезновение сигнала ДППЭ на оптопаре VO приводит к запиранию фототранзистора и снятию потенциала с затвора транзистора V, который запирается. Применение оптопары VO позволяет гальванически развязать цепи управления и силовые цепи ключа, что повышает надежность и безопасность системы.

Рис.3.3. Ключ на полевом транзисторе.



На рис.3.4 изображен ключ, выполненный на GTO-транзистореV. Система управления формирует импульсы отпирания и запирания в соответствии с сигналами ДППЭ.

Демпфирующие цепи ключа, содержащие элементы VD_S, C_s, L_s, R_s, уменьшают величины dI/dt, dUV/dt, до допустимых пределов. На рис.3 предполагается, что ЭДС вращения обмотки имеет однонаправленный характер, что позволяет обойтись одним шунтирующим диодом VD.

Многие фирмы-производители силовой электроники выпускают полупроводниковые ключи в виде модулей, позволяющих конструировать и собирать различные виды преобразователей, применяемых в цепях электрических машин. Один из таких модулей составного ключа показан на рис. 3.5 а. Модуль помимо транзисторов Tl, Т2 содержит обратный диод D₁, и вспомогательный диод D₂.

Рис.3.4. Ключ на GTO-транзисторе.

На рис. 3.5, б два модуля А и В объединены в "стойку" трехфазного моста с обратными диодами, показанную в левой части рис. 3.5, б. В диапазоне относительно небольших мощностей, ориентировочно определяемом порядком 10³ Вт, в виде модуля выпускают полностью весь трехфазный транзисторный мост, который может быть использован как коммутатор трехфазного вентильного двигателя с реверсивным питанием фаз.

Рис.3.5. Силовые ключи в виде модулей: а-одиночный ключ; б-полумост-"стойка" из двух ключей.

На рис. 3.6, а изображена схема такого модуля на полевых транзисторах с обратными диодами, а на рис. 3.6, б -- конструктивное исполнение в виде прямоугольной пластины со штырями, соответствующими выводам для подсоединения источника питания (PCS (+), NCS (--)), фаз нагрузки {А, В, С), затворам полевых транзисторов (G1--G6).

Такая концепция наряду с применением интегральных схем для систем управления позволяет наиболее эффективно решить задачу проектирования, изготовления, снижения стоимости регулируемых электроприводов на базе бесконтактных двигателей постоянного тока (вентильных двигателей). При этом обеспечивается компактность и высокая надежность привода в целом.

Рис. 3.6.Модуль трехфазного моста: а-схема; б-конструктивное исполнение.

2.3 Датчики положения подвижного элемента (ДППЭ)

Датчик положения подвижного элемента (ДППЭ) -- информационный узел линейного индукторного двигателя, служащий для определения относительного положения магнитной оси ротора и эквивалентной магнитной оси статора и выдачи соответствующих команд для управления схемой коммутатора.

Датчики положения могут быть дискретного и непрерывного (аналогового) типа. Датчики дискретного типа выдают сигналы одного уровня, возникающие в фиксированных положениях ротора и имеющие длительность, определяемую угловым размером сигнального сектора якоря ДППЭ. Датчики аналогового типа выдают сигналы, изменяющиеся по тому или иному закону. Чувствительный элемент аналогового датчика может выдавать непрерывный сигнал с периодом 2р эл. рад. Для датчика положения ротора пригодны чувствительные элементы, действие которых определяется физическим эффектом, основанным на реакции элемента на приближение некоторой массы, связанной с ротором. Наибольшее распространение нашли датчики положения оптического, гальваномагнитного и индукционного типа.

Датчики оптического типа (с фотоэлектронными приборами) позволяют получить достаточно крутой фронт сигнала и имеют весьма простую конструкцию якоря в виде тонкого диска с прорезями. Датчик несоздает никаких реактивных моментов на валу двигателя, что важно для высокоточных приводов. Для многополюсных двигателей относительно большого диаметра он позволяет обеспечить компактность конструкции за счет расположения п_Э чувствительных элементов (например, фотодиодов) на одной линии по радиусу и применения для каждого чувствительного элемента своей прорези на экране-якоре. Эти прорези должны иметь угловое смещение относительно друг друга, равное угловому сдвигу чувствительных элементов обычного датчика. Недостаток оптического датчика -- низкий уровень выходного сигнала, ненадежность из-за возможности загрязнения поверхности элементов.

