Резонансный двигатель: Резонанс шагового двигателя — статья

Резонанс шагового двигателя — статья

Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде
внезапного
падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект
проявляется
в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.

Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие
колебания. Дело
в том, что систему ротор – магнитное поле – статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота
колебаний
которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввиду сложной
конфигурации
магнитного поля, резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота
растет,
приближаясь к малоамплитудной частоте, которая более просто вычисляется количественно. Эта частота зависит
от угла
шага и от отношения момента удержания к моменту инерции ротора. Больший момент удержания и меньший момент
инерции
приводят к увеличению резонансной частоты.

Резонансная частота вычисляется по формуле:

F₀ = (N*T_H/(J_R+J_L))^0.5/4*pi,

где F₀ – резонансная частота,
N – число полных шагов на оборот,
T_H – момент удержания для используемого способа управления и тока фаз,
J_R – момент инерции ротора,
J_L – момент инерции нагрузки.

Необходимо заметить, что резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателя плюс
момент
инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтому резонансная частота ротора ненагруженного
двигателя, которая
иногда приводится среди параметров, имеет маленькую практическую ценность, так как любая нагрузка,
подсоединенная к
двигателю, изменит эту частоту.

купить шаговый двигатель

купить блок управления шаговым двигателем

На практике эффект резонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной. Момент на
частоте
резонанса равен нулю и без принятия специальных мер шаговый двигатель не может при разгоне пройти
резонансную частоту.
В любом случае, явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристики привода.

В системах с низким демпфированием существует опасность потери шагов или повышения шума, когда двигатель
работает
вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемы могут возникать и на гармониках частоты основного
резонанса.

Когда используется не микрошаговый режим, основной причиной появления колебаний является прерывистое
вращение ротора.
При осуществлении шага ротору толчком сообщается некоторая энергия. Этот толчок возбуждает колебания.
Энергия, которая
сообщается ротору в полушаговом режиме, составляет около 30% от энергии полного шага. Поэтому в полушаговом
режиме
амплитуда колебаний существенно меньше. В микрошаговом режиме с шагом 1/32 основного при каждом микрошаге
сообщается
всего около 0.1% от энергии полного шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонанса практически
незаметно.

Для борьбы с резонансом можно использовать различные методы. Например, применение эластичных материалов при
выполнении механических муфт связи с нагрузкой. Эластичный материал способствует поглощению энергии в
резонансной
системе, что приводит к затуханию паразитных колебаний. Другим способом является применение вязкого трения.
Выпускаются специальные демпферы, где внутри полого цилиндра, заполненного для борьбы с резонансом можно
использовать различные методы. Например, применение эластичных материалов при выполнении механических муфт
связи с
нагрузкой. Эластичный материал способствует поглощению энергии в резонансной системе, что приводит к
затуханию
паразитных колебаний. Другим способом является применение вязкого трения. Выпускаются специальные демпферы,
где внутри
полого цилиндра, заполненного вязкой кремнийорганической смазкой, может вращаться металлический диск. При
вращении
этой системы с ускорением диск испытывает вязкое трение, что эффективно демпфирует систему.

Существуют электрические методы борьбы с резонансом. Колеблющийся ротор приводит к возникновению в обмотках
статора
ЭДС. Если закоротить обмотки, которые на данном шаге не используются, это приведет к демпфированию
резонанса.

И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера шагового двигателя. Например, можно
использовать
тот факт, что при работе с двумя включенными фазами резонансная частота примерно на 20% выше, чем с одной
включенной
фазой. Если резонансная частота точно известна, то ее можно проходить, меняя режим работы.

Если это возможно, при старте и остановке нужно использовать частоты выше резонансной. Увеличение момента
инерции
системы ротор-нагрузка уменьшает резонансную частоту.

Самой эффективной мерой для борьбы с резонансом является применение микрошагового
режима.

Двигатели с резонансной трубой

Харьковский спортсмен чемпион Советского Союза Е. Вербицкий имеет немалый опыт работы с микролитражными двигателями. Мы публикуем статью Вербицкого, а которой подводится итоги его экспериментов. Думается, что статья представит интерес для наших читателей авиамоделистов.

     В последнее время многие авиамоделисты используют на микродвигателях эффект таи называемого настроенного выхлопа, другими словами, применяют резонансные выхлопные трубы. Иногда эти трубы именуют глушителями. Действительно, они уменьшают уровень шума работающего двигателя, но основное их назначение — повысить мощность. При правильном подборе резонансной выхлопной трубы и соответствующей переделки двигателя можно получить довольно ощутимый  прирост мощности.

