CZ2018696A3

CZ2018696A3 - 3D krokový motor

Info

Publication number: CZ2018696A3
Application number: CZ2018-696A
Authority: CZ
Inventors: Martin NOVÁK
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-07-01
Also published as: CZ308528B6

Abstract

3D krokový motor má rotor (1) ve tvaru koule, kde alespoň část jejího povrchu je opatřena pólovými nástavci (1-1) umístěnými v soustředných řadách nad sebou. Na rotor (1) je nasazen kryt (1-2) z magneticky nevodivého materiálu, který je opatřen otvory pro zaústění pólových nástavců (1-1) a jehož tloušťka je rovna délce pólových nástavců (1-1) rotoru. Stator (3) sestává z neferomagnetického horního držáku (2) a ze spodního držáku (4) z feromagnetického materiálu. Horní držák (2) svým tvarem kopíruje část rotoru (1) osazenou pólovými nástavci (1-1) a jsou v něm jedním koncem uchyceny pólové nástavce (3-1) statoru procházející cívkami (3-2) a majícími druhé konce uchyceny v otvorech spodního držáku (4). Pólové nástavce (3-1) statoru jsou vůči pólovým nástavcům (1-1) rotoru zarovnané ve dvou různých rovinách a uspořádány do opakujících se skupin tvořených vždy dvěma základními dvojicemi (A) orientovanými pod stejným úhlem φ, jaký svírají protilehlé pólové nástavce (1-1) rotoru. Od těchto dvou základních dvojic (A) jsou symetricky na obě strany další dvojice (B, C) pólových nástavců (3-1) statoru posunuty o úhel φ + xβ, kde β = φ/n, kde n je zvolený počet kroků motoru a kde x je pořadí dvojice (B, C) pólových nástavců (3-1) směrem od základní dvojice (A) a leží v rozmezí 1 až (n-1). Pólové nástavce (1-1) rotoru a pólové nástavce (3-1) statoru jsou uspořádány v řadách, jejichž minimální počet je 2 x n.

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká 3D krokového motoru, který muže pracovat například jako kulový kloub.

Dosavadní stav techniky

V současné době existují 2D krokové motory. V případě klasických krokových motorů realizují rotaci podle jedné osy, v případě lineárních krokových motorů je to pohyb v jedné rovině. Pro realizaci zařízení, které vyžaduje pohyb ve více osách, například kulový kloub, je možné tyto motory kombinovat s převody. Tím se dosáhne možnosti pohybu ve více osách.

Další možností je krokové, nebo jiné, motory kombinovat například s ozubením na kouli kulového kloubu, a tím požadovaný pohyb také realizovat. Jsou známá i další řešení, jako jsou lanka, táhla a podobně.

Nevýhodou výše uvedených řešení je, že se vždy jedná o kombinaci více různých elektrických a mechanických součástí jako jsou převody, ozubení a podobně.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje 3D krokový motor podle předkládaného řešení. Tento krokový motor je tvořený rotorem s pólovými nástavci a statorem se sestavou pólových nástavců a cívek. Pólové nástavce rotoru i pólové nástavce statoru jsou z feromagnetického materiálu a jsou vůči sobě v první rovině zarovnané tak, že některé pólové nástavce statoru jsou vůči pólovým nástavcům rotoru pod stejným úhlem φ a jiné jsou posunuté o 1/n úhlové rozteče. Toho se dosáhne tím, že pólové nástavce statoru jsou uspořádány do opakujících se skupin tvořených vždy dvěma základními dvojicemi pólových nástavců orientovanými pod stejným úhlem φ, jaký svírají protilehlé pólové nástavce rotoru, a od těchto dvou základních dvojic pólových nástavců jsou symetricky na obě strany další dvojice pólových nástavců posunuty o úhel φ+ χβ. V tomto vzorci je β = φ/η, kde n je zvolený počet kroků motoru a kde x je pořadí dvojice pólových nástavců směrem od základní dvojice pólových nástavců, a leží v rozmezí 1 až (n-1). Podstatou nového řešení je, že rotor je ve tvaru koule, kde alespoň část jejího povrchu je opatřena pólovými nástavci rotoru umístěnými v soustředných řadách nad sebou. V podélné ose rotoru je otvor pro uchycení k otáčenému zařízení. Na rotor je nasazen kryt z magneticky nevodivého materiálu, který je opatřen otvory pro zaústění pólových nástavců rotoru. Tloušťka krytu je rovna délce těchto pólových nástavců rotoru. Stator sestává z horního neferomagnetického držáku a ze spodního držáku z feromagnetického materiálu. Horní držák svým tvarem kopíruje část rotoru osazenou pólovými nástavci. V horním držáku jsou jedním koncem uchyceny pólové nástavce statoru procházející cívkami. Druhé konce pólových nástavců statoru jsou uchyceny v otvorech spodního držáku. Pólové nástavce statoru jsou vůči pólovým nástavcům rotoru zarovnané podle stejného algoritmu i ve druhé, vzhledem k první rovině libovolné, rovině. Pólové nástavce rotoru a pólové nástavce statoru jsou uspořádány v řadách, jejichž minimální počet je 2 x n.

