Обеспечение надежности шагового двигателя на стадии

УДК 681.313
Обеспечение надежности шагового двигателя
на стадии проектирования
В.Н.КИТАЕВ, Е.Н.КИТАЕВА, Н.А.ИКОННИКОВА
ФГУП «Российский Федеральный ядерный центр – Всероссийский научноисследовательский институт технической физики им. академика Е.И. Забабахина»
456770, г. Снежинск, Челябинской обл., ул. Васильева, 13
E-mail: kb2@vniitf.ru
Тел.: (351-46)-54721, факс: (351-46)-55566
Описывается конструкция шагового двигателя, оптимизированная при ее разработке.
Ключевые слова: шаговый двигатель; оптимальная конструкция; магнитный поток;
расчетная модель; конечно-элементная модель; статический электромагнитный анализ.
Введение
Шаговые электромагнитные двигатели находят широкое применение в
разрабатываемых электромеханических приборах и системах в качестве
приводов, например, их различных исполнительных устройств. Такого типа
электромагнитные
двигатели,
обеспечивающие
отработку
строго
фиксированных углов и значительные крутящиеся моменты при малых
энергетических затратах, разрабатываются на протяжении нескольких десятков
лет и представлены значительным их разнообразием [1, 2]. Однако при
разработке малогабаритных приборов и систем для объектов ответственного
назначения зачастую требуется создание новых технических решений шаговых
двигателей. Надежность разрабатываемого шагового двигателя во многом
определяется конструкцией его электромагнитной системы. Оптимизация
электромагнитной системы шагового двигателя должна проводиться еще на
стадии его проектирования. Результатом такой оптимизации обычно является
обеспечение требуемой надежности, а также значительное сокращение сроков и
стоимости разработки. Заложенные в конструкцию шагового двигателя
оптимальные технические решения позволяют снизить затраты на его
изготовление и повысить качество выпускаемой продукции.
Основная часть
Для разрабатываемого коммутирующего устройства на предприятии была
разработана конструкция шагового двигателя [3], представленная на рисунке 1.
Основная особенность этой конструкции − малые габариты, компактность и
простота, оптимальность электромагнитной системы, обеспечивающая
большой крутящий момент и требуемую надежность.
Шаговый двигатель содержит две крышки из немагнитного материала,
закрепленные относительно друг друга стойками из магнитнопроводящего
металла. Торцы стоек соединены магнитопроводами с сердечниками обмоток
возбуждения, образующими две фазы возбуждения. В крышках установлен
поворотный ротор, на диске которого размещены постоянные магниты,
направления намагничивания которых параллельны оси ротора. Диск выполнен
1
из немагнитного материала. Диаметрально расположенные каждые четыре
обмотки возбуждения с обоих полюсов магнитов образуют первую и вторую
фазу возбуждения соответственно. Соседние постоянные магниты намагничены
в противоположных направлениях. Обмотки первой фазы возбуждения
размещены относительно обмоток второй фазы возбуждения на угле кратным
половине шага, но не кратным шагу расположения магнитов, то есть
коэффициент кратности одной фазы четный, второй – нечетный
При 18 постоянных магнитах обмотки возбуждения расположены через
90º, в этом случае сердечники обмоток первой фазы возбуждения совмещены с
двумя магнитами, а сердечники обмоток второй фазы возбуждения
расположены между магнитами или наоборот – в зависимости от того на какие
обмотки шагового двигателя последний раз было подано напряжение.
магнитопровод
крышка
обмотка
возбуждения
диск
сердечник
магнит
стойка
Рисунок 1 – Конструкция шагового двигателя
Шаговый двигатель работает следующим образом.
Шаговый двигатель управляется последовательной поочередной подачей
определенных импульсов напряжения на обмотки первой и второй фазы
возбуждения. Ротор начнет пошаговый поворот при подаче напряжения на
обмотки, с сердечниками которых не совмещены магниты, при этом диск, а
следовательно и ротор, повернется на один шаг φ, равный половине углового
шага расположения магнитов – до совмещения сердечников этих обмоток с
соседними магнитами. При подаче напряжения на обмотки другой фазы
возбуждения ротор с диском повернется на очередной шаг φ, также равный
половине углового шага расположения магнитов, при этом шаг поворота всегда
строго фиксирован. Далее процесс подачи импульсов напряжения на обмотки
первой и второй фазы возбуждения повторяется.
2
Расположение магнитов на максимальном радиусе, увеличивает
создаваемый момент поворота, диаметральное расположение обмоток с обоих
полюсов
магнитов
обеспечивает
минимальную
протяженность
магнитопроводов, а следовательно снижает потери энергии в магнитной
системе и повышает надежность работы шагового двигателя.
Расположение обмоток возбуждения параллельно оси вращения ротора
позволяет существенно уменьшить диаметр шагового двигателя без
существенного увеличения его высоты.
Расположение обмоток каждой фазы возбуждения диаметрально с обоих
полюсов магнитов и выполнение магнитов с высотой равной или
превышающей толщину диска также позволяет создавать высокоэффективную
электромагнитную систему с малыми потерями и рассеиваниями энергии.
Размещение обмоток возбуждения каждой фазы симметрично оси ротора
позволяет уменьшить силовые воздействия на опоры ротора.