     По некоторым данным настроенный выхлоп способствует повышению мощности на 20—25 процентов. Поскольку замер мощности — довольно непростой процесс, требующий специального оборудования, косвенно о мощности можно судить по оборотам коленчатого вала на одном и том же воздушном винте.

        Установка резонансной выхлопной грубы на двигатель «Супер-тигре G20/15» дала следующие результаты: на рабочем воздушном винте летающей модели серийный двигатель развивал 20 тысяч оборотов в минуту, после применения настроенного выхлопа — 21500—22500 об мим.

       Получить что-либо подобное другими усовершенствованиями и модернизацией очень трудно. Предлагается следующий способ переделки отечественных двигателей «Метеор», «ЦСКАМ» и импортного «Супер-тигре G20/15». все размеры на чертежах соответствуют «Супер-тигре», для остальных возможны некоторые незначительные отклонения.

        Пожалуй, самое сложное — это изготовить новый поршень. Для двигателей с настроенным выхлопом при положении поршня в верхней мертвой точке важно, чтобы полость картера не соединялась с атмосферой через выхлопное окно гильзы цилиндра, то есть не должно происходить декомпрессии картера. в серийных двигателях по другим соображениям подобное условие не выполняется, поэтому юбку нового поршня надо сделать длиннее  (рис.    1).

Чертежи резонансной трубы. Фото кликабельно

        О материале. В первом приближении можно взять любой серый чугун. Крайне необходимо обеспечить перпендикулярность осей поршня и поршневого пальца. Желательно, для двигателей с выхлопом назад («МВВСы) обязательно поршневой палец фиксировать  стопорными  кольцами,    которые изготовляются   из   стальной     проволоки диаметром 0,25—0,3 мм.

        Для получения желаемого эффекта настроенного выхлопа мы изменим диаграмму газораспределения двигателя. Фазу всасывания, которая а рассматриваемых двигателях не зависит от положения поршня и определяется всасывающим отверстием в коленчатом валу, оставить прежней. Фазу выхлопа увеличим, перепад в фазах выхлопа и перепуска доведем до 20—30 градусов, для чего верхнюю кромку выхлопного окна гильзы распилим на 1 — 1,4 мм. Перепускное окно гильзы не нужно изменять.

           На серийных двигателях фаза перепуска колеблется в пределах 140. В нашем случае она порядка 130 градусов. Для уменьшения фазы сделаем новый шатун с межосевым расстоянием 26 мм (в серийном варианте это расстояние равно 25,5 мм). При изготовлении шатуна (материал—прокатный Д16Т) важно выдержать параллельность осей пальца кривошипа и пальца поршня.

        Остальные размеры оставим такими же, как на  серийном  образце.

      Мощность двигателя в некоторой степени зависит от геометрической формы внутренней части головки цилиндра. Существуют различные конфигурации головок. Предложенная на рис. 2 ныне применяется многими спортсменами. Обратите внимание на небольшую конусность торцевой внутренней части (3 ), необходимую для предотвращения гидравлического удара при положении поршня в верхней мертвой точке.

        Особенно большое значение для нормальной работы двигателя имеет правильно подобранная степень сжатия, которая определяется объёмом камеры сгорания. Объём лучше всего замерять медицинским шприцем. В двигателях без резонансной трубы этот объем равен 0,3 см³, в нашем случае мы ее увеличим до 0,34- 0,36 см³ то есть несколько уменьшим степень сжатия. Головка цилиндра из Д16Т, Д1Т, АК-6  или  АК-8.

     Противовес коленчатого вала обрабатывается (рис. 3) так, чтобы вырез на юбке поршня был как можно меньше. Без такого выреза обойтись нельзя. В нижней мертвой точке поршень не должен касаться коленчатого вала. Слишком большой вырез может привести к декомпрессии картера при положении поршня в верхней мертвой точке.

        Новая задняя крышка картера изготавливается по  рис. 4.

        Резонансная труба устанавливается на двигателе посредством переходника (рис. 5), который через уплотнительную прокладку из паранита прикрепляется к выхлопному патрубку. Установить переходник можно по-разному. На картере двигателя  «Супер-тигре», например, предусмотрены две проушины. Главным условием здесь является герметичность системы: резонансная труба — переходник — картер двигателя. Важно, чтобы стыковка   резонансной    трубы и переходника ни в коем случае не была жесткой. Лучше всего применить селиконовую  (жаростойкую)  резину  (рис. 6).

        Резонансную трубу (рис. 7) можно сделать на токарном станке из магниевого сплава МА-8 или дюраля Д16Т. Она состоит из двух частей: переднего и заднего конусов, соединенных клеем БФ-2 или эпоксидной смолой ЭД-5, или ЭД-6.

       Некоторые спортсмены успешно применяют точечную сварку для изготовления труб из листового титана или тонкой   нержавеющей стали.