Датчики гальваномагнитного типа (элементы Холла, магнитодиоды, магниторезисторы) могут оказаться перспективными в тех случаях, когда в качестве якоря используется непосредственно силовой магнит ротора двигателя. При этом чувствительные элементы будут расположены в зазоре машины. Таким образом, отпадает необходимость усложнения конструкции двигателя за счет специального конструктивного элемента, каким обычно является ДППЭ. В схемах с датчиками гальваномагнитного типа зачастую нет необходимости в дополнительном источнике для питания датчика.

Недостатками датчиков положения гальваномагнитного типа являются малый уровень выходного сигнала, относительно малая крутизна фронта.

Датчики индуктивного типа надежны, просты и дешевы, могут обеспечить большую кратность выходного сигнала и достаточно крутой фронт. Недостаток этих датчиков состоит в необходимости вынесения их в отдельный узел в конструкции машины и использование в схеме коммутатора отдельного высокочастотного генератора для питания датчика. Для микроминиатюрных машин возможны затруднения конструктивного и технологического характера, так как габариты датчика могут оказаться соизмеримыми с габаритами активной части машины.

Остановимся подробнее на схеме с датчиком индуктивного типа. Датчики индуктивного типа подразделяются на датчики дроссельного и трансформаторного типа. На рис.3.7, а показана принципиальная схема чувствительного элемента ДППЭ с дросселем насыщения. Напряжение питания датчика U_пд частотой приблизительно 30--60 кГц подведено к первичной обмотке трансформатора Т_р. В цепь вторичной обмотки включен дроссель насыщения Д_р, представляющий собой ферритовое колечко с обмоткой. Если магнит NS (сектор якоря ДППЭ) удален от дросселя Др, то дроссель не насыщен и обладает очень большим индуктивным сопротивлением, ток в цепи практически отсутствует, отсутствует также ток и на выходе выпрямителя В и в цепи эмиттер-база транзистора V. Транзистор V закрыт. Если приблизить магнит NS к дросселю Д_р (якорь ДППЭ входит в бесконтактное взаимодействие с дросселем), то последний насытится, его сопротивление резко упадет, и по цепи пойдет ток, который, проходя через эмиттер-базу транзистора V, откроет его. Такие датчики могут выдавать значительный ток, приблизительно от 10 до 100 мА в зависимости от габаритов дросселя, что иногда бывает достаточным для управления непосредственно силовым ключом.

Чтобы уменьшить нулевой сигнал при ненасыщенном состоянии дросселя и обеспечить гальваническую развязку входных цепей управления ключами, применяют дроссельные датчики с переходным трансформатором.

Напряжение питания датчикаU_пд прикладывается к последовательно соединенным дросселю Д_р и первичной обмотке переходного трансформатора Т_р.Если магнит NS удален от дросселя Д_р, то дроссель не насыщен, его сопротивление очень велико, и все напряжение практически падает на дросселе. На выходе трансформатора Т_р сигнала нет, и транзистор V заперт. Если магнит NS приближен к дросселю Д_р, то в результате насыщения его сопротивление резко падает, и все напряжение U_пд, прикладывается к первичной обмотке Т_р. На выходе появляется сигнал и транзистор V открывается. Для уменьшения количества диодов выпрямителя на выходе Т_р применяют вторичную обмотку со средней точкой и выпрямитель с двумя диодами. Часто для тех же целей применяют датчики с трансформаторами насыщения (рис.3.7, в).

Напряжение питания датчика U_пд подводится к первичной обмотке насыщающегося трансформатора Т_р, на выходе вторичной обмотки которого имеется выпрямитель, нагруженный на цепь эмиттер-база транзистора V. Если магнит NS удален от трансформатора Т_р, то последний не насыщен и существует магнитная трансформаторная связь между первичной и вторичной обмотками Т_р. На выходе есть сигнал и транзистор V открыт. При приближении магнита NS (якорь ДППЭ) к трансформатору Т_р трансформатор насыщается, магнитная связь между его обмотками практически исчезает, и на выходе пропадает сигнал. Транзистор V запирается.

Поскольку каждый ДППЭ имеет несколько чувствительных элементов, то при применении трансформаторов насыщения они имеют общую цепь питания (рис. 3.8).

Рис.3.7. Принципиальная схема чувствительных элементов ДППЭ индуктивного типа: с дросселями насыщения (а, б), с насыщающимся трансформатором (в).

Рис.3.8. ДППЭ с тремя трансформаторами и общей цепью питания.



