RU2083050C1

RU2083050C1 - Multifunctional electromagnetic motor

Info

Publication number: RU2083050C1
Application number: RU94028511A
Authority: RU
Inventors: А.П. Саврухин
Original assignee: Московский государственный университет леса
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1997-06-27
Also published as: RU94028511A

Abstract

FIELD: electrical engineering; linear and multicoordinate motors for transportation facility drive. SUBSTANCE: each rotor winding of motor has current regulator having contactless coupling with control unit. EFFECT: provision for controlling speed and sense of rotation of each separate rotor irrespective of speed and sense of rotation of any other rotor. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям линейных и многокоординатных электромагнитных двигателей как составной части электропривода транспортирующих устройств (таковы, например, линейные асинхронные двигатели. Снабженные управляющей системой X-Y столы используются в чертежных автоматах и печатающих устройствах. The invention relates to electrical engineering, in particular to designs of linear and multi-axis electromagnetic motors as part of the electric drive of conveying devices (such as, for example, linear induction motors. Tables equipped with an X-Y control system are used in drawing machines and printing devices.

Известны плоские двигатели шагового типа [1] в которых питание подается по проводам к обмоткам ротора (перемещающегося объекта, бегунка). Known flat-type stepper motors [1] in which power is supplied via wires to the rotor windings (moving object, slider).

Из-за наличия проводной связи такие двигатели не позволяют использовать одновременно несколько роторов, двигающихся по пересекающимся траекториям, а также не обеспечивают вращения. Due to the presence of wire communication, such motors do not allow the simultaneous use of several rotors moving along intersecting trajectories, and also do not provide rotation.

Известны линейные и плоские двигатели асинхронного типа [2 и 3] в которых взаимодействуют бегущее поле многофазного статора и токи, наводимые этим полем в проводящем бегунке или обмотках ротора. В таких двигателях все роторы движутся с одинаковой скоростью, так как отсутствует управление током обмотки ротора. Linear and plane asynchronous motors are known [2 and 3] in which the traveling field of a multiphase stator and the currents induced by this field in a conducting runner or rotor windings interact. In such engines, all rotors move at the same speed, since there is no control of the rotor winding current.

В подобных двигателях также невозможно достичь одновременного движения роторов в разных направлениях, так как бегущее поле действует на все роторы одновременно. In such engines it is also impossible to achieve the simultaneous movement of the rotors in different directions, since the traveling field acts on all rotors simultaneously.

Наиболее близким к изобретению является двигатель [3] содержащий роторы с короткозамкнутыми обмотками. Поэтому все роторы имеют одинаковый отклик на поле однородного статора, и не могут, например, одновременно вращаться в противоположные стороны, двигаться встречно и менять взаимное положение. Closest to the invention is an engine [3] containing rotors with squirrel-cage windings. Therefore, all rotors have the same response to the field of a homogeneous stator, and cannot, for example, simultaneously rotate in opposite directions, move in the opposite direction and change mutual position.

Цель изобретения устранение перечисленных ограничений с тем, чтобы обеспечить одновременное перемещение, поворот или вращение независимых объектов в разных направлениях, т.е. достижение возможности управления скоростью и направлением движения каждого ротора индивидуально, вне зависимости от скорости и направления движения любого другого ротора. Иначе говоря, в любые моменты времени векторы скоростей всех роторов могут различаться. The purpose of the invention is the elimination of these limitations in order to ensure the simultaneous movement, rotation or rotation of independent objects in different directions, i.e. achieving the ability to control the speed and direction of movement of each rotor individually, regardless of the speed and direction of movement of any other rotor. In other words, at any time, the velocity vectors of all rotors can vary.

Такие устройства в технике могут служить для осуществления сборки сложных узлов, установки деталей на печатные платы, транспортировки, как графопостроители, а в быту для имитации спортивных игр с множеством независимо движущихся фигур, в качестве тренажеров, динамических учебных пособий. Such devices in technology can serve for assembling complex assemblies, installing parts on printed circuit boards, transporting them as plotters, and in everyday life to simulate sports games with many independently moving figures, as simulators, dynamic training aids.

