RU2082276C1

RU2082276C1 - Step electric motor

Info

Publication number: RU2082276C1
Application number: RU95116549A
Authority: RU
Inventors: Виктор Викентьевич Пинаев
Original assignee: Виктор Викентьевич Пинаев
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 1997-06-20

Abstract

FIELD: pulse electric motors. SUBSTANCE: device has two armatures 4, 5 which are mounted in housing for rotation and have permanent magnets 6 which are made from material which resists demagnetization under maximal magnetic flow from winding 2. Permanent magnets 6 are located in pairs on corresponding armatures 4 and 5 inside cylindrical winding 2. Armatures are coaxial and are spaced from each other. Poles 7 of magnets alters in direction of this axis as well as around each armature 4, 5. Outer axial ends of any pair of magnets on any armature projects out of outer axial ends of corresponding pair of magnets on another armature. In addition magnetic-circuit pole pieces 7 are located on magnet poles which are located in opposite to space between armatures. Said pole pieces have teeth which are uniformly arranged around circumference. Their pole pitch is less than size of projection of ends of magnets. Teeth which correspond to same poles 7 of magnets 6 are located in opposite to toothed cylindrical surface of magnetic-circuit rotation member 8 which embraces coil 2. Teeth that correspond to opposite poles 7 of magnets 6 are located in opposite to toothed cylindrical surface of magnetic-circuit sleeves 9 which are rigidly attached to housing 1 and shape concentric spaces with rotation member 8. Both toothed cylindrical surface of magnetic-circuit rotation member 8 and toothed cylindrical surface of magnetic-circuit sleeves 9 have same pole pitch as teeth of pole pieces. EFFECT: increased functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам импульсного действия. The invention relates to electrical engineering, in particular to electrical pulse machines.

В большинстве известных электродвигателей /синхронных, асинхронных, моментных, шаговых/ непрерывное вращение осуществляется за счет того, что в каждый промежуток времени их действия магнитодвижущий момент создается лишь под частью магнитных полюсов электрической машины /обычно не более половины или трети/, что сказывается на снижении добротности, определяемой как отношение развиваемого движущего момента к массе активных частей и корню квадратному из потребляемой мощности. И это очевидно, поскольку для создания движущего момента в них используется не более половины или трети активных частей. In most known electric motors / synchronous, asynchronous, torque, step / continuous rotation is carried out due to the fact that at each time interval of their action, the magnetomotive moment is created only under part of the magnetic poles of the electric machine / usually no more than half or a third /, which affects the reduction quality factor, defined as the ratio of the developed driving moment to the mass of active parts and the square root of the power consumption. And this is obvious, since no more than half or a third of the active parts are used in them to create a driving moment.

Известен шаговый электрический двигатель по а.с. СССР N1132330, который разработан автором на основании также его а.с. СССР N1010705 и содержит обмотку управления и соединенные с подвижным звеном и неподвижным основанием посредством механизмов свободного хода, выполненных в виде подпружиненных клиньев, два якоря, один из которых несет на своей цилиндрической поверхности полюса, а другой полюса и постоянные магниты, причем цилиндрические поверхности якорей размещены концентрично относительно друг друга. В этом двигателе взаимное колебательное движение двух якорей преобразуется в непрерывное вращение подвижного звена при помощи механизмов свободного хода, причем, поскольку магнитодвижущий момент развивается в нем в каждый промежуток времени всей обмоткой и под всеми полюсами одновременно, добротность его на порядок выше, чем у электродвигателей, создающих непрерывное вращение за счет бегущего по окружности магнитного поля. Практика показывает, что при прочих равных условиях это эквивалентно снижению массы двигателя в два раза. Known electric stepper motor as. USSR N1132330, which was developed by the author on the basis of his A.S. USSR N1010705 and contains a control winding and connected to the movable link and the fixed base through freewheel mechanisms made in the form of spring-loaded wedges, two anchors, one of which carries poles on its cylindrical surface, and the other poles and permanent magnets, and the cylindrical surface of the anchors concentrically relative to each other. In this engine, the mutual oscillatory motion of two anchors is converted into continuous rotation of the movable link using freewheel mechanisms, and since the magnetomotive moment develops in it at each time interval by the entire winding and under all poles at the same time, its quality factor is an order of magnitude higher than that of electric motors, creating continuous rotation due to the magnetic field running around the circumference. Practice shows that, ceteris paribus, this is equivalent to halving the engine mass.

