Шаговый электродвигатель

(51)5 Н 02 К 41 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ТОРСКО ИДЕТЕЛ ЪСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Конструкторское бюро точного электронного машиностроения(57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам линейного перемещения. Целью изобретенияявляется увеличение тягового усилия, Электродвигатель содержит статор 1 с сетчатойзубчатой структурой и якорь 2, включающийв себя два сердечника 8 и 9 с пазами 10,образующих зубчатые полюса 11-13 на сердечнике 8 и зубчатые полюса 14-16 на сердечнике 9. Между сердечниками размещен постоянный магнит 18. На каждом из полюсов имеются группы зубцов, сдвинутых относительно зубцов статора. Каждый полюс с помощью дополнительного паза 17 выполнен раздвоенным с образованием двух зубцовых зон, смещенных одна относительно другой на половину зубцового шага. Раздвоенные полюса противоположных сердечников расположены соосно в плоскостях, параллельных между собойи перпендикулярных оси перемещения, и содержат фазные катушки, выполненные в виде восьмерок, объединяющих раздвоенные соосно расположенные полюса сердечников в пары. Положительный эффектдостигается согласованием магнитных потоков и 3 соответственным увеличением намагничивающей силы. 14 ил.СИзобретение относится к электротехнике, электродвигателям линейного и вращательного перемещения и может быть использовано в позиционных устройствах.Целью изобретения является увеличение тягового усилия.На фиг.1 показана конструктивная схема электродвигателя; на фиг.2 - магнит, аксонометрия; на фир.З - разрезы А - А и Б-Б на фиг.2; на фиг,4 - схема включения 8-образных катушек в трехфазном выполнении; на фиг.5 - 13 - схемы, поясняющие физическую су;цность работы электродвигателя; на фиг.14 - диаграммы токов в катушках.Шаговый электродвигатель содержит ферромагнитный зубчатый статор 1 и якорь 2 (фиг.1), Статор 1 выполнен в виде листа из ферромагнитного материала с сетчатой зубцовой структурой по осям Х и У. Пазы 3 зубцов 4 выполнены немагнитным материалом, Якорь 2 содержит два параллельных магнита 5 для движения по оси Х и два параллельных магнита 6 для движения по оси У. Каждый из магнитов, например магнит 5, содержит якорь 7 (фиг,2), включающий в себя два сердечника 8 и 9. Сердечники 8 и 9 имеют пазы 10, образующие зубчатые полюса 11 - 13 на сердечнике 8 и зубчатые полюса 14 - 16 на сердечнике 9.На каждом из полюсов имеются группы зубцов, сдвинутых относительно зубцов статора 1. Полюса 11 - 13 сердечника 8 и полюса 14 - 16 сердечника 9 выполнены раздвоенными с помощью дополнительного паза 17, перпендикулярного оси движения Х. При этом на каждом из раздвоенных полюсов сердечников 8 и 9 образуются по две зубцовые зоны (фиг. 3).Зубцовые зоны раздвоенных полюсов 11-13 сердечника 8 обозначены как а 1 и а 2, Ь 1 и Ь 2, с 1 и сг, зубцовые зоны раздвоенных полюсов 14 - 16 сердечника 9 обозначены соответственно как а и аг, Ь 1 и Ьг, с 1 и сг. Раздвоенный полюс 11 сердечника 8 и раздвоенный полюс 14 сердечника 9, раздвоенный полюс 12 сердечника 8 и раздвоенный полюс 15 сердечника 9, раздвоенный полюс 13 сердечника 8 и раздвоенный полюс 16 сердечника 9 расположены соосно в плоскостях, О, Е, Р, перпендикулярных оси движения Х и параллельных между собой. Для двигателей вращательного перемещения оси раздвоенных полюсов расположены в радиальных плоскостях, проходящих через ось ротора и его образующую. Указанные плоскости в шаговых электродвигателях как линейного, так и вращательного перемещений расположены одна от другой на расстоянии, кратном 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1/Зг при трехфазном выполнении, например т(п.й 2/3).На раздвоенном полюсе 11 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе 14 сердечника 9 расположена фазная катушка А, на раздвоенном полюсе 12 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе 14 сердечника 9 расположена фазная катушка В, на раздвоенном полюсе 13 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе 16 сердечника 9 расположена фазная катушка С (фиг.2-4).