XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование принципа работы электродвигателей и создание макета сверлильного станка ЧПУ с шаговым электродвигателем

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Губин К.Е. 1

---

1МОУ Раменская СОШ № 9

Афанасьева Е.С. 1

---

1МОУ Раменская СОШ № 9

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Двигатель - устройство, без которого невозможно представить современный мир. Помимо двигателя внутреннего сгорания (ДВС) широкое распространение получили электродвигатели. Проблему поиска эффективного, экологичного и практичного двигателя решали более полувека учёные из самых разных стран. Среди них были как обычные экспериментаторы-изобретатели, так и известнейшие в мире науки люди – Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл. Но их всех объединяло одно – основываясь на исследованиях и изобретениях друг друга, они смогли создать электродвигатель и сделать его таким, каким мы знаем его сегодня. Современный электродвигатель — это высокоэффективное устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую с помощью электромагнитного взаимодействия. Электродвигатель, потребляет более 40% всей вырабатываемой электроэнергии, является основным ключом цивилизации, а его дальнейшее совершенствование - ключ к энергосбережению и новой волне электрификации транспорта и промышленности.

Область применения электродвигателей широка: от стиральных машин, холодильников, пылесосов до электромобиля, электропоезда, вентилятора, зерноочистительных машин, транспортеров.

Актуальность проекта: тема проекта остаётся актуальной, потому что электродвигатели являются основой современных технологий. Их развитие способствует сокращению энергозатрат, снижению выбросов и улучшению качества жизни.

Цель проекта: изучение принципов работы электродвигателей и создание макета сверлильного станка ЧПУ (числовое программное управление), которое основано на шаговом электродвигателе.

Объект исследований: электродвигатель.

Предмет исследований: устройство шагового электродвигателя.

Задачи: 1) изучить устройство и принципы работы электродвигателей; 2) понять основные отличия в работе современных электродвигателей; 3) создать макет сверлильного станка ЧПУ на основе шагового электродвигателя.

Гипотеза: изучение устройства электродвигателя позволяет создать макет станка ЧПУ, который может быть полезен ученикам на уроках физики.

Методы исследования: изучение и анализ работы двигателя, создание рабочей модели, опыт.

ГЛАВА 1

1.1 Что такое электродвигатель?

Электродвигатель — устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию вращательного или линейного движения посредством взаимодействия магнитных полей.

Работа электродвигателя базируется на трех ключевых физических явлениях: 1) электрический ток создает вокруг себя магнитное поле (Х. Эрстед, 1820); 2) проводник с током, помещенный в магнитное поле, испытывает механическую силу (А. Ампер, 1820); 3) изменяющееся магнитное поле создает в проводнике электродвижущую силу (ЭДС (М. Фарадей, 1831).

Принцип действия простейшего двигателя заключается в следующем: если поместить рамку с током между полюсами магнита, на её стороны, согласно силе Ампера, действуют противоположно направленные силы (рис.1). Они создают вращающий момент, который и поворачивает рамку. Для непрерывного вращения необходимо поменять направление тока в рамке каждые пол-оборота - эту функцию выполняет коллектор.

Свойство взаимодействия электрической и магнитной энергии на основе создания электродвижущей силы в замкнутом токопроводящем контуре положено в работу любого электродвигателя. В его конструкцию входят: обмотка, по которой протекает электрический ток. Ее располагают на специальном сердечнике-якоре и закрепляют в подшипниках вращения для уменьшения противодействия сил трения. Эту конструкцию называют ротором; статор, создающий магнитное поле, которое своими силовыми линиями пронизывает проходящие по виткам обмотки ротора электрические заряды; корпус для размещения статора. Внутри корпуса сделаны специальные посадочные гнезда, внутри которых вмонтированы внешние обоймы подшипников ротора (рис.2). 

При вращении ротора создается крутящий момент, мощность которого зависит от общей конструкции устройства, величины приложенной электрической энергии, ее потерь при преобразованиях. Величина максимально возможной мощности крутящего момента двигателя всегда меньше приложенной к нему электрической энергии. Она характеризуется величиной коэффициента полезного действия. 