Однако существенным недостатком такого двигателя являются механизмы свободного хода, которые быстро изнашиваются благодаря наличию в них трения скольжения и высоким удельным контактным давлениям в местах установки клиньев. Кроме того, пусковой движущий момент такого двигателя не может быть существенно повышен из-за насыщения магнитопроводящих частей магнитным потоком, а сам двигатель нельзя использовать в качестве управляемого электрического тормоза. However, a significant drawback of such an engine are freewheel mechanisms that wear out quickly due to the presence of sliding friction in them and high specific contact pressures at the wedge installation sites. In addition, the starting driving moment of such an engine cannot be significantly increased due to the saturation of the magnetically conductive parts with magnetic flux, and the engine itself cannot be used as a controlled electric brake.

Целью данного изобретения является повышение надежности и долговечности /срока действия/, а также расширение области применения электрического двигателя за счет получения возможности использования его в качестве тормоза и за счет увеличения пускового движущего момента. The aim of this invention is to increase the reliability and durability / validity /, as well as expanding the scope of the electric motor by obtaining the possibility of using it as a brake and by increasing the starting torque.

Цель достигается тем, что в шаговом электрическом двигателе, содержащем электрическую обмотку, поворотное звено, два установленных в корпусе с возможностью вращения якоря и постоянные магниты, последние выбраны по материалу из условия отсутствия размагничивания при максимальном магнитном потоке от обмотки и размещены попарно на каждом из расположенных соосно и с зазором якорей внутри цилиндрической обмотки катушечного типа из двух разделенных радиально секций с направлением намагниченности вдоль ее центральной оси, причем полюса магнитов чередуются как в направлении этой оси, так и по окружности каждого якоря, наружные аксиальные торцы любой пары магнитов на одном из якорей выступают за наружные аксиальные торцы соответствующей им пары магнитов на другом якоре, а на противоположных зазору между якорями полюсах магнитов закреплены магнитопроводящие полюсные наконечники с равномерно распределенными по окружности зубцами, имеющими шаг, меньший размера выступания торцов магнитов, при этом зубцы, соответствующие одноименным полюсом магнитов, расположены с зазором против имеющей тот же шаг зубчатой цилиндрической поверхности охватывающего снаружи катушку магнитопроводящего поворотного звена, зубцы, соответствующие противоположным полюсам магнитов, расположены с зазором против имеющей тот же шаг зубчатой цилиндрической поверхности магнитопроводящих втулок, неподвижно соединенных с корпусом и образующих концентричные зазоры с поворотным звеном, а электрическая обмотка /предпочтительно квадратного сечения/ связана с корпусом и имеет электрические выводы через его ребро, находящееся в зазоре между якорями. The goal is achieved by the fact that in a stepping electric motor containing an electric winding, a pivot link, two anchors installed in the housing with the possibility of rotation, and permanent magnets, the latter are selected according to the material from the condition that there is no demagnetization at the maximum magnetic flux from the winding and are placed in pairs on each of coaxially and with a gap of anchors inside a cylindrical coil of a coil type from two radially divided sections with a direction of magnetization along its central axis, and the poles filaments alternate both in the direction of this axis and around the circumference of each anchor, the outer axial ends of any pair of magnets on one of the anchors protrude beyond the outer axial ends of the corresponding pair of magnets on the other anchor, and magnetically conductive pole tips are fixed on the opposite poles of the magnets of the magnets with teeth evenly distributed around the circumference, having a pitch smaller than the protrusion of the ends of the magnets, while the teeth corresponding to the same pole of the magnets are located with a gap n otiv having a toothed cylindrical surface having the same pitch of the magnetically conducting rotary link enveloping the coil outside, the teeth corresponding to the opposite poles of the magnets are positioned with a gap against the toothed cylindrical surface of the magnetically conducting sleeves fixedly connected to the housing and forming concentric gaps with the rotary link, and the electric the winding (preferably of square cross section) is connected to the housing and has electrical leads through its edge located in the gap dy anchors.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель в продольном разрезе, на фиг. 2 упрощенная развертка двигателя в зоне рабочих зазоров с указанием путей прохождения магнитных потоков. In FIG. 1 shows the proposed engine in longitudinal section, in FIG. 2 simplified scan of the engine in the area of working gaps with the paths of the magnetic flux.