Если роторы снабдить исполнительными механизмами, то благодаря активизации и роботизации фигур можно осуществлять такие технологические операции, как клепка, обжим, гибка, пайка в недоступных или опасных для оператора местах. If the rotors are equipped with actuators, thanks to the activation and robotization of the figures, technological operations such as riveting, crimping, bending, soldering in inaccessible or dangerous places for the operator can be carried out.

Цель достигается тем, что в многофункциональном электромагнитном двигателе, содержащем многофазный генератор, статор с расположенными под углом друг к другу группами многофазных обмоток, роторы с обмотками и блок управления, каждая обмотка ротора снабжена регулятором тока, бесконтактно связанным с блоком управления, а также тем, что регулятор тока состоит из приемника управляющих сигналов, дешифратора и включенных в каждую обмотку ротора электронных ключей, а блок управления снабжен передатчиком, а также тем, что он снабжен определителем положения, состоящим из выполненной на статоре дополнительной группы обмоток, подключенных к дополнительному многофазному генератору с частотой, отличающейся от частоты основного многофазного генератора. The goal is achieved in that in a multifunctional electromagnetic motor containing a multiphase generator, a stator with groups of multiphase windings located at an angle to each other, rotors with windings and a control unit, each rotor winding is equipped with a current regulator contactlessly connected to the control unit, as well as that the current regulator consists of a receiver of control signals, a decoder and electronic keys included in each winding of the rotor, and the control unit is equipped with a transmitter, and also that it is equipped with a determinant position, consisting of an additional group of windings made on the stator connected to an additional multiphase generator with a frequency different from the frequency of the main multiphase generator.

В известном двигателе [3] содержащем в двухкоординатном плоском варианте ротор с обмотками и блоком управления и статор с двумя ортогонально расположенными многофазными обмотками, подключенными к генератору, последовательно с обмотками ротора установлены электронные ключи, управляемые через дешифратор и приемник, а блок управления снабжен передатчиком сигналов. Благодаря такому решению каждый ключ каждого ротора замыкается независимо от других на заданное время, синхронно с направлением бегущего поля, обеспечивая движение всего ротора из-за взаимодействия поля с индуцированными им же токами в обмотках. In the known engine [3] comprising a rotor with windings and a control unit and a stator with two orthogonally located multiphase windings connected to a generator, electronic keys controlled via a decoder and a receiver are installed in series with the rotor windings, and the control unit is equipped with a signal transmitter . Thanks to this solution, each key of each rotor closes independently of the others for a given time, synchronously with the direction of the traveling field, ensuring the movement of the entire rotor due to the interaction of the field with the currents induced in the windings.

На фиг. 1 показана общая схема двигателя; на фиг. 2 временные диаграммы работы; на фиг. 3 схема управления регулятором тока; на фиг. 4 расположение обмоток на дне ротора; на фиг. 5 ротор с исполнительным механизмом; на фиг. 6 система позиционирования. In FIG. 1 shows a general diagram of an engine; in FIG. 2 timing diagrams of work; in FIG. 3 control circuit of the current regulator; in FIG. 4 arrangement of windings at the bottom of the rotor; in FIG. 5 rotor with actuator; in FIG. 6 positioning system.

Многофункциональный электромагнитный двигатель содержит (фиг. 1) блок управления 1, определяющий цикл работы многофазного генератора 2, питающего обмотки статора 3, переменное электромагнитное поле которого через линию связи 4 возбуждает обмотки ротора 5. Управление регулятором этих обмоток осуществляется через линию связи 6. The multifunctional electromagnetic motor contains (Fig. 1) a control unit 1 that determines the operation cycle of the multiphase generator 2 supplying the stator windings 3, the alternating electromagnetic field of which excites the rotor windings through the communication line 4. The regulator of these windings is controlled through the communication line 6.