По виду протекающего по обмоткам тока их подразделяют на двигатели постоянного или переменного тока. Каждая из этих двух групп имеет большое количество модификаций, использующих различные технологические процессы. 

У электродвигателей постоянного тока магнитное поле статора создается стационарно закрепленными постоянными магнитами либо специальными электромагнитами с обмотками возбуждения. Обмотка якоря жестко вмонтирована в вал, который закреплен в подшипниках и может свободно вращаться вокруг собственной оси (рис.3). 

На сердечнике якоря из ферромагнитных материалов расположена обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных частей, которые одним концом подключены к токопроводящим коллекторным пластинам, а другим скоммутированы между собой. Две щетки из графита расположены на диаметрально противоположных концах якоря и прижимаются к контактным площадкам коллекторных пластин. 

На нижнюю щетку рисунка подводится положительный потенциал постоянного источника тока, а на верхнюю — отрицательный. Направление протекающего по обмотке тока показано пунктирной красной стрелкой. Ток вызывает в нижней левой части якоря магнитное поле северного полюса, а в правой верхней — южного (правило буравчика). Это приводит к отталкиванию полюсов ротора от одноименных стационарных и притяжению к разноименным полюсам на статоре. В результате приложенной силы возникает вращательное движение, направление которого указывает коричневая стрелка. При дальнейшем вращении якоря по инерции полюса переходят на другие коллекторные пластины. Направление тока в них изменяется на противоположное. Ротор продолжает дальнейшее вращение. Простая конструкция подобного коллекторного устройства приводит к большим потерям электрической энергии. Подобные двигатели работают в приборах простой конструкции или игрушках для детей. 

Электродвигатели постоянного тока, участвующие в производственном процессе, имеют более сложную конструкцию: обмотка секционирована не на две, а на большее количество частей; каждая секция обмотки смонтирована на своем полюсе; коллекторное устройство выполнено определенным количеством контактных площадок по числу секций обмоток. 

В результате этого создается плавное подключение каждого полюса через свои контактные пластины к щеткам и источнику тока, снижаются потери электроэнергии (рис.4).  У электрических двигателей постоянного тока можно реверсировать направление вращения ротора. Для этого достаточно изменить движение тока в обмотке на противоположное сменой полярности на источнике. 

В следующей таблице представлены основные исторические этапы создания электрических двигателей постоянного тока.

В этот период господствовал постоянный ток, но его нельзя было эффективно передавать на большие расстояния.

Электродвигатели переменного тока отличаются от предыдущих конструкций тем, что электрический ток, протекающий в их обмотке, описывается по синусоидальному гармоническому закону, периодически изменяющему свое направление (знак). Для их питания напряжение подается от генераторов со знакопеременной величиной. Статор таких двигателей выполняется магнитопроводом (рис.5). Его делают из ферромагнитных пластин с пазами, в которые помещают витки обмотки с конфигурацией рамки (катушки).

Асинхронный и синхронный электродвигатели (рис.6) отличаются принципом работы. На первый взгляд эти типы двигателей похожи: оба состоят из статора (неподвижной части с катушками) и ротора (подвижной части), оба работают на основе взаимодействия магнитных полей, которые создаёт электрический ток. Но между ними есть существенная разница, которая обусловлена конструктивными и эксплуатационными особенностями.

В следующей таблице представлены основные исторические этапы создания электрических двигателей переменного тока.

1.2Шаговый электродвигатель

Шаговый электродвигатель (рис.7) - это электромеханический преобразователь, относящийся к классу синхронных бесщеточных машин. Его фундаментальное отличие от двигателей непрерывного вращения заключается в дискретном характере преобразования энергии. Он трансформирует последовательность электрических импульсов управления в фиксированные угловые перемещения ротора — шаги. Работа в разомкнутом контуре позиционирования (отсутствие датчика обратной связи по положению ротора) является его архитектурной особенностью, определяющей как преимущества (простота, низкая стоимость системы), так и ключевое ограничение (потенциальная потеря шагов).