Двигатель содержит неподвижный корпус 1, выполненный из немагнитного сплава, например дюралюминия, заодно с каркасом А электрической обмотки 2, состоящей из двух секций Б и В. В корпусе на подшипниках 3 установлены два якоря 4 и 5, выполненные из немагнитного сплава. На якорях закреплены постоянные магниты 6 с магнитопроводящими полюсными наконечниками 7, зубцы которых Г и Д располагаются с зазором против зубцов Е поворотного звена 8, состоящего из охватывающих снаружи электрическую обмотку двух магнитопроводящих кожухов, и против зубцов Ж магнитопроводящих втулок 9, закрепленных на корпусе и образующих с поворотным звеном 8 концентричные зазоры И. В свою очередь, поворотное звено установлено на втулках 9 при помощи подшипников 10. Электрические выводы К обмотки выведены из нее наружу через канал в ребре Л корпуса, располагающемся в зазоре между якорями 4 и 5. Изоляция обмотки от каркаса А может быть осуществлена, например, при помощи оксидирования дюралюминия и покраски. Материал магнитов выбран из условия отсутствия их размагничивания при максимальном магнитном потоке Φ_y от электрической обмотки. Для этого подходят, например, редкоземельные сплавы на основе самария-кобальта.The engine contains a fixed housing 1 made of a non-magnetic alloy, for example duralumin, at the same time with the frame A of the electric winding 2, consisting of two sections B and C. In the housing on the bearings 3 there are two anchors 4 and 5 made of a non-magnetic alloy. Permanent magnets 6 are attached to the anchors with magnetically conductive pole pieces 7, the teeth of which G and D are positioned with a clearance against the teeth E of the pivot link 8, consisting of two magnetically conductive covers enclosing the electrical winding from the outside, and against the teeth Z of the magnetically conductive bushings 9 mounted on the housing and forming with a swivel link 8, concentric gaps I. In turn, the swivel link is mounted on the bushings 9 using bearings 10. Electrical leads K of the winding are brought out of it through the channel into the ribs e L of the housing, located in the gap between the anchors 4 and 5. The insulation of the winding from the frame A can be carried out, for example, by oxidizing duralumin and painting. The material of the magnets is selected from the condition that they are not demagnetized at a maximum magnetic flux Φ _y from the electric winding. For this purpose, for example, rare earth alloys based on samarium-cobalt are suitable.

Следует также пояснить, что постоянные магниты 6 на каждом из якорей 4 и 5 расположены попарно таким образом, что наружные торцы любой пары магнитов 6 на одном из якорей выступают за наружные торцы соответствующей им пары магнитов 6 на другом якоре (фиг. 2). Причем полюса магнитов 6 чередуются как вдоль центральной оси двигателя, так и по окружности каждого якоря. Кроме того, зубцы полюсных наконечников 7 выполнены с шагом, меньшим размера выступления торцов магнитов 6. It should also be explained that the permanent magnets 6 on each of the anchors 4 and 5 are arranged in pairs so that the outer ends of any pair of magnets 6 on one of the anchors protrude beyond the outer ends of the corresponding pair of magnets 6 on the other anchor (Fig. 2). Moreover, the poles of the magnets 6 alternate both along the central axis of the engine and around the circumference of each armature. In addition, the teeth of the pole pieces 7 are made with a step smaller than the size of the protrusions of the ends of the magnets 6.

