RU220384U1 - Корпусной вентильный двигатель с обратной связью - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники. Техническим результатом является обеспечение повышения точности позиционирования углового положения вала. Корпусной вентильный двигатель с обратной связью содержит синхронный электродвигатель, состоящий из ротора и статора со встроенными датчиками Холла и температуры на печатной плате, абсолютный датчик углового положения вала, вынесенный за электродвигатель и закрепленный на конце вала. Точность позиционирования достигается за счет применения системы датчиков Холла и/или абсолютного датчика углового положения, которые используются для выработки сигналов управления скоростью вращения вала корпусного вентильного двигателя с обратной связью. При этом абсолютный датчик углового положения выполнен с количеством разрядов от 14 бит и выше. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к вращающимся электрическим машинам со встроенными датчиками Холла и абсолютным датчиком углового положения, и может быть использована в приводной системе точного измерительного оборудования, станков ЧПУ, различных тренажерах, в автоматических роторно-конвейерных линиях, различных отраслях промышленной автоматизации.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Тенденции развития в области прецизионной техники и промышленной автоматики в части повышения точности, надежности функционирования и ремонтопригодности заставляют разработчиков оборудования искать современные электрические машины, обеспечивающие заданные технические требования к современным комплектующим изделиям.

Повышение точности осуществляется через угловые датчики положения вала ротора, которые используют для управления и получения сигналов обратной связи. Надежность функционирования и ремонтопригодность корпусных вентильных двигателей определяется конструктивными решениями. На практике широкое распространение получили различные виды электрических машин, предназначенных для вращательного движения или преобразования вращательного движения в линейное перемещение.

Известен вентильный двигатель (RU 2168834 С1), содержащий статор, ротор, корпус, вал, пару подшипников. Согласно изобретению, технический результат заключается в расширении диапазона рабочих скоростей двигателя и повышения КПД. Недостатком данного вентильного двигателя является то, что он не имеет встроенных датчиков углового положения для повышения точности позиционирования вала. Конструктивное исполнение имеет сложности по сборке и ремонту, а пара подшипников по одну на концах вала не повышает надежность функционирования изделия

Известен электропривод линейного перемещения (RU 137644 U1), содержащий корпус с сервомотором-редуктором и связанный с ним блок управления. Сервомотор-редуктор включает бесконтактный электродвигатель постоянного тока, статор, которого закреплен внутри корпуса и инвертированную роликовинтовую передачу, гайка которой является ротором электродвигателя, на ее внешней поверхности размещены постоянные магниты и датчик обратной связи, связанный с блоком управления. Корпус электропривода выполнен ребристым перпендикулярно оси вращения вала. Недостатком электропривода является невысокая механическая точность электропривода, необходимость задания высоких требований по точности исполнения при изготовлении роликовинтовой передачи, более трудоемкая механическая обработка ребристых ребер корпуса, отсутствие температурных датчиков для повышения надежности работы электропривода, а также в нем не предусмотрена оценка ошибки рассогласования по положению.

Известный бесконтактный двигатель постоянного тока (RU 2051460 С1) содержит ротор с постоянными магнитами, статор с обмотками, электронный блок управления, датчик положения ротора в виде неподвижно установленной обоймы с датчиками Холла и функционально связанную с ним систему с магнитопроводом и вспомогательным магнитом, магнитная система дополнительно снабжена жестко закрепленным на валу ротора цилиндрическим корпусом из немагнитного материала и удлиненной в поперечном сечении полостью, образованной размещенными в корпусе магнитопроводом из стали обыкновенного качества и вспомогательным магнитом, каждый из которых выполнен в виде двух элементов, образующих противоположные стороны полости, причем длинные стороны полости образованы элементами магнитопровода и выполнены плоскопараллельными, элементы вспомогательного магнита намагничены в направлении, перпендикулярном к плоскостям элементов магнитопровода, а обойма с датчиками Холла расположена в центральной части полости.

Недостатком данного конструктивного решения является наличие дополнительных вспомогательных магнитов, что приводит к усложнению при сборке или ремонте двигателя. Датчики положения ротора и Холла, расположенные в стороне, не учитывают с максимальной точностью положение ротора относительно статора по причине невозможности коммутации обмоток статора, что приводит к возникновению потерь мощности и снижению КПД. Конструктивное расположение подшипниковых опор в передней и задней крышке, которые изготавливаются по отдельности относительно корпуса, способствует появлению отклонений по соосности опор либо требует более жестких допусков при изготовлении, а это, в свою очередь, затраты на трудоемкость и повышение требований к обрабатывающему оборудованию.