3. Обзор конструкций линейных индукторных двигателей

3.1 Классификационные признаки линейных двигателей

В соответствии с определением дискретного электропривода любой электромеханический преобразователь энергий, развивающий синхронизирующий момент или удерживающую силу, может быть использован в качестве линейного двигателя. Этому требованию отвечают все электрические машины синхронного типа, машины двойного питания, сельсины, асинхронные двигатели с неполной короткозамкнутой клеткой на роторе, многофазные и многополюсные электромагниты с суммированием усилии на общей механической оси, электромагниты с кинематическими преобразователями движения. Кроме того, известны специальные, конструкции линейных двигателей пьезоэлектрического и магнитострикционного типов, использующие деформацию рабочего тела под действием магнитного или электрического поля.

Мы рассмотрим основные конструкции шаговых двигателей синхронного типа, получившие наиболее широкое применение на практике. Их можно классифицировать по характеру возбуждения, числу фаз, числу полюсов, виду движения, специальным особенностям конструктивного исполнения. По этим признакам можно выделить двигатели с электромагнитным возбуждением (электромагнитные двигатели) и с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрические двигатели). Электромагнитное возбуждение может обеспечиваться либо специальной обмоткой, либо постоянной составляющей тока, протекающей в фазных обмотках при однополярном питании (электромагнитное самовозбуждение). Реальный или фиктивный контур возбуждения может быть размещен как на статоре, так и на роторе. При возбуждении со стороны ротора получаем линейный двигатель с активным или возбужденным ротором (активный двигатель); при возбуждении со стороны статора -- индукторный двигатель. Магнитная система индукторного линейного двигателя обеспечивает независимость потока возбуждения от положения ротора. Если реальный или фиктивный контур возбуждения отсутствует (нет ни обмотки возбуждения, ни постоянных магнитов, ни подмагничивания постоянными составляющими токов фаз), то двигатель относится к классу реактивных синхронных машин -- реактивный двигатель.

Число фаз может изменяться от 1 до произвольного числа т. На практике наибольшее распространение получили линейные индукторные двигатели с m равным 2, 3, 4, 5, 6. Однофазные линейные индукторные двигатели используются главным образом в часах и простых приборных системах. Двигатели с m?8 строятся в специальных случаях для уменьшения мощности, коммутируемой в одном канале.

Число пар полюсов в серийно выпускаемых машинах изменяется от 1 до 90. В линейном двигателе активного типа с возбуждением от постоянных магнитов на роторе р_п=1--4. При более высоких значениях р_п=6--90 изготовление возбужденного ротора встречает серьезные технологические затруднения. В этом случае ротор выполняется зубчатым из магнитомягкой электротехнической стали, причем число зубцов пассивного ротора z_r эквивалентно числу пар полюсов р_п. Очевидно, что при этом двигатель может быть только индукторным, реактивным или смешанного типа, т. е. индукторно-реактивным.

Любой двигатель вращающегося типа посредством топологических преобразований магнитной системы может быть превращен в линейный двигатель, реализующий возвратно-поступательные движения. Простейшее преобразование предполагает развертку статора и ротора, разрезанных по образующей. В этом случае получаем односторонние конструкции плоского типа. Дополнительно могут быть образованы трубчатые конструкции при последующей свертке относительно продольной оси или двухсторонние плоские конструкции. Получившие применение линейные двигатели являются индукторными двигателями магнитоэлектрического типа или с электромагнитным возбуждением. Конструктивное объединение двух линейных двигателей односторонней плоской конструкции позволяет построить планарный двигатель с двумя независимыми движениями в декартовой системе координат (X, У-ШД). Конструктивное объединение линейного двигателя трубчатой конструкции с вращающимся двигателем образует двухкоординатный Z, ц-ШД, реализующий два независимых движения в цилиндрической системе координат. Развитие этих композиций позволяет построить трехкоординатные двигатели X, Y, Z-ШД и X, Y, ц-ШД, а также четырехкоординатный X, Y, Z, ц-ШД. Дальнейшей модификацией перечисленных конструкций является двигатель, реализующий два или три независимых движения с ограниченными, углами поворота в сферической системе координат.