Для согласования магнитных потоков в сердечниках 8 и 9 фазные катушки выполнены в виде восьмерок, объединяющих указанные противолежащие соосно расположенные полюса в пары: полюса 11 и 14, фазная катушка А - первая пара; полюса 12 и 15, фазнаякатушка В - вторая пара; полюса 13 и 16, фазная катушка С - третья пара,При указанном расположении пар раздвоенных полюсов сдвиг зубцов в зубцовых зонах раздвоенных полюсов относительно зубцов статора равен: в первой паре а и аг соответственно О и 1/2, а 1 и аг О и 1/2; во второй паре Ь 1 и Ь 2 соответственно 2/3 и 1/6, Ь и Ьг 2/3 и 1/6; в третьей паре с и сг соответственно 1/3 и 5/6, с 1 и сг 1/3 и 5/6.Между сердечниками 8 и 9 расположен постоянный магнит 18, ось намагниченности которого направлена вдоль пазов 10 и 17, перпендикулярных оси движения. Постоянный магнит 18 выполнен в виде пластин, например, из редкоземельных материалов. Фазность устройства может быть различная: 2, 3, 4 Таким образом, при в-фазном выполнении на сердечниках 8 и 9 имеется по 2 в зубчатых полюсов с учетом раздвоенности и гп-фазных катушек, выполненных в виде восьмерок.Аналогично устроен магнит 6 в якоре 2 для движения по оси У.Шаговый электродвигатель работает следующим образом.Для создания магнитовоздушной подвески в якорь 2 подается сжатый воздух. Сила притяжения, создаваемая магнитной связью между статором 1 и якорем 2, и сила отталкивания, образуемая давлением воздуха, создают стабилизированный воздушный зазор д(фиг,З) между ними,Якорь 2 перемещается без трения по статору 1 вдоль оси Х следующим образом.В фазные катушки А, В, С магнита 5 от схемы управления подаются двунаправленные токи, при этом суммарный вектор магнитной индукции при сложении отдельных составляющих испытывает смещение изаставляет перемещаться якорь 2 в зависимости от полярности тока в ту или иную сторону по оси Х. Под двунаправленными токами имеется ввиду условное направление к центру трехлучевой звезды (+) и от центра (-).Так как обмотки выполнены в виде восьмерок, то каждая из обмоток А, В, С состоит из двух витков; А(А 1, А 2), В (В 1, В 2), С (С 1, С 2) причем направления тока в каждом витке восьмерки противоположны,Нэ фиг.З, 5-13 постоянный ток показан сплошной жирной линией, переменный"- пунктирной линией. Так, например, при полярности тока в фазных катушках (фиг.5) магнитный поток оттока в катушках складывается с магнитным потоком от постоянного магнита, при этом под зубцовыми зонами а 1 и амагнитный поток достигает максимального значения, под зубцовыми зонами Ь 2 и Ь 2, с 2 и с 2 распределяется поровну с противоположным направлением тягового усилия, а под зубцовыми зонами а 2 и а 2,Ь 1 и Ь 1, С 1 и С 1 умЕньшаЕтСя да нуля.Там, где магнитное поле усиливается под полюсами, это показано тремя сплошными линиями (фиг.5), где поле ослабляется, оно показано одной сплошной линией, В результате указанного распределения магнитных потоков якорь 2 находится в равновесном положении. При мгновенном переключении с изменением направления тока в фазных катушках В (фиг.6) возникает рассогласование в усилиях и появляется составляющая тягового усилия, направленного по ходу желаемого перемещения, например вправо, При этом под зубцовымиlзонами а 1 и а 1 магнитный поток уменьшается, под зубцовыми зонами Ь 1 и Ь 1 увеличивается и становится равным и противоположным по направлению магнитному потоку под зубцовыми зонами а 1 и а 1, под зубцовыми зонами с 2 и с 2 становится максимальным, а под зубцовыми зонами а 2 и а 2, Ь 2 и Ь 2, с 1 и с 1 уменьшается до нуля.В результате этого якорь 2 переходит в новое равновесное положение (фиг,7), совершая дискретное перемещение на шаг Л, При поочередном изменении направления тока в фазных катушках с мгновенным переключением в двух из шести катушек за счет смещения вектора магнитной индукции происходит перемещение якоря 2 по шагам в выбранном направлении аналогично описанному (фиг,8 - 13).Для перемещения якоря 2 в обратном направлении изменяется порядок коммутации фазных катушек на обратный. Для согласованного перемещения в направлении координатной оси включается от схемы уп 25 Р = р(байр)2 аа где С = -- магнитная проводимость на0р30 пару полюсов;Ойр - намагничивающая сила (н.с.) напару полюсов.