I, II, III, IV – обмотки статора шагового двигателя

Шаговый двигатель характеризуется динамическим моментом, который имеет значение соответственно разрешающей способности, достигая 0,1 Н м для ШД, используемых в качестве серводвигателей, и десятков и даже сотен для силовых ШД. Шаг на выходном валу чаще выполняют в 1,5°, но он может быть равен 0,5-10°. Ошибка в шаге в зависимости от нагрузки может составить 20 % величины шага, но при работе двигателя она не накапливается. Реверсирование ШД достигается изменением последовательности подключения обмоток статора.

Высокомоментные двигатели имеют возбуждение от постоянных магнитов и поэтому меньше нагреваются по сравнению с обычными. Их изготовляют со встроенным тахогенератором и, по желанию потребителя, датчиком пути и тормозом. Они имеют малую массу и объем. Такие двигатели позволяют отказаться от использования механических редукторов, их можно непосредственно соединять, например, с шариковым ходовым винтом исполнительного узла. В сочетании с цепью адаптивного регулирования частоты вращения с помощью тиристорного преобразователя частота сохраняется постоянной и при 1 об/мин. Таким образом, динамические характеристики двигателей позволяют обеспечивать высокую точность обрабатываемых деталей. Ускоренный ход исполнительного узла сокращает вспомогательное время при обработке.

Необходимо отметить, что малоинерционные двигатели требуют специального динамического согласования с механической системой станка. Если собственная частота двигателя и частота механической системы станка будут соизмеримы, это может привести к потере устойчивости всей системы электромеханического привода. Из этого следует, что более рациональный путь повышения быстродействия двигателя связан с увеличением динамического момента при неизменном моменте инерции якоря машины. Двигатели подобного типа получили название высокомомент-ных. Конструктивная особенность таких двигателей (возбуждение от постоянных магнитов) позволяет отказаться от электромагнитного возбуждения, что исключает потери на нагрев обмотки возбуждения, на 10... 15 % увеличивает КПД и уменьшает размеры двигателя. Применение постоянных магнитов позволяет построить многополюсную машину постоянного тока, упрощающую коммутацию и обеспечивающую равномерное распределение магнитной индукции в зазоре. Двигатели обеспечивают равномерное вращение при частотах до 0,1 об/мин. Электромагнитный момент двигателя постоянного тока зависит от величины магнитного потока и тока якоря.

Для создания высокого динамического момента необходимо, чтобы при всех значениях тока якоря /я магнитный поток оставался постоянным. В машинах постоянного тока с электромагнитным возбуждением магнитный поток уменьшается вследствие размагничивающего действия реакции якоря. Двигатели с постоянными магнитами имеют более стабильный магнитный поток, но и они могут быть размагничены при протекании по якорю больших токов. Во избежание этого намагничивающая сила постоянного магнита должна быть достаточно велика.

Все эти обстоятельства определяют конструкцию магнитной системы высокомоментных двигателей. Магниты из сплава альнико имеют большую длину по оси намагничивания. Высокое значение индукции позволяет получить достаточный магнитный поток при малом сечении магнита. Такие магниты располагают тангенциально по отношению к окружности якоря и снабжают их полюсными наконечниками из магнитомягкого материала. Ферритовые магниты, напротив, имеют очень малую длину, поскольку они создают высокую напряженность поля и имеют большую площадь сечения. Они сами образуют полюсы магнитной системы. Низкая стоимость ферритовых магнитов и очень простая конструкция двигателя обеспечили их широкое распространение. Созданы высокоэнергетические магнитные материалы на основе редкоземельных элементов. Наиболее перспективны самарийкобальтовые ферриты. Удельная энергия их примерно в 3-4 раза выше, чем у сплавов альнико.

Кроме того, для создания высокомоментных двигателей необходимо улучшить условия коммутации. Этого можно добиться, если уменьшить ЭДС коммутируемой секции путем увеличения числа пластин коллектора. Применяют также специальные контактные щетки, выдерживающие большие плотности тока. Все эти меры обеспечивают 6...10-кратную перегрузку по моменту при низких частотах вращения в течение 20...30 мин. Это обеспечивается наличием массивного якоря и большой тепловой инерционностью двигателя. При повышении частоты вращения коммутация двигателя ухудшается и перегрузочная способность снижается.

Высокомоментные двигатели относительно тихоходны. Номинальная частота вращения составляет обычно 1000 об/мин (ее можно повысить до 2000 об/мин за счет кратковременной форсировки напряжения якоря). Эти двигатели не нуждаются в промежуточном редукторе и их устанавливают непосредственно на ходовой винт механизма подачи станка.