Статор 3 представляет собой ферромагнитную плиту с продольными канавками, в которых уложены три обмотки А1, А2, А3 и поперечными канавками с обмотками В1, В2, В3. На фиг. 2 показаны циклы Т_c работы двигателя. Напряжение с генератора 2 с амплитудой E и периодом Т в течение первой четверти цикла Т_c/4 подается на обмотки А в последовательности фаз А1, А2, А3, обеспечивая поперечное перемещение бегущего поля вверх, если смотреть на статор сверху. Поскольку силовые линии магнитного поля перпендикулярны направлению тока (и, следовательно, обмоткам статора), бегущее магнитное поле перемещается перпендикулярно пазам (канавкам), в которых уложены обмотки; в этом же направлении перемещается ротор.Stator 3 is a ferromagnetic plate with longitudinal grooves in which three windings A1, A2, A3 and transverse grooves with windings B1, B2, B3 are laid. In FIG. 2 shows the engine operation cycles T _c . The voltage from the generator 2 with an amplitude E and a period T during the first quarter of the cycle T _c / 4 is applied to the windings A in the phase sequence A1, A2, A3, providing a transverse movement of the traveling field upward when looking at the stator from above. Since the lines of force of the magnetic field are perpendicular to the direction of the current (and, therefore, to the stator windings), the traveling magnetic field moves perpendicular to the grooves (grooves) in which the windings are laid; the rotor moves in the same direction.

Затем запитываются фазы В1, В2, В3 продольное движение вправо; А3, А2, А1 поперечное движение вниз; В3, В2, В1 продольное движение влево. После этого цикл повторяется. В общем случае количество обмоток, число фаз и величина углов между обмотками произвольно и в приведенной формуле поэтому не оговариваются. В данном примере конкретного выполнения статора применяются две трехфазные и ортогональные обмотки. Then phases B1, B2, B3 are fed with longitudinal movement to the right; A3, A2, A1 transverse downward movement; B3, B2, B1 longitudinal movement to the left. After that, the cycle repeats. In the general case, the number of windings, the number of phases and the magnitude of the angles between the windings are arbitrary and therefore are not specified in the above formula. In this particular stator embodiment, two three-phase and orthogonal windings are used.

В простейшем случае линия связи 4 это воздушное пространство между поверхностью статора 3 и дном роторов 5, по которому переменное бегущее электромагнитное поле статора 3 передается на обмотки ротора 5. Блок управления 1 содержит: временный блок, определяющий циклы работы генератора 2 и передатчика 7 и формирователь команд для управления передатчиком 7 в зависимости от:
заданных скоростей и направлений движения всех роторов;
функций исполнительных механизмов;
местонахождения роторов.In the simplest case, the communication line 4 is the air space between the surface of the stator 3 and the bottom of the rotors 5, through which the alternating traveling electromagnetic field of the stator 3 is transmitted to the windings of the rotor 5. The control unit 1 contains: a temporary unit that determines the cycles of the generator 2 and transmitter 7 and the shaper commands for controlling the transmitter 7 depending on:
given speeds and directions of movement of all rotors;
functions of executive mechanisms;
the location of the rotors.

Входящий в состав блока управления 1 передатчик 7 (фиг. 3) работает в инфракрасном оптическом диапазоне и вырабатывает закодированные оптические сигналы синхронно с работой генератора 2, которые через оптическую линию связи 6 поступают на приемники 8 регуляторов тока 11 всех роторов 5. дешифратор 9 выделяет команду, относящуюся к данному ротору и, если требуется, открывает электронные ключи 10, включенные последовательно с обмотками 12. Поскольку обмотки 12 находятся в переменном поле статора 3, в них начинает протекать ток, взаимодействие которого с полем статора 3 приводит к появлению силы тяги, горизонтальная составляющая которой смещает ротор 5 и жестко связанную с ним обмотку 12 в сторону бега поля статора 3, а вертикальная, направленная противоположно силе гравитации, снижает силу трения, либо, при определенных режимах, создает левитирующий эффект для ротора 5. Каждый регулятор тока 11 снабжен источником питания, например аккумулятором. The transmitter 7 included in the control unit 1 (Fig. 3) operates in the infrared optical range and generates encoded optical signals in synchronization with the operation of the generator 2, which, via the optical communication line 6, are transmitted to the receivers 8 of the current regulators 11 of all rotors 5. The decoder 9 issues a command related to this rotor and, if required, opens the electronic keys 10 connected in series with the windings 12. Since the windings 12 are in the alternating field of the stator 3, a current begins to flow in them, the interaction of which о with the stator field 3 leads to the appearance of a thrust force, the horizontal component of which displaces the rotor 5 and the winding 12 rigidly connected to it towards the running field of the stator 3, and the vertical one, directed opposite to the force of gravity, reduces the friction force, or, under certain conditions, creates levitating effect for the rotor 5. Each current regulator 11 is equipped with a power source, such as a battery.