Двигатель работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на обмотку возникает магнитный поток управления Φ_y, путь которого показан на фиг. 1 и 2. При направлении магнитных потоков, соответствующих фиг. 2а, происходит суммирование магнитных потоков от постоянных магнитов Φ_o и потока управления Φ_y в зазорах σ₁,σ₃ и вычитание в зазорах σ₂,σ₄ т.е. якорь 4 оказывается сцепленным зубцами полюсного наконечника постоянного магнита М с зубцами втулки 9 неподвижного корпуса через зазор σ₁, а якорь 5 оказывается сцепленным зубцами полюсного наконечника магнита Н с зубцами поворотного звена 8 через зазор σ₃. При этом, т.к. в зазоре σ_o между магнитами M и H потоки Φ_o и Φ_y суммируются, а между магнитами П и Р вычитаются, возникает усилие, действующее на магнит H в направлении стрелки С, и якорь 5 смещается в этом же направлении относительно заторможенного якоря 4, увлекая за собой сцепленное с ним поворотное звено. В следующий момент электрическое напряжение в обмотке спадает до нуля, магнитный поток Φ_y исчезает, во всех зазорах между зубцами восстанавливается первоначальное распределение магнитных потоков от постоянных магнитов Φ_o и восстанавливаются создаваемые этими потоками усилия оба якоря и поворотное звено оказываются заторможенными /якори относительно втулок, закрепленных на корпусе, а поворотное звено относительно каждого из якорей/. Затем при возникновении в обмотке электрического напряжения противоположной полярности создается распределение магнитных потоков, изображенное на фиг. 2б. При этом происходит суммирование потоков Φ_o и Φ_y в зазорах σ₂, σ₄ и вычитание в зазорах σ₁, σ₃, т.е. якорь 5 оказывается сцепленным зубцами полюсного наконечника постоянного магнита Р с зубцами втулки 9 неподвижного корпуса через зазор σ₄, а якорь 4 оказывается сцепленным зубцами полюсного наконечника постоянного магнита П с зубцами поворотного звена 8 через зазор σ₂ В то же время в зазоре σ_o между магнитами П и Р происходит суммирование потоков Φ_o и Φ_y, а между магнитами М и Н вычитание, в результате возникает усилие, действующее на магнит П в направлении стрелки Т, и якорь 4 смещается в этом же направлении относительно заторможенного якоря 5, увлекая за собой сцепленное с ним поворотное звено 8.The engine operates as follows. When an electrical voltage is applied to the winding, a magnetic control flux Φ _y arises, the path of which is shown in FIG. 1 and 2. In the direction of magnetic flux corresponding to FIG. 2a, the magnetic fluxes from the permanent magnets Φ _o and the control flux Φ _y are summed in the gaps σ ₁ , σ ₃ and subtracted in the gaps σ ₂ , σ ₄ i.e. the anchor 4 is interlocked by the teeth of the pole tip of the permanent magnet M with the teeth of the sleeve 9 of the stationary body through the gap σ ₁ , and the anchor 5 is interlocked by the teeth of the pole tip of the magnet H with the teeth of the rotary link 8 through the gap σ ₃ . Moreover, since in the gap σ _o between the magnets M and H, the fluxes Φ _o and Φ _y are summed up, and between the magnets P and P are subtracted, a force arises acting on the magnet H in the direction of arrow C, and the armature 5 moves in the same direction relative to the inhibited armature 4, entraining the rotary link linked to it. At the next moment, the electric voltage in the winding drops to zero, the magnetic flux Φ _y disappears, in all the gaps between the teeth, the initial distribution of magnetic fluxes from the permanent magnets Φ _{o is} restored and the forces created by these fluxes are restored, both anchors and the pivot link are inhibited / anchors relative to the bushings, fixed on the housing, and a rotary link relative to each of the anchors. Then, when an opposite voltage polarity occurs in the winding, a magnetic flux distribution is created, as shown in FIG. 2b. In this case, the flows Φ _o and Φ _y are summed in the gaps σ ₂ , σ ₄ and subtracted in the gaps σ ₁ , σ ₃ , i.e. the anchor 5 is interlocked by the teeth of the pole tip of the permanent magnet P with the teeth of the sleeve 9 of the stationary body through the gap σ ₄ , and the anchor 4 is interlocked by the teeth of the pole tip of the permanent magnet P with the teeth of the rotary link 8 through the gap σ ₂ At the same time in the gap σ _o between magnets P and P are summed flows Φ _o and Φ _y, and between the magnets M and N subtraction, which results in a force acting on the magnet in the direction of arrow P T, and the armature 4 is displaced in the same direction relative to the hindered Thou I 5, pulling with it the engaged rotation link 8.