Ve výhodném provedení je posunutí dvojic pólových nástavců statoru v obou rovinách shodné. Výhodné rovněž je, když základní dvojice pólových nástavců statoru mají prostřední pólový nástavec společný.

V dalším výhodném provedení má spodní držák statoru tvar části koule, jejíž velikost je dána velikostí plochy koule rotoru obsazené pólovými nástavci rotoru.

- 1 CZ 2018 - 696 A3

Povrchy krytu a/nebo horního držáku a/nebo pólových nástavců rotoru a/nebo pólových nástavců statoru mohou být opatřeny kluznou vrstvou s nízkým koeficientem tření. Účelem vrstvy je snížení tření mezi rotorem a statorem.

Další variantou je, že horní držák statoru je u svého dna opatřen rozváděči drážkou s alespoň jedním přívodním otvorem pro přívod kapaliny pod tlakem a u svého horního okraje je horní držák opatřen odváděči drážkou opatřenou alespoň jedním odtokovým otvorem pro odtok přiváděné kapaliny. Účelem kapaliny je snížení tření mezi rotorem a statorem.

Předkládané řešení představuje integrované řešení, které se obejde bez převodů, ozubení a dalších elektrických či mechanických přídavných zařízení.

Objasněni výkresů

Předkládané řešení a jeho účinky budou blíže vysvětleny pomocí přiložených výkresů. Obr. 1 znázorňuje pohled na celý 3D krokový motor. Na Obr. 2a je uveden rotor ve tvaru koule s pólovými nástavci a na Obr. 2b je uveden kryt rotoru. Obr. 3 znázorňuje sestavu pólových nástavců statoru, složenou z pólového nástavce statoru a cívky. Na Obr. 4 je uveden řez rotorem a pólovými nástavci statoru. Z tohoto obrázku je patrné zarovnání pólových nástavců statoru vůči rotoru pod různou úhlovou roztečí. Na Obr. 5 až Obr. 7 je uveden příklad uzavírání magnetického toku pro různé polohy rotoru. Obr. 8 znázorňuje rozmístění pólových nástavců rotoru. Obr. 9 znázorňuje výhodné provedení horního držáku statoru, kdy snížení tření mezi rotorem a statorem je snížené průtokem kapaliny.

Příklady uskutečnění vynálezu

Schéma příkladu provedení celého 3D krokového motoru je uvedeno na Obr. 1. 3D krokový motor je zde tvořený rotorem 1 je ve tvaru koule, Obr. 2a, kde alespoň část jejího povrchu je opatřena pólovými nástavci 1-1 rotoru umístěnými v soustředných řadách nad sebou. V podélné ose rotoru 1 je vytvořen otvor 1-3. který slouží pro uchycení dalších součástí, kterými má rotor 1 otáčet. Způsob uchycení je známý a není předmětem přihlášky vynálezu.