Пусть, например, на все приемники 8 какого-либо из роторов 5 подаются сигналы, отпирающие ключи 10 и, следовательно, позволяющие протекать наведенным в обмотках 12 токам только в течение всей первой четверти Т_c/4 каждого цикла Т_c. В этом случае в течение этой четверти ротор 5 будет набирать скорость и двигаться вверх, а в оставшиеся 3Т_c/4 будет с замедлением двигаться по инерции, имея среднюю небольшую скорость. Управление скоростью достигается изменением длительности управляющего ключом 10 сигнала и числа циклов, в которые подается сигнал.Suppose, for example, that all the receivers 8 of one of the rotors 5 receive signals that unlock the keys 10 and, therefore, allow the currents induced in the windings 12 to flow only during the entire first quarter T _c / 4 of each cycle T _c . In this case, during this quarter, rotor 5 will pick up speed and move up, and in the remaining 3T _c / 4 will slow down by inertia, having an average small speed. Speed control is achieved by changing the duration of the key control signal 10 and the number of cycles into which the signal is supplied.

Поворот ротора 5 осуществляется следующим образом. На дне ротора 5 (фиг. 4) устанавливаются 4 обмотки М1-М4 с ключами К1-К4, стрелками показана смена направлений бега статора 3 за один цикл. Если, например, при данном исходном положении ротора 5 в течении первой четверти периода замыкать ключи К2 и К4, второй К3 и К4, третьей К1 и К3, четвертой К1 и К2, то ротор 5 начнет поворачиваться против часовой стрелки. The rotation of the rotor 5 is as follows. At the bottom of the rotor 5 (Fig. 4), 4 windings M1-M4 with keys K1-K4 are installed, the arrows show the change in the running directions of the stator 3 in one cycle. If, for example, at a given initial position of the rotor 5, during the first quarter of the period, close the keys K2 and K4, the second K3 and K4, the third K1 and K3, the fourth K1 and K2, then the rotor 5 will begin to turn counterclockwise.

Пусть требуется осуществить движение по диагонали вниз-влево. В этом случае понадобится следующая последовательность замыкания ключей К: первая и вторая четверти цикла ни одного, третья и четвертая ключи К1, К2, К3, К4. Suppose you want to move diagonally down and to the left. In this case, you will need the following sequence of key closure K: the first and second quarters of a cycle, none, the third and fourth keys K1, K2, K3, K4.

Расширение функциональных возможностей двигателя осуществляется за счет использования исполнительного механизма, например, электромагнита 13 (фиг. 5), катушка которого включена последовательно с дополнительной обмоткой М5 (фиг. 4) ротора 5. Полезный ферромагнитный груз 14 притягивается при замыкании ключа К5 к электромагниту 13, и, при развороте ротора 5 и последующем размыкании ключа К5, переносится с полки 15 на полку 16. Expanding the functionality of the engine is through the use of an actuator, for example, an electromagnet 13 (Fig. 5), the coil of which is connected in series with the additional winding M5 (Fig. 4) of the rotor 5. The useful ferromagnetic load 14 is attracted when the key K5 is closed to the electromagnet 13, and, when the rotor 5 is turned and the key K5 is subsequently opened, it is transferred from shelf 15 to shelf 16.