К особенностям конструктивного исполнения, по которым в ряде случаев различают ШД, можно отнести осевое или радиальное расположение основных элементов магнитной системы, в соответствий с чем выделяются одно- и многопакетные конструкции в радиальным или радиально-аксиальным замыканием магнитного потока. Кроме двигателей с центральным расположением ротора в целях редуцирования, скорости и уменьшения шага выпускаются двигатели с катящимся или гибким волновым ротором, В двигателях магнитоэлектрического типа в ряде случаев специально предусматривается магнитная фиксация ротора при отключении питания. В многокоординатных двигателях опоры должны обеспечивать несколько степеней подвижности и могут выполняться аэростатическими, вибрационными, магнитными и т. п.

Остановимся подробнее на конструкции линейных шаговых двигателей. Из-за высокой стоимости и большого шага линейные двигатели с активным ротором, с постоянными магнитами на подвижной части, не получили применения в промышленных установках.



3.2 Линейные двигатели индукторного типа

В линейных двигателях индукторного типа увеличение числа полюсов при заданных размерах двигателя позволяет пропорционально числу пар полюсов уменьшить механический шаг двигателя и статическую ошибку. Это особенно важно для линейных двигателей, где невозможно или трудно механически редуцировать движение. Физически существенное увеличение числа полюсов требует отказа от контуров возбуждения на роторе. В синхронных машинах индукторного типа используется групповое возбуждение пассивных ферромагнитных зубцов ротора. При этом источник возбуждения обычно выносится на статор, как показано на рис. 4.1. Обозначенные штриховой линией контуры замыкания потока возбуждения и фазных обмоток совмещаются в полюсных выступах магнитопровода якоря, снабженных гребенчатыми зубцовыми зонами. По отношению к потоку возбуждения индуктор при перемещении выполняет роль модулятора. Однако расположение гребенчатых зубцовых зон со смещением относительно зубцов индуктора обеспечивает неизменность суммарного потока возбуждения Ф_в при перемещении индуктора. Модуляция сводится к перераспределению частей потока возбуждения между отдельными полюсными выступами якоря в функции положения индуктора. Это равноценно периодическому изменению потокосцеплений фаз с обмоткой возбуждения при постоянстве самого потока возбуждения, как в двигателях с активным ротором.

Как и в рассмотренном ранее случае, потокосцепление постоянного магнита с каждой из фаз изменяется по законам синуса и косинуса в функции угла поворота ротора. Полный период изменения потокосцепления и синхронизирующего момента соответствует повороту ротора на одно зубцовое деление.



Рис. 4.1. Конструкция индукторного линейного двигателя с электромагнитным возбуждением: 1 -- подвижный индуктор; 2 -- магнитопровод якоря; 3 -- обмотка возбуждения; 4 -- фазная обмотка.

3.3 Реактивные и индукторно - реактивные линейные двигатели

Признаком реактивного линейного двигателя является независимость его электромагнитного момента от наличия или отсутствия постоянных составляющих в фазных токах. Такие условия создаются в симметричных однопакетных конструкциях двигателей с одноименным включением фаз, при котором НС от постоянных составляющих фазных токов образуют симметричную т-лучевую звезду и взаимно уравновешивают друг друга в рабочем зазоре. Постоянное потокосцепление каждой фазы существует, но замыкается по внешним контурам магнитного рассеяния. Трехфазные двигатели с ферромагнитным зубчатым ротором и гребенчатыми зубчатыми зонами на полюсах статора конструктивно не отличаются от индукторных двигателей с самовозбуждением, однако образование момента в них подчинено другим закономерностям. Однополярная коммутация таких двигателей возможна, но крайне неэффективна, так как постоянные составляющие токов, увеличивая потери, не участвуют в образовании момента.

Двигатель этого типа, подключенный к трехфазной сети переменного тока, работает как синхронный реактивный двигатель и называется редукторным.

При отсутствии индуктивных связей между фазами, что характерно для многопакетных двигателей (рис. 4.2), каждая фаза является многополюсным электромагнитом. Поток фазы при взаимодействии с движущимся зубчатым ферромагнитным ротором многократно модулируется. При этом в общем случае каждая фаза создает бесконечный спектр пульсирующих моментов, которые, суммируясь на валу двигателя, образуют стоячие и бегущие волны. Двигатели этого типа допускают как однополярную коммутацию, так и разнополярную. Необходимо анализировать электромагнитные связи между фазами и в соответствии с этим выбирать тип коммутации и коммутирующие устройства.

Рис. 3.2. Трехфазный линейный индукторный двигатель: 1 индуктор; 2 -- магнитопровод якоря; 3-- катушка якоря.