Выполнение сердечников диаметром не меньше диаметра магнитов, но не
более шага размещения магнитов на диске позволяет обеспечивать
имеющимися элементами магнитных цепей (магнитами и сердечниками)
определенность дискретных угловых положений неподвижного ротора, а также
его фиксацию при остановах, как при наличии, так и при отсутствии
напряжения на обмотках возбуждения .
По разработанной конструктивной схеме может быть выполнен шаговый
двигатель и с большим числом фаз, как и с большим количеством обмоток
возбуждения в каждой фазе.
Таким образом, разработанная конструкция шагового двигателя, по
мнению разработчиков, является оптимально сконструированной и должна
позволить:
- увеличить создаваемый момент поворота;
- упростить конструкцию;
- повысит надежность работы;
- уменьшить габариты и массу.
Об оптимальности и новизне разработанной конструкции может
свидетельствовать положительное решение по заявке на выдачу патента на
техническое решение шагового двигателя [3].
Следующим этапом разработки шагового двигателя должно являться
изготовление опытных образцов и проведение необходимого объема их
испытаний, по результатам которых уточняется конструкция шагового
двигателя. Затем снова следует изготовление опытных образцов по
откорректированной конструкторской документации и дополнительный объем
испытаний. Продолжительность такой разработки, даже при наличии
соответствующих возможностей производства, может составлять от трех до
пяти лет. Что не всегда является приемлемым.
Такой порядок разработки до недавнего времени был единственно
возможным, так как электромагнитные системы приборов требовали
громоздких расчетов, результаты которых к тому же были весьма
приближенными [4]. Однако в связи с разработкой новых программных
продуктов, позволяющих применить метод конечных элементов для расчетов и
3
оптимизации параметров магнитных и электромагнитных цепей, появилась
возможность определять и оптимизировать требуемые параметры конструкций
магнитных и электромагнитных цепей еще на стадии проектирования и тем
самым разрабатывать конструкторскую документацию, позволяющую
уменьшить число итераций опытных образцов, а следовательно и объем
необходимых испытаний [5, 6, 7].
Применительно к разрабатываемому шаговому двигателю определение
параметров электромагнитных цепей выполнялось следующим образом.
Исходная геометрическая модель шагового двигателя была построена в
одной из CAD программ (рисунок 1).
Для проведения расчетов геометрическая модель шагового двигателя
была упрощена (оставлены основные элементы конструкции, создающие
магнитное поле). Трехмерная геометрическая модель шагового двигателя,
состоящая из восьми сердечников и восемнадцати постоянных магнитов,
представлена на рисунке 2.
Рассмотрены различные случаи, когда в работе шагового двигателя
задействованы четыре и все восемь катушек, включенные попарно.
магнитопровод
сердечник
магнит
стойка
Рисунок 2 – Расчетная модель шагового двигателя
Важным этапом, влияющим на точность решения задачи, является
построение сетки конечных элементов для каждой детали конструкции (для
сердечников и магнитов). При этом необходимо было выбрать оптимальную
дискретность сетки и балансировать между задействованными ресурсами
вычислительной машины и точностью решений.
На рисунке 3 представлена конечно-элементная модель шагового двигателя
(оболочка расчетной области подавлена). Для данной модели число элементов
4
составило 118198, что позволило обеспечить необходимую точность решения
задачи расчета шагового двигателя при имеющихся ресурсах вычислительной
машины.
обмотки
катушек
Рисунок 3 – Конечно-элементная модель
Направление тока в каждой катушке показано на рисунке 4.
Рисунок 4– Направление электрического тока в катушках
5
В результате расчетов было определено распределение магнитного поля в
рабочих зазорах (рисунок 5), распределение магнитного потока в элементах
конструкции электромагнитных цепей (рисунок 6) и распределения
электромагнитных сил для магнитов вдоль продольной оси (рисунок 7).
Рисунок 5 – Распределение магнитного поля
Рисунок 6 – Распределение магнитного потока
6
Рисунок 7 – Распределение электромагнитных сил
для магнитов вдоль продольной оси.
Заключение
Проведенный при разработке шагового двигателя статический
электромагнитный анализ позволил оптимизировать конструктивные элементы
его электромагнитных цепей на стадии разработки конструкции, что
значительно сократило время и затраты на его отработку.
Авторы выражают благодарность главному конструктору серийного
конструкторского бюро ФГУП УЭМЗ Алексею Владимировичу Полетило
(город Екатеринбург) за предоставленную возможность проведения расчетов с
использованием имеющегося на предприятии программно – аппаратного
обеспечения.
Литература
1 http://www.electroprivod.ru/st_motor.htm
2 http://fulling.com.ua/jsp/newsshow21.html
3 Китаев В.Н., Китаева Е.Н. Шаговый двигатель. МПК7 Н02K 37/00,
Положительное решение от 27.01.2011 по заявке №2009149415 от 29.12.2009.
4 Онищенко Г.Б. - Электрический привод: учебник для студентов высших
учебных заведений – М.: Издательский центр «Академия», 2006.
5 www.ansys.msk.ru
6 http://cae.usta.ru
7 http://ukrainemotors.com Рымша В.В., Радимов И.Н. Технология расчета
трехмерного стационарного магнитного поля в вентильно-реактивных
электродвигателях на платформе ANSYS Workbench.
7