Для достижения требуемой точности установки роторов, двигатель дополнительно снабжается системой позиционирования (фиг. 6), которая содержит:
установленные на дне каждого ротора 5 две разнесенные вспомогательные обмотки М6, М7, запитываемые от генератора переменного тока с различающимися частотами 17 и 18;
установленные во всех канавках статора 3 приемные петли 19 22, концы которых подключены к определителю положения 23;
связанный с блоком управления 1 определитель положения 23 (фиг. 6), который по наличию сигнала, его частоте и номерам возбуждаемых петель 19 22 находит координаты всех роторов 5.To achieve the required accuracy of installation of the rotors, the engine is additionally equipped with a positioning system (Fig. 6), which contains:
installed on the bottom of each rotor 5 two spaced auxiliary windings M6, M7, powered by an alternator with different frequencies 17 and 18;
receiving loops 19 22 installed in all grooves of the stator 3, the ends of which are connected to position determinant 23;
associated with the control unit 1, the position determiner 23 (Fig. 6), which by the presence of the signal, its frequency and the numbers of the excited loops 19 22 finds the coordinates of all rotors 5.

Чтобы избежать влияния помех, определитель положения 23 включатся на прием сигналов с петель 19 22 только на время пауз, специально вводимых между концом предыдущей и началом последующей четверти цикла (фиг. 2). To avoid the influence of interference, the position determiner 23 will be switched on to receive signals from loops 19 22 only for the period of pauses specially introduced between the end of the previous and the beginning of the next quarter of the cycle (Fig. 2).

Цикл работы определителя положения 23 задает блок управления 1. В течение специально вводимых пауз определитель положения 23 опрашивает входные сигналы с петель 19 22, причем так, что при первом опросе включается генератор 17 (фиг. 6), а при втором генератор 18 первого ротора, при третьем и четвертом опросах включаются генераторы 17 и 18 второго ротора и т.д. Команды на включение генератора также распознаются дешифратором 9 ротора 5. The operation unit of the position determiner 23 is determined by the control unit 1. During specially entered pauses, the position determiner 23 polls the input signals from the loops 19 22, so that during the first interrogation the generator 17 is switched on (Fig. 6), and during the second interrogation 18 of the first rotor, in the third and fourth polls, the generators 17 and 18 of the second rotor are turned on, etc. Commands to turn on the generator are also recognized by the decoder 9 of the rotor 5.

Положение ротора 5 однозначно определяется номерами возбужденных продольных (19 20) и поперечных петель(21 22) и частотами сигналов, а номер ротора, позиция которого определяется, задан изначально номером акта опроса. The position of the rotor 5 is uniquely determined by the numbers of the excited longitudinal (19 20) and transverse loops (21 22) and signal frequencies, and the rotor number, the position of which is determined, is initially set by the number of the interrogation report.

Таким образом определитель положения 23 содержит устройство синхронизации, коммутатор каналов (петель), приемник сигналов с петель с анализатором частоты и схему минимизации, в которой происходит сравнение программно-задаваемых координат ротора в любой момент времени, либо задаваемых органом управления и действительной координатой положения роторов 5, после чего подает команду управления на замыкание ключей К1-К4 (фиг. 4), так чтобы разность указанных координат была наименьшей. Thus, the position determiner 23 contains a synchronization device, a channel (loop) switch, a loop signal receiver with a frequency analyzer and a minimization circuit in which the programmable rotor coordinates are compared at any time, or those specified by the control and the actual rotor position coordinate 5 then sends a control command to lock the keys K1-K4 (Fig. 4), so that the difference of the specified coordinates is the smallest.

Система позиционирования работает следующим образом. Пусть, например, один из роторов 5 занял положение, указанное на фиг. 6. Тогда сигнал с частотой f₁₇, задаваемой генератором 17 через обмотку М6 будет возбуждать петли 19 и 21, а с частотой f₁₈ петли 20 и 22 соответственно. Этим положение ротора 5 однозначно определенно.The positioning system operates as follows. Let, for example, one of the rotors 5 occupy the position indicated in FIG. 6. Then the signal with a frequency f ₁₇ set by the generator 17 through the winding M6 will excite loops 19 and 21, and with a frequency f ₁₈ loops 20 and 22, respectively. This position of the rotor 5 is uniquely determined.