         Резонансную трубу на токарном станке изготовляют а такой последовательности:

1. Заготовку диаметром 294-30 мм и длиной 183 мм установить в патроне токарного станка и расточить внутреннюю цилиндрическую поверхность входной части переднего конуса.
2. Не снимав детали, подпереть консольную часть вращающимся центром задней бабки станка. Выточить наружную цилиндрическую поверхность входной части  трубы  (рис.  8).
3. Изготовить упорную пяту под вращающийся центр (рис.   9)
4. Деталь установить в патроне станка, как показано на рис. 10. Расточить внутреннюю   часть   конуса.
5. Установить деталь (рис. 11), подпереть вращающимся центром (через упорную пяту) и выточить наружную поверхность конуса. Деталь готова.

      Аналогичным образом делается и задний конус резонансной трубы, правда, упорная пята здесь несколько другая (рис. 12).

       Заключительная операция — склеить оба конуса между собой.

      Предложенная выхлопная труба, применительно к указанным мною двигателям, рассчитана на обороты 21 500—22 500 об/мин. Тщательно надо подбирать винт. На слишком большом винте (аэродинамически тяжелом) двигатель не сможет выйти на обороты, близкие к резонансным, и труба, как говорят, не «включится». На аэродинамически легком винте труба не позволит выйти на обороты выше резонансных. Двигатель будет не догружен, и коэффициент полезного действия такой системы ниже оптимального.

        Как подбирать винт? На двигатель с трубой, топливная система которого уже отлажена на винте первого приближения, изготовим заранее несколько больший винт, чтобы труба на нем в полете не «включалась». Постепенно облегчим его (уменьшением диаметра и ширины лопасти) до появления резонансного режима. Такой винт можно считать правильно подобранным, разумеется, при полном соответствии всем другим расчетным данным.

Инженер Е. ВЕРБИЦКИЙ. Харьков.

Чемпион Советского Союза. Мастер спорта международного класса

        Как работает резонансная труба

        Резонансные трубы для кордового пилотажа

        Двигатель для скоростной модели

        Пилотажные двигатели с дудками (трубами)

Резонанс (электродвигатели)

3.14.5
Каждый механический объект имеет свойства массы, жесткости и демпфирования, которые определяют его собственную частоту колебаний. Масса — это объем материала, умноженный на его плотность в
раз. Жесткость зависит от эластичности материала. Демпфирование является мерой способности системы рассеивать вибрационную энергию.
Собственная частота прямо пропорциональна жесткости и обратно пропорциональна массе. Это частота, с которой объект будет вибрировать при ударе.
Такие материалы, как мягкая резина, обладают высоким уровнем демпфирования и низкой жесткостью и имеют тенденцию поглощать и рассеивать вибрацию. Большинство твердых материалов имеют более высокую жесткость и более низкий уровень демпфирования. Коэффициент демпфирования определяет скорость потери энергии в окружающую среду. Коэффициент демпфирования является нелинейным параметром и изменяется со скоростью. Для данной конструкции существует частота, при которой коэффициент демпфирования приближается к нулю, и поэтому поглощается очень мало энергии колебаний.
Резонанс и критические скорости — это частоты, которые определяются собственными частотами, демпфированием и вибрационными силами. Резонанс — это состояние конструкции, при котором частота вибрационной силы, такой как дисбаланс массы, равна собственной частоте системы. Если вибрационная сила создается вращающейся частью, резонанс называется критической скоростью.
Структура или объект могут возбуждаться одной или несколькими вибрационными силами. Вибрационные силы могут быть вызваны различными факторами, в том числе конструкцией, монтажом, изготовлением и износом, либо сила может иметь одну постоянную частоту, как это происходит при неуравновешенности масс.
Вращающийся узел с любым конечным дисбалансом действует как вибровозбудитель и создает силу при вращении. Это называется частотой возбуждения. Когда собственная частота и частота возбуждения совпадают, говорят, что существует состояние резонанса. Когда скорость вращения приближается к резонансной частоте, действие силы увеличивается. На резонансной частоте амплитуды колебаний могут стать очень большими. Если уровень скорости близок к резонансной частоте, очень низкий уровень дисбаланса может по-прежнему генерировать неприемлемые амплитуды вибрации.
Когда скорость вращения достигает резонансной частоты, опорная конструкция начинает вибрировать непосредственно от возбуждающей силы (фазовый сдвиг = 0°). По мере увеличения скорости ближе к резонансу фаза начинает сдвигаться до тех пор, пока в резонансе не произойдет сдвиг фазы на 90°. Поскольку скорость вращения продолжает увеличиваться, фаза продолжает изменяться, пока не достигнет оппозиции (фазовый сдвиг = 180°).
Балансировка требует точного знания как величины, так и местоположения дисбаланса, поэтому следует избегать скоростей балансировки, близких к резонансу. Небольшое изменение скорости приведет к большому изменению как количества, так и угла измеряемого сигнала, и результаты будут неверными.
Иногда оборудование предназначено для подчеркивания резонансной частоты. Камертон или фортепианная струна производят сильные колебания на резонансной частоте, что полезно; однако это не относится к жесткому ротору, где требуется прямо противоположное условие.
Вибрации с большой амплитудой могут вызвать преждевременное усталостное разрушение. Энергия, затрачиваемая на такие колебания, вызывает значительные потери мощности и снижение скорости. Кроме того, уровень шума от вибрации может раздражать оператора, а также наносить ущерб компонентам, окружающим подшипники.
Из этого следует, что по мере увеличения скорости и плотности удержание резонанса вдали от рабочей скорости является важной частью работы проектировщика сборки. Обеспечение того, чтобы скорость балансировки и конструкция инструмента избегали резонанса, является важной частью работы производителей балансировочных станков и инструментов.

