CZ295015B6 - Elektromotor s rotorem, odvalovaným po odvalovací ploše statoru - Google Patents

Abstract

Elektromotor převádí napájecí proudové impulzy na mechanický rotační pohyb hřídele (8) elektromotoru. Stator (1) má po obvodu několik magnetických obvodů, které jsou postupně napájeny časově posunutými proudovými impulzy a postupně přitahují rotor (2), který je uložen volně pohyblivě v radiálním směru elektromotoru. Vnitřní průměr statoru (1) je různý od vnějšího průměru rotoru (2) a proto se rotor (2) excentricky odvaluje po obvodu statoru (1) a natáčí se vůči němu každým napájecím proudovým impulzem o přesně definovaný úhel - krok. Spojení rotoru (2) a hřídele (8) elektromotoru je provedeno výkyvnou spojkou (3). Statorové ozubení (4) je pevně spojeno se statorem (1) a rotorové ozubení (5) je pevně spojeno s rotorem (2), přičemž vzájemně vytváří nejméně jedno vnitřní čelní soukolí. Čelní vnitřní soukolí zajišťuje rovnoběžnost podélné osy (24) statoru a podélné osy (25) rotoru, zabraňuje vzájemnému protočení statoru (1) a rotoru (2) a zajišťuje konstantní úhlový posun - krok hřídele (8) elektromotoru v závislosti na napájecím proudovém impulzu. Výplň (13) vzduchové mezery mezi pólovými nástavci (12) je připevněna na sousedních pólových nástavcích (12).ŕ

Description

Elektromotor s rotorem, odvalovaným po odvalovací ploše statoru

Oblast techniky

Vynález se týká elektromotoru s rotorem, odvalovaným po odvalovací ploše statoru, užívaného k převodu napájecích proudových impulzů na mechanický rotační pohyb, zejména v servopohonech a polohovacích mechanizmech.

Dosavadní stav techniky

V současné době se vyrábí nepřeberné množství různých typů elektromotorů, lišících se napájením (střídavým proudem, stejnosměrným proudem, proudovými impulzy apod.), tak také podstatou činnosti (účinky točivého magnetického pole statoru na vinutí rotoru nebo silový účinek magnetického pole statoru na vinutí rotoru, kterým protéká proud, popř. silový účinek točivého magnetického pole statoru na magnetické pole rotoru apod.). Konstrukční uspořádání všech těchto elektromotorů s válcovým tvarem statoru a rotoru má společné prvky - podélná osa statoru a rotoru je totožná, rotor je upevněn na hřídeli elektromotoru, která se otáčí v ložiskách a mezi statorem a rotorem je souměrná vzduchová mezera.

Pro polohovací mechanizmy a servopohony se často používají krokové elektromotory. Jsou to elektromotory synchronního typu, jejichž rotor se natáčí vůči statoru každým napájecím proudovým impulzem o přesně definovaný úhel - krok, který je dán konstrukcí motoru. Frekvence napájecích proudových impulzů je řiditelná a rotor krokuje synchronně dle napájecích proudových impulzů až do mezní frekvence. Pokud se mezní frekvence nepřekročí, krokový elektromotor nevyžaduje snímač polohy hřídele. Díky této vlastnosti se krokové elektromotory používají v robotíce, výpočetní technice, při konstrukci pohonů CNC strojů a jinde. Oproti použití jiných typů elektromotorů odpadá z nich nejen snímač polohy hřídele elektromotoru, ale také snímač rychlosti, mnohdy také převodovka a řídicí elektronická jednotka je jednodušší.

Nevýhodou krokových elektromotorů jsou poměrně malé momenty síly vzhledem k hmotnosti, pro zvětšení momentu síly je nutné použití kvalitních permanentních magnetů. Pohyb rotoru doprovázejí rezonance a při ovládání se nesmí překročit mezní zrychlení.