Помимо упомянутых выше двигатель допускает применение и других известных средств снижения силы трения между поверхностью статора и основанием роторов, таких как антифрикционные покрытия, роликовые пары, шаровые опоры, магнитная подвеска. Когда имеется только один ротор малых размеров относительно статора, энергетические затраты на создание неиспользуемого магнитного поля становятся неоправданно большими. In addition to the above-mentioned engines, other known means of reducing friction between the stator surface and the base of the rotors, such as anti-friction coatings, roller pairs, ball bearings, and magnetic suspension, can also be used. When there is only one small rotor relative to the stator, the energy costs of creating an unused magnetic field become unreasonably large.

В таком случае достаточно создавать нужное магнитное поле только в окрестности ротора. Для этого параллельно обмоткам А1, А2 и А3, подключаемым к генератору с частотой f₁, укладываются обмотки А4, А5 и А6, подключаемые к генератору с частотой f₂. Аналогично выполняются поперечные обмотки В. При малой разности частот f₁-f₂=Δf образуется бегущая волна, имеющая суммарную амплитуду биений и занимающая малую часть площади статора.In this case, it is sufficient to create the desired magnetic field only in the vicinity of the rotor. To do this, parallel to the windings A1, A2 and A3, connected to the generator with a frequency of f ₁ , windings A4, A5 and A6 are placed, connected to the generator with a frequency of f ₂ . The transverse windings of B are similarly performed. With a small frequency difference f ₁ -f ₂ = Δf, a traveling wave is formed, which has a total beat amplitude and occupies a small part of the stator area.

При необходимости изменить конфигурацию статора 3, составляющую его основу ферромагнитную плиту выполняют из гибкого материала, например из магнитной резины. If necessary, change the configuration of the stator 3, which forms its basis, the ferromagnetic plate is made of a flexible material, such as magnetic rubber.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает одновременное перемещение и вращение на плоскости нескольких объектов по различным траекториям. Thus, the present invention provides simultaneous movement and rotation on the plane of several objects along various paths.

Источники информации
1. Stepping motors and their microprocessor controls. T.Kenjo. Clarendon press. Oxford. 1984.Sources of information
1. Stepping motors and their microprocessor controls. T.Kenjo. Clarendon press. Oxford 1984.

Т. Кенио. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. Энергоатомиздат. Пер. с англ. 1987. T. Kenio. Stepper motors and their microprocessor control systems. Energoatomizdat. Per. from English 1987.

2. Патент США N 4890023 от 12/1989, кл. 310-312, W.E. Hinds, M.A. Lewis. 2. US patent N 4890023 from 12/1989, CL. 310-312, W.E. Hinds, M.A. Lewis.

3. Авторское свидетельство CCCP N 477504 от 15.07.1975. Бюл. N 26, кл. H 02 K 41/02. Л. И. Астафьев. 3. Copyright certificate CCCP N 477504 of 07.15.1975. Bull. N 26, cl. H 02 K 41/02. L.I. Astafiev.

Claims

1. A multifunctional electromagnetic motor containing a stator with groups of multiphase windings located at an angle to each other, rotors with windings, a multiphase generator, outputs connected to the corresponding windings of these stator groups, a control unit connected to an input of a multiphase generator, characterized in that the winding of each rotor includes a current regulator, contactlessly connected to the control unit.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the current regulator is composed of series-connected receiver of control signals, a decoder, an electronic key included in the winding of the corresponding rotor, and the control unit is equipped with a transmitter of the control signal.

3. The engine according to claim 1, characterized in that it is equipped with a position determiner, a stator with receiving loops, the ends of which are connected to the input of the position determiner, with an output connected to the input of the control unit, and each rotor with two spaced auxiliary windings and two alternating current generators with different frequencies, each of which is connected to the corresponding auxiliary winding of this rotor.