3.4 Двигатели с комбинированным движением

При создании робототехнических комплексов и гибких автоматизированных производств построение сложных пространственных движений на основе традиционных систем привода с электродвигателями вращающегося типа требует развитых узлов кинематического преобразования движения, которые оказываются дорогостоящими, а в ряде случаев не обеспечивают заданных показателей качества движения из-за люфтов, упругостей, износа и т. д. Пластичность конструкций двигателя индукторного типа позволяет рассматривать эту (машину как систему многополюсных поляризованных электромагнитов (модулей), легко объединяемых между собой в сложный электромеханический преобразователь энергии с несколькими степенями механической свободы движения. Газовые опоры (создание воздушной подушки с питанием от (промышленной (пневмосети) позволяют реализовать одновременно несколько движений, при различной пространственной ориентации модулей. На практике широкое применение получили планарные двигатели Х, У-ШД и двигатели поступательно-поворотного движения Z,ц-ШД.

Рис. 4.3. Планарный ХУ-ШД: 1 -- ферромагнитная зубчатая плита индуктора; 2-- полюс якоря; 3 -- фазная катушка; 4 -- магнит; 5 -- корпус якоря.

На рис. 4.3 схематически представлена конструкция планарного X, У-ШД. Неподвижная часть двигателя выполнена в виде массивного термостабилизированного основания (чугун, гранит), к которому приклеен стальной лист с нанесенной на него ортогональной системой зубцов. Эта часть двигателя является индуктором. Подвижная часть машины (якорь) состоит из двух модулей, каждый из которых выполнен по схеме двухфазной индукторной линейной машины, В отличие от двигателя на рис. 4.1 возбуждение осуществляется постоянным магнитом. С точки зрения коммутации обмоток двигатель ничем не отличается от своего вращающегося прототипа.

Особенностью двигателя является ничтожно малое затухание свободных колебаний из-за отсутствия трения в опорах. В связи с этим в алгоритме управления предусмотрены меры принудительного демпфирования и обязательного электрического дробления шага.

Отсутствие жестких кинематических связей приводит к тому, что координаты X и У являются независимыми в электрическом и магнитном отношениях до тех пор, пока оси зубцов якоря совпадают с осями зубцов индуктора. При поворотах вокруг вертикальной оси Z возникают нежелательные электромеханические связи между координатами X и Y. Для устранения этих явлений все конструкции планарных двигателей симметрированы относительно центра масс якоря. При этом якорь состоит из двух диаметрально противоположных модулей X и модулей Y, создающих синхронизирующий момент, максимальное значение которого пропорционально тяговому усилию модулей и расстоянию между ними.

Планарные двигатели позволяют работать с ускорениями до 50 м/с², со скоростями до 1 м/с, развивая удельные тяговые силы 1--2 Н/см² .

Рис. 4.4. Индукторный двигатель поступательно-поворотного типа: 1 -- статор линейной части; 2 -- статор поворотной части; 3 -- индуктор линейной части; 4 -- ротор, поворотной части; 5 --- шариковые опоры; 6 -- вал.

На рис. 4.4 показана конструкция Z, ц-ШД индукторного типа с электромагнитным самовозбуждением. Это не единственный вариант конструктивного исполнения. Двигатели поступательно-поворотного типа могут быть образованы линейным двигателем, движущаяся часть которого объединена с вращающимся двигателем торцового типа. В этом случае конструкция собирается из модулей, аналогичных модулям планарного двигателя.

В зависимости от возникающих задач используются комбинации планарного двигателя с линейным, поворотным или Z, ц-ШД.

Аналогичными средствами могут быть получены ограниченные по амплитудам движения в сферической системе координат. При реализации длинноходовых поступательных движений на плоскости оказывается целесообразной, несмотря на увеличенный расход активных материалов, обращенная конструкция двигателя (рис. 4.5), у которой движется индуктор, не связанный с электрическим источником питания и пневмосетью.

Рис. 4.5. Планарный индукторный двигатель обращенного типа с неподвижным якорем.

В совокупности многокоординатные двигатели позволили создать принципиально новый тип модульного шагового электропривода.



4. Области применения линейных индукторных двигателей

Современное технологическое оборудование, в котором рабочие органы осуществляют прямолинейное перемещение (сверлильно-фрезерные станки, лазерные установки, раскройные комплексы, графопостроители, высокоточные позиционеры и др.) требует надежного высокодинамичного и точного электропривода. Линейное движение можно разделить на движение, полученное за счет двигателя вращательного движения и той или иной передачи, и линейное движение, реализованное за счет непосредственного линейного привода.