Na rotor 1 je nasazen kryt 1-2 z magneticky nevodivého materiálu, Obr. 2b, který je opatřen otvory pro zaústění pólových nástavců 1-1 rotoru. Tloušťka krytu 1-2 je rovna délce těchto pólových nástavců 1-1 rotoru. Stator 3 sestává z horního neferomagnetického držáku 2 a ze spodního držáku 4 z feromagnetického materiálu. Horní držák 2 svým tvarem kopíruje část rotoru 1, která je osazená pólovými nástavci 1-1 rotoru, Obr. 2b, který není na Obr. 2a pro přehlednost zobrazen. Z důvodů montáže krytu 1-2 na rotor j. je kryt 1-2 rozdělený na více dílů, na Obr. 2b je znázorněn rozdělený na 4 díly, je ale možné ale i jiné rozdělení. Kryt 1-2 rotoru 1 má stejnou tloušťku jako je délka pólových nástavců 1-1 rotoru. Funkce krytu 1-2 je zarovnání vnějšího povrchu rotoru 1 tak, aby byl povrch hladký. Tím dojde ke snížení tření mezi rotorem 1 a statorem 3. Kryt 1-2 rotoru 1 nesmí být vyrobený z feromagnetického materiálu, materiál by měl být elektricky nevodivý z důvodů snížení ztrát vířivými proudy. Ve výhodném provedení může být materiál krytu 1-2 rotoru i například z Polytetrafluorethylenu PTFE, případně z jiného materiálu s malým koeficientem tření.

V horním držáku 2 jsou jedním koncem fixovány pólové nástavce 3-1 statoru, které procházejí cívkami, a které mají své druhé konce uchyceny v otvorech spodního držáku 4. Pólové nástavce 3-1 statoru jsou vůči pólovým nástavcům 1-1 rotoru zarovnané ve dvou různých rovinách, které jsou nej častěji voleny jako na sebe kolmé. Pólové nástavce 3-1 statoru jsou uspořádány do opakujících se skupin tvořených vždy dvěma základními dvojicemi A pólových nástavců 3-1 statoru orientovanými pod stejným úhlem φ, jaký svírají protilehlé pólové nástavce 1-1 rotoru.

-2CZ 2018 - 696 A3

Od těchto dvou základních dvojic A pólových nástavců 3-1 statoru jsou symetricky na obě strany další dvojice B, C pólových nástavců 3-1 statoru posunuty o úhel φ + χβ. Zde je β = φ/η, kde n je zvolený počet kroků motoru a kde x je pořadí dvojice B, C pólových nástavců 3-1 statoru směrem od základní dvojice A pólových nástavců 3-1 statoru, a leží v rozmezí 1 až (n-1). Pólové nástavce 1-1 rotoru a pólové nástavce 3-1 statoru jsou uspořádány v řadách, jejichž minimální počet je 2 x n. Posunutí dvojic B a C může být v obou zvolených rovinách různé, ale nejčastěji se bude volit shodné, protože je to konstrukčně jednodušší, neboť pak pólové nástavce 3-1 statoru jsou rozložené po kružnici. V příkladu provedení je prostřední pólový nástavec 3-1 statoru pro základní dvojici A, Obr. 4 až Obr. 7.

Je výhodné, když je spodní držák 4 statoru 3 ve tvaru části koule, jejíž velikost je dána velikostí plochy koule rotoru 1 obsazené pólovými nástavci 1-1 rotoru.

Z důvodu snížení tření je výhodné, je-li povrch krytu 1-2 a/nebo povrch horního držáku 2 a/nebo povrch pólových nástavců 1-1 rotoru a/nebo pólových nástavců 3-1 statoru opatřen kluznou vrstvou s nízkým koeficientem tření, například PTFE - Polytetrafluorethylen, případně z jiného materiálu s malým koeficientem tření.