В шаговом электродвигателе с активным ротором (ротор с постоянными магнитами - PM ) конструкция статора следующая: имеет явно выраженные полюса с сосредоточенными обмотками; количество полюсов кратно числу фаз.Конструкция ротора: представляет собой цилиндрический постоянный магнит с радиальным направлением намагничивания, образующим четное число полюсов (северных и южных). Поверхность ротора часто выполняется зубчатой для улучшения геометрии магнитного поля.Наличие постоянного магнита обеспечивает значительный удерживающий момент (тормозной момент при обесточенном состоянии) и хорошее демпфирование собственных колебаний. Однако инерционность магнитного ротора ограничивает динамические характеристики и максимальную рабочую частоту.

В шаговом электродвигателе с реактивным (или переменным) магнитным сопротивлением(VR) конструкция статора следующая: аналогична PM-типу, имеет полюса с обмотками.Конструкция ротора: изготовлен из магнитомягкого ферромагнитного материала (например, электротехнической стали) и имеет форму зубчатого колеса или многолучевой звезды. Ротор не содержит постоянных магнитов.Движение происходит за счет минимизации магнитного сопротивления (реактанса) магнитной цепи. Ротор стремится занять положение, при котором магнитный поток, созданный током в обмотках статора, проходит по пути с минимальным сопротивлением, т.е. когда зубцы ротора и статора совмещаются. Характерны: простота и прочность конструкции ротора, низкая инерционность, способность работать на высоких скоростях. Не обладает удерживающим моментом при отключении питания. Момент, как правило, меньше, чем у гибридных или PM-двигателей такого-же размера.

В гибридном шаговом электродвигателе конструкция ротора следующая: состоит из двух идентичных половинок-секций из магнитомягкого материала с нанесенными на торцевую поверхность зубцами (обычно 50 зубцов). Между секциями установлен осевой постоянный магнит, намагничивающий их в противоположных направлениях: одна секция становится «северным» полюсом, вторая — «южным». Зубцы на двух секциях сдвинуты относительно друг друга на половину зубцового деления (шага зуба). Статор имеет зубцы, количество которых отличается от числа зубцов ротора. На полюсах статора расположены катушки обмоток управления, обычно скомпонованные в две двухфазные группы. Характерны: малый угол шага, высокий удерживающий и динамический момент, хорошая точность позиционирования.

Биполярный шаговый электродвигатель имеет одну обмотку в каждой фазе. Для изменения направления магнитного поля обмотка переполюсовывается драйвером.

Униполярный имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки.

Работа любого шагового двигателя основана на последовательном перемагничивании магнитной системы для создания дискретного вращающего момента.

При подаче тока в одну из фаз статора создается стационарное магнитное поле.Магнитный поток замыкается через статор, воздушный зазор и ротор. В гибридном и PM двигателях возникает сила взаимодействия между этим полем и полем постоянного магнита ротора. В VR двигателе возникает сила, стремящаяся уменьшить магнитное сопротивление цепи, т.е. совместить зубцы.Ротор поворачивается до положения магнитного равновесия, где результирующий момент равен нулю. Это положение называется устойчивой точкой равновесия.

Работа шагового электродвигателя невозможна без внешней электронной системы.

1. Контроллер (логика): формирует последовательность направляющих импульсов (STEP), сигнала направления (DIR) и включения (ENABLE) на основе алгоритма работы. Часто реализуется на микроконтроллере (Arduino, STM32) или специализированной плате ЧПУ (GRBL, Marlin).

2. Драйвер (силовая часть): преобразует слабые логические сигналы от контроллера в мощные токовые импульсы, коммутируемые через обмотки двигателя. Современные драйверы (например, на чипах TB6600, DRV8825, TMC2209) реализуют все режимы шага, защиту от перегрузки и перегрева, а также алгоритмы микрошага.Критически важный элемент драйвера — схема стабилизации тока (чаще всего по принципу ШИМ-модуляции с детектированием тока). Она обеспечивает поддержание заданного тока в обмотке независимо от ее индуктивности и скорости изменения ЭДС, что напрямую определяет стабильность момента на всех скоростях.