Таким образом при подаче переменного электрического напряжения на обмотку происходит последовательное смещение поворотного звена в одном направлении то одним, то другим якорем, за счет чего создается непрерывное вращение электрического двигателя. При отключении же электрического напряжения создается тормозящий момент, жестко фиксирующий поворотное звено относительно корпуса. Однако при необходимости тормозящий момент может быть существенно уменьшен или полностью устранен за счет включения секций Б и В обмотки встречно. В этом случае образуется распределение магнитных потоков, изображенное, например, на фиг. 2в, когда поток Φ_y суммируется с потоком Φ_o в зазорах σ₁,σ₄ и вычитается в зазорах σ₂,σ₃ В результате оба якоря оказываются сцепленными с неподвижными втулками корпуса и рассоединенными с поворотным звеном, которое получает возможность свободно вращаться.Thus, when an alternating electric voltage is applied to the winding, the rotary link is sequentially displaced in one direction by one or the other arm, which creates a continuous rotation of the electric motor. When the electrical voltage is turned off, a braking moment is created that rigidly fixes the pivot link relative to the housing. However, if necessary, the braking torque can be significantly reduced or completely eliminated due to the inclusion of sections of the winding B and C counter. In this case, a magnetic flux distribution is formed, as depicted, for example, in FIG. 2c, when the flux Φ _{y is} summed with the flux Φ _o in the gaps σ ₁ , σ ₄ and subtracted in the gaps σ ₂ , σ ₃ As a result, both anchors turn out to be coupled with the fixed bushings of the body and disconnected from the rotary link, which gets the opportunity to rotate freely.

Предложенный двигатель позволяет также существенно повысить движущий пусковой момент. За счет чего именно это возможно, следует пояснить. Опыт эксплуатации отечественных моментных двигателей серии ДБМ, в конструкции которых распределенная электрическая обмотка непосредственно взаимодействует с постоянным магнитом якоря, доказывает, что в случае использования магнитов с высокой коэрцитивной силой, например на основе сплавов самарий-кобальт, и отсутствия между обмоткой и магнитом подверженных насыщению магнитопроводящих частей движущий момент может быть кратковременно увеличен в несколько раз за счет мгновенной подачи на обмотку повышенного электрического напряжения. В предложенной конструкции соблюдено как раз это условие, поскольку постоянные магниты расположены непосредственно внутри катушечной обмотки, и, следовательно, движущий пусковой момент двигателя может быть увеличен за счет кратковременно поданного на обмотку управления повышенного электрического напряжения в несколько раз, что важно, например, на отрезке разгона в случае использования такого двигателя в качестве мотор-колеса для средств передвижения. The proposed engine can also significantly increase the driving starting torque. Due to what exactly this is possible, it should be clarified. The operating experience of domestic DBM series torque motors, in the design of which a distributed electric winding directly interacts with a permanent armature magnet, proves that in the case of magnets with high coercive force, for example, based on samarium-cobalt alloys, and there are no magnetically conductive saturates that are saturated between the winding and the magnet parts of the torque can be short-term increased several times due to the instant supply of high voltage to the winding . In the proposed design, just this condition is met, since the permanent magnets are located directly inside the coil winding, and, therefore, the driving starting torque of the motor can be increased by several times applied to the control winding, which is important, for example, in the segment acceleration in the case of using such an engine as a motor wheel for vehicles.