V uváděném provedení je horní držák 2 statoru 3 u svého dna opatřen rozváděči drážkou 2-1 s alespoň jedním přívodním otvorem 2-3 pro přívod kapaliny pod tlakem a u svého horního okraje je horní držák 2_opatřen odváděči drážkou 2-2 opatřenou alespoň jedním odtokovým otvorem N 4, Obr. 9.

Rotor 1 nemusí být opatřen pólovými nástavci 1-1 na celém povrchu. V uváděném příkladu provedení jsou pólové nástavce 1-1 rotoru na polovině jeho povrchu. Je možné i jiné rozložení, podle požadovaného rozsahu natočení rotoru T Uvedené pokrytí poloviny plochy rotoru 1 umožňuje jeho natočení o úhel ±90°. Pokud bude pokrytí plochy pólovými nástavci 1-1 větší, bude větší i úhel natočení.

Minimálně ta část plochy rotoru 1, která je opatřena pólovými nástavci 1-1. musí být vyrobena z feromagnetického materiálu.

Ve vyobrazeném příkladu výhodného provedení, Obr. 1, je spodní držák 4 minimálně takovou částí koule, aby do ní bylo možné přimontovat všechny sestavy pólových nástavců 3-1 statoru. Maximální část kulové plochy spodního držáku 4 pólových nástavců 3 statoru je ve vyobrazeném výhodném provedení omezená požadovaným úhlem natočení rotoru 1 tak, aby část kulové plochy spodního držáku 4 nebránila připojení rotoru 1 k části, s níž má rotor 1 otáčet. Spodní držák 4 a rovněž tak pólové nástavce 3-1 statoru musí být vyrobeny z feromagnetického materiálu, aby se přes něj uzavíral magnetický tok cívek 3-2. Ve spodním držáku 4 jsou otvory, do kterých jsou při montáži uchyceny pólové nástavce 3-1. statoru.

Na Obr. 4, jsou pólové nástavce 3-1 statoru vůči pólovým nástavců 1-1 rotoru zarovnané tak, že některé pólové nástavce 3-1. statoru jsou vůči pólovým nástavcům 1-1 rotoru pod stejným úhlem φ, jiné jsou posunuté o φ +1/3 φ, další jsou posunuté o φ + 2/3 φ. Posunutí o úhel φ + 1/3 φ, resp. φ + 2/3 φ je uvedené pouze jako příklad, jsou možná i jiná posunutí, v závislosti na počtu pólů rotoru a statoru, například 1/4, 1/5, 1/6, a tak dále. Toto posunutí je dáno počtem zvolených kroků n. Pólové nástavce 1-1 rotoru i pólové nástavce 3-1 statoru jsou zde uspořádané v řadách, jejichž počet musí být minimálně = 2 x n. Tedy pro případ posunutí o úhly φ + 1/3 φ, respektive φ + 2/3 φ je minimální počet řad 6, Pro případ posunutí o úhly φ + 1/4 φ, resp. φ + 2/4 φ, resp. φ + 3/4 φ by bylo řad minimálně 8. Obdobně lze vypočítat počet řad pólových nástavců 1-1 rotoru a pólových nástavců 3-1 statoru i pro další hodnoty zvoleného kroku.

Pohyb rotoru 1 bude vysvětlen v jedné rovině, která je znázorněná v řezu rotorem 1 na Obr. 4 podle roviny řezu A - A na Obr. 1.

-3 CZ 2018 - 696 A3

Obr. 5 znázorňuje počáteční polohu na základě, které bude popsán chod zařízení.

