На рис. 1.1 представлено поперечное сечение типичного современного ШД; это так называемый однопакетный реактивный двигатель. Для начала разберем (или изучим), как он работает. Сердечник статора имеет шесть выступающих зубцов, в го время как ротор всего четыре. Сердечники как ротора, так и статора выполнены из магнито-мягкой стали. Три набора обмоток расположены, как показано на рисунке. Каждый набор состоит из двух катушек, соединенных последовательно. Набор обмоток называется фазой, и, соответственно, машина — трехфазным двигателем. Ток на обмотки подается от источника постоянного тока через переключатели I, II и III. В положении (1) обмотка фазы I подключена к источнику через переключатель I или согласно технической терминологии возбуждена фаза I. Магнитный поток, возникающий в результате возбуждения, показан на рисунке стрелками. В положении (1) два выступающих зубца статора фазы I, будучи возбужденными, останавливаются на одной прямой с двумя из четырех зубцов ротора. В терминах динамики это положение является положением равновесия. Когда замыканием переключателя II в дополнение к фазе I возбуждается фаза II, в зубцах статора, соответствующих этой фазе, возникает магнитный поток, как показано на рисунке для положения (2), и вследствие "натяжения" в наклонных силовых линиях магнитного поля возникает вращающий момент. Ротор, в конце концов, принимает положение (5). Таким образом, за время выполнения одной операции переключения ротор поворачивается на фиксированный угол, который называется углом шага или шагом, в данном случае на 15. Если теперь разомкнуть переключатель I и отсоединить от источника питания фазу I, ротор повернется на следующие 15° и займет положение (4). Таким образом, угловым положением ротора в единицах угла шага можно управлять с помощью процесса переключения. Если переключения производят последовательно, то ротор будет вращаться шаговыми движениями, причем средней частотой вращения также можно управлять с помощью процесса переключения.

История возникновения шаговых двигателей

Выпуск ЛБЕ [1], опубликованный в 1927 г., включал описание трехфазного реактивного ШД рассмотренного выше типа, который был использован дня дистанционного управления индикатором направления торпедных аппаратов и орудий на военных кораблях Великобритании. Как показано на рис. 1.3, 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. В [1] подчеркивалось, что при конструировании этого простого ШД 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 дня достижения высокой приемистости. С этими проблемами до сих пор сталкиваются при создании современных двигателей. Как следует из [2], ШД позже применяли на военных кораблях в США дня аналогичных целей.

Впрочем, существуют примеры и более раннего применения ШД [3]: "Шаговые двигатели реактивного типа, применяемые в настоящее время как приборы управления позиционированием, были известны как "электрические моторы середины XIX века"; мы сошлемся на два заслуживающих внимания изобретения (1919 и 1920 гг., Великобритания). Зубчатая структура для минимизации шага. В 1919 г. инженером Уолкером из Абердена (Шотландия) был получен патент Великобритании [4] на изобретение конструкции ШД, вращающегося с малым шагом. На рис. 1.4, 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. Когда возбуждается фаза 1 и магнитный поток проходит по пути, отмеченному пунктиром, группы зубцов этой фазы устанавливаются напротив зубцов статора, как показано на рис. 1.4, б. В этом положении зубцы статора и ротора, относящиеся к фазам 2 я 3, должны расходиться друг относительно друга на 1/3 шага зубцов в противоположном направлении. Когда ток управления переключают с фазы 1 на фазу 2, ротор поворачивается по часовой стрелке на угол, равный в этом случае (360/32)/3 = 3,75. Однако, если ток управления подается на фазу 3, движение произойдет против часовой стрелки на такой же угол. В описании к патенту Уолкер представил чертежи ШД, известных сегодня как многопакетные реактивного типа, а также как линейные двигатели. Тем не менее до 1950-х годов двигателей, основанных на этих принципах, не выпускали. Создание большого вращающего момента с помощью торцевой конструкции типа "сандвич". В 1920 г. Чикин и Тейн получили патент [5] на изобретение ШД, создающего большой вращающий момент на единицу объема ротора. Продольное сечение конструкции приведено на рис. 1.5,а.

Отличительная черта конструкции состоит в том, что ротор, выполненный из магнито-мягкой стали, располагается между двумя зубцами статора, как показано на рис. 15,6. Такая структура способна создавать максимальный момент на единицу объема ротора. Однако впервые этот принцип для создания мощных ШД с цифровым управлением применила только в 70-е годы японская компания Fanuc Limited.