Podstata vynálezu

Navrhovaný elektromotor podle vynálezu pracuje jako elektromotor s rotorem, odvalovaným po odvalovací ploše statoru, pro převod napájecích proudových impulzů na mechanický rotační pohyb, zejména v servopohonech a polohovacích mechanizmech. Rotor se natáčí vůči statoru každým napájecím proudovým impulzem o přesně definovaný úhel - krok, který je dán konstrukcí motoru. Frekvence napájecích proudových impulzů je řiditelná a rotor krokuje synchronně dle napájecích proudových impulzů.

Podstata vynálezu spočívá vtom, že u navrhovaného elektromotoru je podélná osa statoru rovnoběžná s podélnou osou rotoru, přičemž s ní není totožná; rotor je uložen volně pohyblivě v radiálním směru - excentricky se odvaluje po obvodu statoru, přičemž za chodu elektromotoru podélná osa rotoru vytváří válcovou plochu, jejíž průměrem je rozdíl průměru odvalovací plochy statoru a průměru odvalované plochy rotoru.

Spojení rotoru a hřídele elektromotoru je provedeno výkyvnou spojkou; tato výkyvná spojka neomezuje rotor v jeho excentrickém pohybu, ale zajišťuje přenos momentu síly z rotoru na hřídel elektromotoru bez úhlové vůle.

Za chodu se rotor nepřetržitě dotýká statoru - kontaktní množinou bodů je úsečka společné podélné délky rotoru a statoru, která pohybem rotoru vytváří válcovou plochu, totožnou s odvalovací plochou statoru.

Statorové ozubení je pevně spojeno se statorem a rotorové ozubení je pevně spojeno s rotorem, přičemž vzájemně vytváří nejméně jedno vnitřní čelní soukolí, které zajišťuje rovnoběžnost podélné osy statoru a podélné osy rotoru.

Výplň vzduchové mezery mezi pólovými nástavci je u navrhovaného elektromotoru připevněna na dvou sousedních pólových nástavcích, přičemž trojúhelníkové výřezy výplně jsou zasunuty do hran pólových nástavců tvaru trojúhelníkových výstupků. Výplň je provedena z diamagnetického nebo paramagnetického materiálu a mechanicky opracována tak, aby odvalovací plocha statoru byla válcová a hladká.

Stator navrhovaného elektromotoru je rozdělen na soustavu samostatných magnetických obvodů - elektromagnetů. Vinutí každého magnetického obvodu je nezávisle na vinutích ostatních magnetických obvodů napájeno z řídicí elektronické jednotky proudovými impulzy. Proud vinutím není závislý na zatížení elektromotoru, proto je možno nastavovat proudovou spotřebu dle požadovaného momentu síly a tím omezit spotřebu elektromotoru.

Rotor navrhovaného elektromotoru je vyroben z feromagnetického materiálu, jeho odvalovaná plocha je válcová a hladká. Nízká hmotnost rotoru vůči hmotnosti statoru omezuje vibrace, způsobené excentrickým pohybem rotoru.

Výhodou navrhovaného elektromotoru oproti krokovým elektromotorům je velký moment sílyod nejnižších otáček rotoru a velká účinnost, zařízení má menší délku kroku než krokové elektromotory a nepoužívá permanentní magnety.