Je aktivována základní dvojice A cívek 3-2. s úhlovou roztečí^φ. Pro přehlednost nejsou na obr. 5 - 7 cívky 3-2 zobrazeny, jsou zobrazeny jen jim příslušné pólové nástavce 3-1. Vznikne tak magnetický tok - viz Obr. 5. Magnetický tok Φ tvořený cívkami 3-2 se uzavírá přes jeden pólový nástavec 3-1 statoru základní dvojice A, přes rotor 1, druhý pólový nástavec 3-1 statoru základní dvojice A a spodní držák 4, který zde z důvodu přehlednosti není uveden. Magnetický tok vytvoří sílu, která zarovná rotor 1 do polohy, ve které je nejmenší reluktance, to je do polohy, pro kterou si odpovídá úhlová rozteč pólových nástavců 1-1 rotoru s aktuálně napájenými cívkami 3-2. Příklad pohybu motoru směrem vpravo v jedné rovině je ukázán na Obr. 6. Je aktivována druhá dvojice B cívek 3-2, taková, která měla v počáteční poloze úhlovou rozteč φ + 1/3. Magnetický tok opět vytvoří sílu, která zarovná rotor 1 do polohy s nejmenší reluktancí a dojde k pootočení rotoru 1 o úhel φ. V dalším kroku je aktivována třetí dvojice C cívek 3-2. viz. Obr. 7, která měla oproti počáteční poloze úhel φ + 2/3, tedy oproti předchozí poloze úhel φ + 1/3. Magnetický tok opět vytvoří sílu, která zarovná rotor 1 do polohy s nejmenší reluktancí. Dojde k pootočení rotoru 1 opět o úhel φ. Vůči počáteční poloze tak došlo k pootočení rotoru 1 o úhel φ + 2/3. Další otočení je možné aktivováním stejné dvojice cívek, jako v počáteční poloze. Rotor se tedy s každým krokem otáčí o úhel 1/3 φ.

Na Obr. 8 je patrné rozmístění pólových nástavců 1-1 rotoru, kde jsou vyznačené řady pólových nástavců 1-1. Z obrázku je patrné, že jsou zarovnané vůči pólovým nástavcům 1-1 rotoru v jiných řadách pod jiným úhlem. Na příkladu provedení na Obr. 8 je pro ilustraci znázorněná řada pólových nástavců s úhlem ai a k ní sousední řada pólových nástavců s úhlem a2. Protože řady pólových nástavců 1-1 rotoru mají různé úhly, je možné aktivováním cívek 1-1 přitahovat zvolené pólové nástavce 1-1 rotoru a tím rotor ]_ natáčet v libovolné rovině.

Pohyb rotoru 1 je možný i v jiné rovině, než je popsáno na příkladu výše v rovině A - A. Aktivováním vhodné kombinace cívek 3-2 v jiných rovinách je možné přitáhnout pólové nástavce 1-1 rotoru i v jiných řadách. To umožňuje natáčet rotor j. nejenom v jedné, ale i v jiných rovinách.

Je možné i vzájemně aktivovat několik cívek 3-2 najednou, tedy více než dvě. a dosáhnout tak menšího kroku než 1/3 φ. V oboru krokových motorů se tomuto způsobu řízení říká řízení s polovičním krokem nebo eventuálně mikrokrokování a jeho provedení je oboru známé.

Jak již bylo uvedeno, může být tření mezi rotorem 1 a statorem 3 sníženo materiálem držáku pólových nástavců 3-1 statoru, například z PTFE. Další možností snížení tření mezi rotorem 1 a statorem 3 je průtokem kapaliny mezi rotorem 1 a statorem 3. Toto výhodné provedení je znázorněné na Obr. 9. Kapalina je přiváděna pod tlakem minimálně jedním přívodním otvorem 2-3. rozváděna rozváděči drážkou 2-1. odváděna odváděči drážkou 2-2 a minimálně jedním odtokovým otvorem 2-4. Přívodní otvor 2-3 a odtokový otvor 2-4 slouží pro přívod a odvod kapaliny, jejich poloha ani orientace není podstatná. Použitá kapalina muže být např. olej.

V jiném provedení nemusí být spodní držák 4 pólových nástavců ve tvaru části kulové plochy, ale může to být například ve formě desky. V tomto případě mají pólové nástavce 3-1. statoru v různých řadách různou délku tak, aby vždy dosáhly do spodního držáku 4 pólových nástavců. Přes plochu spodního držáku 4 se pak uzavírá magnetický tok cívek 3-2. Toto provedení je ale nevýhodné, protože díry ve spodním držáku pólových nástavců pro montáž pólových nástavců by musely být vyvrtány pod různými úhly, a to je výrobně náročné.