Магнитная проводимость может бытьопределена из известного выражения35С =,ио(х) где- длина полюсной части;40- длина пакета сердечника;д - воздушный зазор;1(х) - некоторая функция, описывающаянелинейный характер изменения магнитной проводимости.45 Магнитная проводимость магнита известного устройства т(х) =р 42 6 =,сто0 р 2 =до на пару полюсов магнитная проводимость(х). э6 = - =,сс,рдДля предлагаемполовинки (зубцовоиполюса равна Ы 2. о устроиствэ длизоны) раздвоенн равления еще один магнит 5, Аналогично происходит перемещение якоря 2 вдоль координатной оси У при включении магнитов 6, При одновременнойподаче токов в маг ниты 5 и 6 можно получить перемещениякорпуса под различными углами к координатным осям Х и У. При коммутации в фазных катушках непрерывно меняющейся трехфазной системы токов устройство может работать 10 в режиме. непрерывного движения как трехфазный синхронный электродвигатель,.Рассмотрим конструктивные схемы известного и предлагаемого устройств равных объемов. Длина сердечников, длина и высо тапакетасердечника принимается равной,т,е. рассматриваем кубики равного объема при равной фазности,. например е=З, и числе пар полюсов р=З для известного устройства и р=6 дл предлагаемого. Зубцовый 20 шаг принимаем равным, например, т. Длину полюса принимаем равной= 2 т, Длину сердечника принимаем равной, например,1,Как известно, тяговое усилие равно1728943 Длина полюсной части сердечниковр 2 =рЬ.Ь2Магнитная проводимость для магнита (р=б) 6 (+)6 =,о д 1(х) =,йо д т(х) и на пару полюсовмагнитная проводимость Ь = - =,йо - (х) =,о - (х), 0 33 14 р 6 д 2 д Так как полюс раздвоенный, то проводимость пары раздвоенных полюсов определяется путем сложения магнитных проводимостей в парах зубцовых зон раздвоенного полюса, как в параллельные цепи, т.е, магнитная проводимость пары раздвоенных полюсов равна а= - ,П 3 25 Для устройства, выполненного по изо(2) бретению,2 Еа 2= - =2 а,Я Из выражения (2) видно, что проводи масть пары раздвоенных полюсов предлагаемого устройства равна магнитной проводимости пары полюсов известного (1), За счет выполнения фазных катушек в виде восьмерок с образованием двух намагничивающих сил на пару полюсов 2 М/р увеличивается тяговое усилие.Если взять одинаковой длины провод и намотать его на сердечники обоих устройств, то в устройстве по изобретению тяговое усилие будет больше, Действительно, подставляя полученные выражения магнитных проводимостей и намагничивающих сил в выражение для тягового усилия получим для известного устройства и для предлагаемого=4 о1(х), Сравнивая приведенные выражения тягового усилия для обоих устройств, видно, что тяговое усилие в устройстве, выполненном по изобретению, в 2 раза больше тяго вого усилия известного устройства. Строгоговоря, длина провода будет несколько больше за счет переходов в месте переплетения восьмерки, но так как усилие возрастает, толщину пакетов сердечников можно 10 выполнить меньше. За счет увеличения тягового усилия при одной и той же массе магнитов предлагаемый электродвигатель развивает значительно большее ускорение,В известном выражении ускорение 15Еа= - ,где Е - усилие;в - масса устройства.20 Для прототипа получаем 30 т,е, ускорение, развиваемое приводом, в 2 раза больше, чем у прототипа. Формула изобретения 35 Шаговый электродвигатель, содержащий неподвижный ферромагнитный зубчатый статор, подвижный якорь, состоящий из сердечников с пазами, образующих полюса с группой зубцов на каждом полюсе, сдви нутых относительно зубцов статора, постоянный магнит, ось намагниченности которого направлена вдоль пазов сердечников, расположенный между сердечниками, и в-фазные катушки, расположенные на 45 сердечниках, отличающийся тем,что,с целью увеличения тягового усилия, сердечники снабжены дополнительными пазами, раздваивающими каждый полюс, а катушки выполнены в виде восьмерок, объ единяющих полюса противолежащих серх дечников в пары, которые расположенысоосно в плоскости, перпендикулярной оси перемещения.1728943 Г О+ иг Фиг 11 рре аоо каз 1413 ТиражВНИИПИ Государственного комитета по изобрете113035, Москва, Ж, Раушск дательский комбинат "Патент", г. Ужгор ст агари Составиктор О, Юрковецкая Техред М ь Т. Цынскоргентал Подписноеям и открытиям при ГКнаб., 4/5