Činnost elektromotoru podle vynálezu je založena na přitažlivých silových účincích magnetického pole statoru na rotor. Stator je rozdělen na n samostatných magnetických obvodů. Každý magnetický obvod je tvořen nejméně jedním vinutím, umístěným na nejméně jednom pólu statoru, pro zlepšení magnetických a mechanických vlastností je možno spojit nejméně dvě sousední vinutí na nejméně dvou sousedních pólech. Tímto vznikají na statoru oblasti působení jednotlivých magnetických obvodů. Průchodem prvního napájecího proudového impulzu vinutím prvního magnetického obvodu vznikne magnetický tok, průchodem magnetického toku vzduchovou mezerou mezi statorem a rotorem vznikne magnetická přitažlivá síla. Rotor se přitáhne ke statoru a je v této poloze fixován po dobu působení prvního napájecího proudového impulzu. Druhý napájecí proudový impulz, protékající vinutím druhého magnetického obvodu, způsobí přitažení rotoru ke statoru v oblasti působení druhého magnetického obvodu a je v této poloze fixován po dobu působení druhého napájecího proudového impulzu. Třetí napájecí proudový impulz do vinutí třetího magnetického obvodu způsobí přitažení rotoru ke statoru v oblasti působení třetího magnetického obvodu a je v této poloze fixován po dobu působení třetího napájecího proudového impulzu atd. Stator má po obvodu n magnetických obvodů, jejichž vinutí jsou postupně a navzájem nezávisle napájena časově posunutými proudovými impulzy. Tyto způsobují postupné přitažení rotoru k obvodu statoru, rotor je postupně po statoru odvalován. Protože odvalovací obvod statoru je odlišný od odvalovaného obvodu rotoru, každý napájecí proudový impulz do vinutí následujícího magnetického obvodu způsobí natočení rotoru vůči statoru o přesný úhel - krok. Velikost úhlového posunu - krokuje přímo úměrná rozdílu odvalovacího průměru statoru a odvalovaného průměru rotoru a nepřímo úměrná počtu magnetických obvodů statoru. Přenos momentu síly z rotoru, který vykonává excentrický pohyb, na hřídel elektromotoru je proveden výkyvnou spojkou, například dvojitou křížovou kloubovou spojkou, vlnovcem apod. Se statorem je pevně spojeno statorové ozubení, ve kterém se odvaluje rotorové ozubení, pevně spojené s rotorem. Toto čelní vnitřní soukolí zajišťuje rovnoběžnost podélných os statoru a rotoru, zabraňuje vzájemnému protočení statoru a rotoru a zajišťuje konstantní úhlový posun - krok hřídele elektromotoru v závislosti na napájecím proudovém impulzu.

-2CZ 295015 B6

Přehled obrázků na výkresu

Vynález bude blíže znázorněn na níže popsaných obrázcích:

obr. 1 vzájemné uspořádání statoru a rotoru, přičemž vnitřní průměr rotoru má větší hodnotu než vnější průměr statoru a proto je rotor odvalován po vnějším obvodu statoru, obr. 2 vzájemné uspořádání statoru a rotoru, přičemž vnější průměr rotoru má menší hodnotu než vnitřní průměr statoru a proto je rotor odvalován po vnitřním obvodu statoru, obr. 3 příklad jednoho magnetického obvodu statoru, obr. 4 časový průběh napájecích proudových impulzů, které napájejí vinutí n magnetických obvodů statoru, obr. 5 nákres rozložených součástí možné konstrukce elektromotoru, ve kterém je rotor odvalován po vnitřním obvodu statoru (po odvalovací ploše statoru), obr. 6 řez elektromotoru, ve kterém je rotor odvalován po vnitřním obvodu statoru (po odvalovací ploše statoru), obr. 7 řez elektromotoru, ve kterém je rotor odvalován po vnějším obvodu statoru (po odvalovací ploše statoru), obr. 8 detail výplně mezi pólovými nástavci pro zajištění hladké kruhové odvalovací statorové plochy, obr. 9 blokové schéma řídicí elektronické jednotky elektromotoru.

Příklady provedení

Základními částmi elektromotoru jsou stator 1 a rotor 2. Za předpokladu rovnoběžnosti podélné osy 24 statoru a podélné osy 25 rotoru mohou tyto části navzájem nabývat dvou využitelných poloh.