Průmyslová využitelnost

Popsané zařízení je využitelné např. jako kulový kloub nebo pro všechny aplikace, které vyžadují

-4CZ 2018 - 696 A3 polohování ve dvou osách jedním pohonem.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. 3D krokový motor tvořený rotorem (1) s pólovými nástavci (1-1) a statorem (3) se sestavou pólových nástavců (3-1) a cívek (3-2), kde pólové nástavce (1-1) rotoru i pólové nástavce (3-1) statoru jsou z feromagnetického materiálu a jsou vůči sobě v první rovině zarovnané tak, že pólové nástavce (3-1) statoru jsou uspořádány do opakujících se skupin tvořených vždy dvěma základními dvojicemi (A) pólových nástavců (3-1) orientovanými pod stejným úhlem φ, jaký svírají protilehlé pólové nástavce (1-1) rotoru, a od těchto dvou základních dvojic (A) pólových nástavců (3-1) jsou symetricky na obě strany další dvojice (B, C) pólových nástavců (3-1) posunuty o úhel φ + χβ, kde β = φ/η, kde n je zvolený počet kroků motoru a kde x je pořadí dvojice (B, C) pólových nástavců (3-1) směrem od základní dvojice (A) pólových nástavců (3-1) a leží v rozmezí 1 až (n-1), vyznačující se tím, že rotor (1) je ve tvaru koule, kde alespoň část jejího povrchu je opatřena pólovými nástavci (1-1) rotoru umístěnými v soustředných řadách nad sebou a v podélné ose rotoru (1) je otvor (1-3) pro uchycení k otáčenému zařízení, na tento rotor (1) je nasazen kryt (1-2) z magneticky nevodivého materiálu, který je opatřen otvory pro zaústění pólových nástavců (1-1) rotoru a jehož tloušťka je rovna délce těchto pólových nástavců (1-1) rotoru, a stator (3) sestává z neferomagnetického horního držáku (2) a ze spodního držáku (4) z feromagnetického materiálu, kde horní držák (2) svým tvarem kopíruje část rotoru (1) osazenou pólovými nástavci (1-1) rotoru a jsou v něm jedním koncem uchyceny pólové nástavce (3-1) statoru procházející cívkami (3-2) a majícími druhé konce uchyceny v otvorech spodního držáku (4), kde pólové nástavce (3-1) statoru jsou vůči pólovým nástavcům (1-1) rotoru zarovnané podle stejného algoritmu i ve druhé, vzhledem k první rovině libovolné, rovině, přičemž pólové nástavce (1-1) rotoru a pólové nástavce (3-1) statoru jsou uspořádány v řadách, jejichž minimální počet je 2 xn.
2. 3D krokový motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že posunutí dvojic (B, C) pólových nástavců (3-1) statoru je v obou rovinách shodné.
3. 3D krokový motor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že základní dvojice (A) pólových nástavců (3-1) statoru mají prostřední pólový nástavec (3 - 1) společný.
4. 3D krokový motor podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že spodní držák (4) statoru je ve tvaru části koule, jejíž velikost je dána velikostí plochy koule rotoru (1) obsazené pólovými nástavci (1-1) rotoru.
5. 3D krokový motor podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že povrch krytu (1-2) a/nebo povrch horního držáku (2) a/nebo povrch pólových nástavců (1-1) rotoru a/nebo pólových nástavců (3-1) statoru je opatřen kluznou vrstvou s nízkým koeficientem tření.
6. 3D krokový motor podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že horní držák (2) statoru (3) je u svého dna opatřen rozváděči drážkou (2-1) s alespoň jedním přívodním otvorem (2-3) pro přívod kapaliny pod tlakem a u svého horního okraje je horní držák (2) opatřen odváděči drážkou (2-2) opatřenou alespoň jedním odtokovým otvorem (2-4).