Стоит также пояснить, что в соответствии с расчетами наибольшая добротность двигателя может быть достигнута в случае выбора поперечного сечения обмотки близким к квадрату. It is also worth explaining that, in accordance with the calculations, the highest quality factor of the motor can be achieved if the winding cross-section is selected close to the square.

Таким образом, предложенный двигатель позволяет за счет большей добротности в 1,5 2 раза снизить при прочих равных условиях его массу по сравнению с двигателями, использующими принцип бегущего по окружности магнитного поля, достичь равенства с ними в надежности и долговечности благодаря исключению механизмов свободного хода, совместить в одной конструкции функции двигателя и тормоза, а также в несколько раз по сравнению с номинальным повысить движущий пусковой момент. Следует также отметить простоту и удобство управления предложенным двигателем, т. к. его конструкция позволяет за счет изменения частоты питающего электрического напряжения плавно менять скорость в пределах от максимальной, определяемой инерциальной массой подвижных частей, до полной остановки без снижения развиваемого движущего момента. Стоит подчеркнуть и то, что ввиду выполнения обмоток предложенного двигателя в виде намотанной на каркасе катушки, его изготовление является гораздо менее трудоемким, чем изготовление большинства электрических двигателей с распределенной /всыпной/ обмоткой, поскольку именно сложность выполнения и укладки секций распределенной обмотки в наибольшей мере определяет срок нахождения любого подобного двигателя в производстве. Thus, the proposed engine makes it possible to reduce its mass by a factor of 1.5 to 2 times, ceteris paribus, compared with engines using the principle of running around the circumference of a magnetic field, to achieve equality with them in reliability and durability due to the exclusion of free-wheeling mechanisms, combine in one design the functions of the engine and the brake, and also increase the driving starting torque several times in comparison with the nominal. It should also be noted the simplicity and convenience of controlling the proposed engine, since its design allows, by changing the frequency of the supplying electric voltage, to smoothly change the speed from the maximum determined by the inertial mass of the moving parts to a complete stop without reducing the developed driving moment. It is worth emphasizing that in view of the windings of the proposed engine in the form of a coil wound on the frame, its manufacture is much less time-consuming than the manufacture of most electric motors with distributed / bulk / winding, since it is the complexity of the design and installation of sections of the distributed winding that determines to the greatest extent the term of any such engine in production.

Claims

A step-by-step electric motor comprising an electric winding, a rotary link, two armature with permanent magnets rotatably mounted in the housing, characterized in that the magnets are made of a material ensuring the absence of demagnetization at maximum magnetic flux from the winding, and are placed inside a cylindrical electric winding made of two coil sections in pairs on each of the anchors located coaxially and with a gap, moreover, the poles of the magnets alternate both along the central axis and along the circles of each anchor, the outer ends of any pair of magnets on one of the anchors protrude beyond the outer ends of the corresponding pair of magnets on the other anchor, and magnetically conductive pole tips with teeth evenly distributed around the circumference having a pitch smaller than the protrusion are fixed on the opposite ends of the magnet poles. the ends of the magnets, while the teeth corresponding to the same poles of the magnets are located with a gap against having the same step of the cylindrical gear surface covering outside the coil of the magnetically conductive rotary link, the teeth corresponding to the opposite poles of the magnets are located with a gap against the toothed cylindrical surface of the magnetically conductive bushings fixedly connected to the housing and forming concentric gaps with the rotary link, and the electrical winding is connected to the housing and has electrical leads through its edge located in the gap between the anchors.