Příklad 1

Elektromotor, konstrukčně provedený na obr. 1 tak, že vnitřní průměr rotoru 2 má větší hodnotu než vnější průměr statoru 1 a proto je rotor 2 odvalován po vnějším obvodu statoru 1. Odvalovací plochou 26 statoru 1 je tedy válcová plocha, jejíž průměrem je vnější průměr statoru 1, odvalovanou plochou 27 rotoru 2 je válcová plocha s průměrem, rovnajícím se vnitřnímu průměru rotoru

2. Na obr. Ί je řez elektromotorem podle tohoto příkladu. Pomocná hřídel 14 je pevně spojena se zadní přírubou 7 a statorem L Na držáku 23, který je spojen s pomocnou hřídelí 14, a zadní přírubě 7 je upevněno statorové ozubení 4. Rotor 2 je pevně spojen s výkyvnou spojkou 3. Druhá strana výkyvné spojky 3 je upevněna na přední přírubě 6, která se volně otáčí v ložiscích 11, upevněných na pomocné hřídeli 14. Na přední přírubě 6 je upevněna hřídel elektromotoru 8, na kterou je přes výkyvnou spojku 3 a přední přírubu 6 přenášen moment síly z rotoru 2. S rotorem 2 je pevně spojeno rotorové ozubení 5, které se při excentrickém pohybu rotoru 2 odvaluje na statorovém ozubení 4. Obě ozubení tvoří vnitřní čelní soukolí, které zajišťuje rovnoběžnost podélné osy 24 statoru a podélné osy 25 rotoru.

Příklad 2

Elektromotor, konstrukčně provedený na obr. 2 tak, že vnitřní průměr statoru 1 má větší hodnotu než vnější průměr rotoru 2 a proto je rotor 2 odvalován uvnitř statoru 1. Odvalovací plochou 26 statoru 1 je tedy válcová plocha, jejíž průměrem je vnitřní průměr statoru 1, odvalovanou plochou 27 rotoru 2 je válcová plocha s průměrem, rovnajícím se vnějšímu průměru rotoru 2. Na obr. 6 je řez elektromotorem podle tohoto příkladu. Hřídel elektromotoru 8 je uložena v ložiscích 11 a je pevně spojena s výkyvnou spojkou 3. Tato výkyvná spojka 3 je na svém druhém konci pevně spojena s rotorem 2 a přenáší otáčivý pohyb rotoru 2 na hřídel elektromotoru 8 a zároveň kompenzuje jeho excentrický pohyb. S přední přírubou 6, zadní přírubou 7 a tím i statorem 1 je pevně spojeno statorové ozubení 4, ve kterém se při excentrickém pohybu rotoru 2 odvaluje rotorové ozubení 5, jež je pevně spojeno s rotorem 2. Obě ozubení tvoří vnitřní čelní soukolí, které zajišťuje rovnoběžnou polohu podélné osy 24 statoru a podélné osy 25 rotoru.

Rozložené zařízení podle tohoto příkladu je na obr. 5 a skládá se z těchto hlavních částí: statoru 1, rotoru 2, výkyvné spojky 3, ozubení statoru 4, ozubení rotoru 5, přední příruby 6, zadní příruby 7, hřídele elektromotoru 8.

Provedení magnetických obvodů statoru, časový průběh napájecích proudových impulzů, výplně vzduchové mezery mezi dvěma sousedními pólovými nástavci a blokové schéma je pro obě konstrukční provedení elektromotoru obdobné, proto je popsáno jen u příkladu 2 následovně:

Na obr. 3 je znázorněn příklad jednoho magnetického obvodu statoru 1. Sestává ze dvou sousedních pólů 9 statoru 1 z feromagnetického materiálu a dvou vinutí 10. Na každém pólu 9 je umístěno jedno vinutí 10. Spojením dvou vinutí 10 na dvou sousedních pólech 9 vznikne jeden magnetický obvod. Průchodem elektrického proudu přes vstupní svorku 21 vinutí a výstupní svorku 22 vinutí vznikne magnetický tok.

Na obr. 4 je časový průběh napájecích proudových impulzů, které napájí elektromotor. Stator 1 obsahuje n magnetických obvodů. Aby se rotor 2 odvalil po celém obvodu statoru 1, je zapotřebí n časově posunutých proudových impulzů, spínaných postupně do vinutí 10 jednotlivých magnetických obvodů.