Первый вариант обеспечивает малый срок службы технологического оборудования, обусловленный износом подвижных частей, это вынуждает искать технические решения, которые позволили бы исключить трение в подвижных узлах и одновременно дали бы возможность увеличить скорости перемещения подвижных элементов, а также точность позиционирования. Одним из направлений для достижения этой цели является использование в технологическом оборудовании для перемещения рабочих механизмов непосредственно линейных электродвигателей. Замена электродвигателя вращательного движения, а также шарико-винтовой пары и ременной передачи линейным электродвигателем существенно упрощает кинематику привода подачи. Это позволяет повысить долговечность, надежность и быстродействие электроприводов подач разнообразного технологического оборудования. Линейный индукторный двигатель в настоящее время вполне способен экономически конкурировать с прецизионной шарико-винтовой и ременной передачей. В линейных двигателях нет вращающихся частей, подверженных износу и трению, поэтому с течением времени характеристики привода практически не изменяются. У линейного привода только один недостаток -- высокая цена, поэтому его применение экономически оправдано только в высокоточных скоростных координатных системах.

Рассмотрим преимущества применения линейного индукторного двигателя:

а)Конструктивные преимущества: Конструкция двигателя органично вписывается в конструкцию позиционера, имеет меньшие габаритные размеры, более простую конструкцию, отсутствуют вращающиеся части. Применение аэростатических опор позволяет полностью устранить механическую связь между подвижной и неподвижной частями двигателя. б) Эксплуатационные преимущества: Более высокая точность позиционирования из-за отсутствия люфтов и вибраций, а при аэростатических опорах и отсутствия силы трения. Более высокая скорость перемещения из-за отсутствия ограничений на частоту вращения винта и гайки. Так у ШВП максимальная скорость вращения винта до 750 об/мин. Для винта с шагом t=20 мм максимальная скорость перемещения при вращении винта составляет Vmax=250 мм/с=0.25 м/с, тогда как скорость линейного двигателя может быть равной 5 м/с и ограничивается лишь быстродействием системы управления. Более высокий диапазон рабочих температур из-за отсутствия ограничений на тепловое расширение винта. Большая надежность и стабильность параметров во времени из-за отсутствия изнашивающихся механических частей при условии применения аэростатических опор.

Область применения линейных индукторных двигателей достаточно обширна. ЛИД используют в оборудовании для полупроводниковой промышленности: генераторы изображений и мультипликаторы, измерительные системы, зондовые установки, установки монтажа кристаллов и присоединения выводов; оборудование для электронной промышленности; оборудование для производства печатных плат, установки поверхностного монтажа, установки лазерной обработки материалов, установки визуального контроля, системы транспортировки изделий; станкостроение, роботостроение, приборостроение, транспортное машиностроение и другие области науки и техники; транспортные системы, портальные системы, манипуляторы, роботизированные системы, оборудование под лазерные технологии.

ЛИД можно использовать в прецизионном оборудовании, в котором нагрузка на подвижные элементы двигателей является незначительной (инерциальная нагрузка в основном, но можно и в других случаях). К такому оборудованию относятся графопостроители, картографы, микропозиционеры, автоматические устройства для сборки печатных плат и т.п.) Использование ЛИД с малым зубцовым делением позволяет добиваться большого удельного усилия при относительно небольших скоростях (0,5-1 м/с).

В любых системах цифрового программного управления с точным позиционированием, а также для реализации сложных многокоординатных перемещений можно использовать ЛИД.

Линейные модули с шаговыми двигателями - это экономичное решение для создания систем линейного перемещения в сжатые сроки и с минимальными затратами сил и времени на их сборку. Использование линейных модулей позволяет осуществить сборку одно- и многокоординатных систем позиционирования CNC станков, а использование шаговых приводов со встроенным драйвером и стандартной системой управления (STEP / DIR / ENABLE) уменьшают габариты системы, количество проводов, а также упрощают интеграцию с CNC контроллерами.

В разное время было разработано несколько конструкций координатных столов с ЛИД и электронными блоками управления. Предназначены они были для установки в различном технологическом оборудовании металлообрабатывающих станков ,станков для сверления печатных плат на базе ЛИД, медицинском оборудовании и т.д. На рис. 5.1 изображен современный координатный стол, который представляет собой готовый механический узел линейного перемещения.

...