Шаговый электродвигатель является нелинейной электромеханической системой. Его динамика описывается системой дифференциальных уравнений. Потеря шагов — фундаментальная проблема разомкнутого контура. Она возникает, когда электромагнитный момент, развиваемый двигателем, становится меньше суммы момента нагрузки и динамического момента, необходимого для разгона/торможения инерционной массы. При этом ротор не достигает следующей расчетной устойчивой точки. Поскольку система не имеет обратной связи, контроллер продолжает отсчет импульсов, не зная о реальном положении, что приводит к накоплению неисправимой ошибки позиционирования. Борьба с этим явлением ведется через правильный выбор двигателя с запасом по моменту, использование микрошага для плавного разгона и оптимизацию профилей движения (трапециевидные или S-образные разгоны).

Таким образом, шаговый электродвигатель представляет собой сложную электромеханическую систему, чья эффективная работа является результатом точного согласования его конструктивных параметров, режимов коммутации и алгоритмов электронного управления. Его эволюция от простого электромагнита телетайпа до высокоточного привода аддитивных машин иллюстрирует путь инженерной мысли, направленной на воплощение цифровых команд в точное физическое движение.

1.3 Сферы использованияэлектродвигателей.

ГЛАВА 2

Как продукт моего проекта, я выбрал макет сверлильного станка ЧПУ. Выбор пал именно на это устройство потому, что это интересно и познавательно.

2.1 Подключение двигателя, настройка его работы

В проекте будет использован шаговый электродвигатель. Мной был взят шаговый двигатель DENKI 103G770-2521(рис.8).

Характеристики данной модели.

· Тип: Шаговый двигатель

· Модель: 103G770-2521

· Напряжение: DC 4.1 В

· Ток: 1.1A

· Угол шага: 1.8°

· Класс изоляции: B

· Производитель: DENKI CO., LTD. (Япония)

У данного ШД 6 обмоток(4 основных, 2 промежуточных) соединенных последовательно, сопротивление между парными основными 10 Ом, между основными и промежуточными 6 Ом. Двигатель работает от постоянного тока. Для работы двигателя нужен блок питания и контроллер.

Первым делом я подобрал с помощью интернета и маркетплейса(Ozon) программируемый контроллер(драйвер) модели ZK-SMC02.

Характеристики.

1. Название продукта: ZK-SMC02 ЧПУ Драйвер шагового двигателя

2. Входное напряжение: DC 5В-30В

3. Входной\выходной ток: 2\0,5 А (макс)

4. Управляемые оси: Одна ось

5. Скорость управления: 0.1-999 об/мин

6. Количество импульсов вперед: 1-9999999

7. Количество импульсов назад: 1-9999999

8. Количество циклов: 1-9999

9. Время задержки вперед: 0.0-999.9с

10. Время задержки назад: 0.0-999.9с

11. Субдискретизация (микрошаг): 1/2/4/8/16/32

12. Управление разгоном и торможением: да

13. Защита от обратной полярности на входе: да

14. Режимы управления: авто/ручной/настройка

Я выбрал данный контроллер потому, что он лучше всех подходит по параметрам к моему шд, а также роль сыграла цена и легкость в управлении и настройке.

Я подключил контроллер(рис.9) и шд между собой, и начал подбирать блок питания, где столкнулся с первой проблемой. Мной был взят блок питания, который на выходе давал 9 В(вольт) и 0.6A(ампер). Проведя пару тестовых запусков, я выяснил что 0,6А, чего катастрофически не хватает для работы.

Далее я попробовал подключить блок питания с выходом 12 В; 3 A этот же блок уже смог обеспечить стабильную работу шд.

Для проверки работоспособности я собрал простейшую установку (рис.10) используя для этого ходовой винт и передвигающийся по нему металлический куб. С помощью контроллера на определенную обмотку ШД поступает импульс,ШД крутит рейку, по которой перемещается блок. С помощью этого устройства я научился управлять системой, а также разобрал все режимы контроллера. У драйвера есть 9 режимов, мне для продукта потребуются 1 и 7. 1 режим- ручное передвижение, пока оператор вращает регулятор, двигатель крутится в том направлении, в котором оператор и вращает регулятор. 7 режим- оператор выбирает нужное для себя количество шагов, зажимает кнопку (CW), и отпускает кнопку в нужный момент. двигатель совершает работу, пока оператор совершает вышеперечисленные действия, а после возвращается в исходную точку.