Na obr. 8 je zobrazen detail výplně 13 vzduchové mezery mezi dvěma sousedními pólovými nástavci 12. Tato výplň 13 z dimagnetického nebo paramagnetického materiálu je připevněna na obou sousedních pólových nástavcích 12 zasunutím výplně 13 s trojúhelníkovými bočními výřezy 15 do hran pólových nástavců 12 ve tvaru trojúhelníkových výstupků 16. Toto zasunutí je provedeno ve směru podélné osy mezery sousedních pólových nástavců 12. Účelem této výplně 13 je hladká válcová odvalovací plocha 26 statoru 1.

Na obr. 9 je zobrazeno blokové schéma řídicí elektronické jednotky 28, která napájí a ovládá elektromotor 20. Vstupní obvod 17 převádí vstupní informaci na řídicí povely (start, stop, +-, šířka impulzů, počet impulzů, proudové omezení), ovládající generátor impulzů 18, který generuje napájecí proudové časově posunuté impulzy pro n výstupních výkonových členů, které napájí proudovými impulzy vinutí n magnetických obvodů elektromotoru 20. Povel start ovládá počátek chodu elektromotoru 20, povel stop ovládá zastavení elektromotoru 20, povel rotace +- ovládá směr otáčení hřídele elektromotoru 8, povel šířka impulzů ovládá rychlost otáčení hřídele elektromotoru 8 elektromotoru 20, povel počet impulzů určuje počet kroků hřídele elektromotoru 8, povel proudové omezení ovládá spotřebu elektromotoru 20.

Claims (5)

1. Elektromotor s rotorem (2), odvalovaným po odvalovací ploše (26) statoru (1), pro převod napájecích proudových impulzů na mechanický rotační pohyb, zejména v servopohonech a polohovacích mechanizmech, vyznačující se tím, že podélná osa rotoru (25) je rovnoběžná s podélnou osou statoru (24), ale není s ní totožná.

2. Elektromotor s rotorem (2), odvalovaným po odvalovací ploše (26) statoru (1) podle nároku 1,vyznačující se tím, že rotor (2) je uložen volně pohyblivě v radiálním směru elektromotoru.

3. Elektromotor s rotorem (2), odvalovaným po odvalovací ploše (26) statoru (1) podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že spojení rotoru (2) a hřídele elektromotoru (8) je provedeno výkyvnou spojkou (3).

4. Elektromotor s rotorem (2), odvalovaným po odvalovací ploše (26) statoru (1) podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že statorové ozubení (4) je pevně spojeno se statorem (1) a rotorové ozubení (5) je pevně spojeno s rotorem (2), přičemž vzájemně vytváří nejméně jedno vnitřní čelní soukolí.

5. Elektromotor s rotorem (2), odvalovaným po odvalovací ploše (26) statoru (1) podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že odvalovací plocha (26) statoru (1) je tvořena čelními plochami pólových nástavců (12) a výplněmi (13), připevněnými na dvou sousedních pólových nástavcích (12), přičemž trojúhelníkové výřezy (15) výplně (13) jsou zasunuty do hran pólových nástavců (12) tvaru trojúhelníkových výstupků (16).

9 výkresů

Seznam vztahových značek:

1 stator, 2 rotor, 3 výkyvná spojka, 4 statorové ozubení, 5 rotorové ozubení, 6 přední příruba, 7 zadní příruba, 8 hřídel elektromotoru, 9 pól, 10 vinutí, 11 ložisko, 12 pólový nástavec, 13 výplň, 14 pomocná hřídel, 15 trojúhelníkový výřez, 16 trojúhelníkový výstupek, 17 vstupní obvod, 18 generátor impulzů, 19 blok výkonových výstupních členů, 20 elektromotor, 21 vstupní svorka svinutí, 22 výstupní svorka vinutí, 23 držák, 24 podélná osa statoru, 25 podélná osa rotoru, 26 odvalovací plocha statoru, 27 odvalovaná plocha rotoru, 28 řídicí elektronická jednotka.