Линейные резонансные приводы – LRA

В рамках линейки вибрационных двигателей Precision Haptic™ мы предлагаем несколько типов вибрационных двигателей с линейным резонансным приводом (LRA) (также известных как линейные вибраторы). Двигатели LRA отличаются от вибрационных двигателей с эксцентриковыми вращающимися массами (ERM) тем, как они работают, как они используются и как долго они служат.

Если у вас есть приложение, требующее устойчивой вибрации или высокой достоверности рейтинга MTTF, рассмотрите наши вибрационные двигатели с линейным резонансным приводом в качестве альтернативы бесщеточным вибрационным двигателям с длительным сроком службы. Но имейте в виду, что более длительный срок службы и более высокий уровень контроля немного усложняются — продолжайте читать, чтобы узнать больше.

Общая конструкция линейного вибратора LRA с осью Y

На приведенном выше рисунке показано общее расположение деталей внутри вибрационного двигателя LRA с осью Y. Читатели, знакомые с аудиотехникой, заметят, что привод звуковой катушки очень похож на этот громкоговоритель. Однако вместо конуса, генерирующего волны звукового давления, имеется масса, генерирующая колебания.

Ниже приведен еще один LRA, который работает так же, однако колебания направлены только по оси Z. Это предлагает пользователям более широкий выбор дизайна, поскольку они могут создавать вибрации как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

Свяжитесь с нами по телефону

Поговорите с членом нашей команды.

Каталог двигателей

Ищете нашу продукцию?

Надежные, экономичные миниатюрные механизмы и двигатели, отвечающие вашим требованиям.

Магнитное поле создается звуковой катушкой, которая взаимодействует с массой магнита, подвешенной на пружине. Поскольку магнитное поле изменяется в зависимости от приложенного управляющего сигнала, магнит и масса перемещаются вверх и вниз при взаимодействии с пружиной.

Резонансная частота работы

Опять же, те читатели, которые знакомы с вибрацией, радиочастотой или аудиотехникой, быстро заметят, что прикрепление груза к пружине вызывает эффект резонанса. Сочетание жесткости пружины, массы и размера магнита/катушки приводит к тому, что линейный вибратор имеет собственную резонансную частоту.

На этой собственной резонансной частоте LRA работает наиболее эффективно, как видно из зависимости выходной амплитуды от частоты на графике Боде выше для нашего линейного резонансного актуатора C10-100.

Обычно для вибраторов с осью Y резонансные частоты составляют около 175–235 Гц, см. наш диапазон здесь.

Управление линейными резонансными приводами / линейными вибраторами

Линейные вибраторы

LRA должны приводиться в действие сигналом переменного тока, подобно громкоговорителю. Предпочтительно, чтобы этот сигнал был синусоидой на резонансной частоте, как показано ниже.

Форма управляющего сигнала, конечно, может быть модулирована по амплитуде для создания более сложных эффектов тактильной обратной связи.

Прочтите наш бюллетень по применению вибрационных двигателей LRA, чтобы узнать больше.

Увеличенный срок службы линейных вибраторов

В отличие от большинства вибрационных двигателей с электромеханической коммутацией, вибрационные двигатели LRA практически бесщеточные, поскольку для привода массы в них используется звуковая катушка. Это означает, что единственными движущимися частями, которые могут выйти из строя, являются пружины. Эти пружины смоделированы с помощью анализа методом конечных элементов (FEA) и работают в пределах своей неусталостной зоны.

При незначительном механическом износе режимы отказа ограничиваются старением внутренних компонентов, что приводит к гораздо более длительному режиму отказа MTTF, чем у традиционных вибрационных двигателей с щеточным эксцентриком (ERM).