2.2 Изготовка конечного устройства

После того, как я подобрал и собрал все комплектующие основной системы, я принялся к созданию нового устройства на основе системы.Моим устройством стала модель станка ЧПУ. Задумка проекта такова: оператор подносит заготовку к станку, подключенному к сети 220 В, нажимает комбинацию кнопок, настраивает мощность двигателя со 2 установки, и опускает вторую установку с режущим инструментом(сверлом). На выходе мы получаем заготовку с проделанным в ней отверстием.

Далее я стал подбирать электродвигатель, который будет раскручивать цангу со сверлом.Такой двигатель я нашел у себя дома, в старом устройстве (пилка для ногтей). Разобрав это устройство, я достал и контроллер мощности для этого двигателя. К контроллеру я подключил блок питания, который не подошел к шд (9 В; 0,6A). Мощность данного двигателя в разы меньше, чем у шд, и мощность от блока, подключенного к нему, идеально совпала.

По задумке этот двигатель будет перемещаться, поэтому я взял длинный провод от зарядки и приподнял один конец к контроллеру, а другой к двигателю(рис.11,12). Также к двигателю закрепил цангу, которая должна зажимать сверла.

Для закрепления всей системы, была изготовлена деревянная конструкция(рис.13). Для устойчивости конструкции я прикрепил к ней 4 резиновые ножки. К верхней балке я закрепил систему с шаговым двигателем и рейкой. К подвижному блоку я прикрепил электродвигатель.

Для контроллера шагового двигателя и контроллера мощности я подготовил коробку от телефона с прорезами для них. Также я сделал прорез под вход провода от блока питания.Закрепив на установке все системы, я столкнулся с проблемой: от двух систем шло два блока питания. В этом нет ничего страшного, однако это не удобно. Чтобы решить эту проблему я заказал регулятор напряжения, чтобы все двигатели подключить к блоку питания (12 В; 3 A).

2.3 Мои исследования.

Необходимо отметить, что работа модель станка ЧПУ на основе ШД ещё требует усовершенствований, но вот, что уже исследовано и выполнено, представлено в таблице.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электродвигатели создавались и совершенствовались на протяжении полувека, они не являются невероятно сложными машинами, работают они на простых законах физики. В современном мире электродвигатели незаменимы и применяются повсюду, являясь самыми распространёнными, эффективными, экономичными и экологически чистыми видами двигателей.

Жизнь современного человека немыслима без использования электродвигателей. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, электрической мясорубке, кухонном комбайне, кофемолке, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками.

Задачи, поставленные мною в начале работы, были решены, цель достигнута. Гипотеза подтверждена.

Работа над проектом позволила исследовать принцип работы, устройство шагового двигателя и его характеристики, собрать рабочую модель сверлильного станка ЧПУ (видео работы модели по сслыке: https://disk.yandex.ru/i/N0wHCxOXc1KImQ), провести проверку работоспособности устройства, систематизировать результаты. Предложенная модель будет полезна при проведении уроков физики для лучшего понимания работы электродвигателей.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. https://www.asutpp.ru/prostoy-elektrodvigatel-svoimi-rukami.html

2. https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/history/

3. https://infourok.ru

4. https://resh.edu.ru/subject/lesson/3806/conspect/46747

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Шаговый_электродвигатель

6. https://olymp.hse.ru/mirror/pubs/share/854940872.pdf

7. https://www.asutpp.ru/shagovyy-dvigatel.html

8. https://school-science.ru/25/11/62186

9. https://inner.su/articles/shagovye-dvigateli/

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис.1 Простейший электродвигатель

Рисунок 1.1

Рис.2 Упрощённая схема конструкции электродвигателя

Рис.3 Принцип устройства электродвигателя постоянного тока

Рис.4 Конструкция якоря электродвигателя постоянного тока

Рис.5 Магнитопровод статора

Рис.6 Асинхронный и синхронный двигатели

Рис.7 Шаговый электродвигатель

Рис.8 Шаговый двигатель DENKI 103G770-2521

Р

Рис.9 Контроллер Рис.10 Установка для проверки работоспособности

Рис. 11

Рис.12

Усовершенствование конструкции

Рис.13 Установка для модели станка ЧПУ на основе ШД