Известен также вентильный двигатель (RU 2081497 С1), в котором в ярме якоря двигателя выполнены прорези вдоль продольной оси и в них размещены элементы датчиков Холла в положении, при котором их плоскости расположены вдоль радиуса двигателя. К недостаткам рассматриваемого изобретения можно отнести усложнения изготовления статора с прорезями вдоль продольной оси, появление неоднородности магнитного поля по двум концам статора, а размещение датчиков Холла непосредственно в магнитном поле статора может способствовать возникновению помех и нарушению условий коммутаций двигателя.

Известен бесщеточный серводвигатель с постоянными магнитами (CN 110429728 А), установленный на полом вале, в конструкции которого имеется отверстия в вале и статоре для циркуляции воздуха в серводвигателе с помощью вентилятора через заборное отверстие. Данное техническое решение дает хороший эффект рассеивания тепла. Недостатком данной конструкции является невозможность применения серводвигателя во влажной среде из-за вероятности попадания влаги внутрь статора, а также наличия высоких требований к качеству окружающего воздуха в части размеров пыли и частиц в месте эксплуатации двигателя. Конструктивное решение установки подшипниковых опор в переднюю и заднюю крышку обеспечивает меньшую соосность при сборке двигателя и сложность регулировки осевого люфта подшипниковых опор, что в свою очередь уменьшает надежность функционирования двигателя.

Наиболее близкой к рассматриваемой полезной модели относится патент CN 204947865 U. Полезная модель CN 204947865 U представляет бесщеточный серводвигатель, который включает ротор, статор, корпус, переднюю крышку, заднюю торцевую крышку, энкодер и приводную плату, которая размещена сбоку на торцевой крышке двигателя и интегрирована с двигателем. К недостаткам следует отнести то, что подшипниковые опоры установлены в передней и задней крышках серводвигателя, статор не имеет встроенных температурных датчиков, наличие приводной платы добавляет вес и габариты серводвигателю, а также уменьшает надежность функционирования за счет элементов, установленных на плате.

СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Техническим результатом является обеспечение повышения точности позиционирования углового положения вала корпусного вентильного двигателя. Корпусной вентильный двигатель с обратной связью содержит синхронный электродвигатель, состоящий из ротора и статора со встроенными датчиками Холла и температуры на печатной плате, абсолютный датчик углового положения вала, вынесенный за электродвигатель и закрепленный на конце вала.

Точность позиционирования достигается за счет применения системы датчиков Холла и/или абсолютного датчика углового положения, которые используются для выработки сигналов управления скоростью вращения вала корпусного вентильного двигателя с обратной связью с учетом оценки ошибки рассогласования положения вала корпусного вентильного двигателя с обратной связью относительно энкодера и датчика Холла и последующей корректировки этой ошибки рассогласования через сигналы управления.

Для повышения точности позиционирования вала двигателя устанавливается абсолютный датчик углового положения с количеством разрядов от 14 бит и выше, в зависимости от требований, задаваемых разработчиком приводной системы. Допускается установка и меньшей разрядности с уменьшением точности позиционирования.

Предлагаемый корпусной вентильный двигатель с обратной связью включает в себя современный компактный бесколлекторный электродвигатель, представляющий собой полый ротор, который устанавливается на вал двигателя и закрепляется на фиксатор, и статор со встроенными датчиками Холла и температуры на печатной плате, который монтируется в корпус двигателя на клей. Установка статора и роторов выполняется по определенной разработанной технологии сборке и монтажа.

Встроенные температурные датчики на печатной плате предназначены для контроля температуры обмоток статора, выполняя функцию защиты при перегрузке и при длительных нагрузочных режимах функционирования.

Корпус вентильного двигателя с обратной связью выполнен из сплава алюминия марки В95, а также может быть выполнен из аналогичных материалов, например сплав Д16, что соответствует техническим требованиям к данным видам изделия по прочности, меньшему весу, надежности, коррозионной стойкости и лучшему теплоотводу тепла в окружающую среду за счет конструктивного исполнения корпуса в виде ребристых ребер вдоль оси. В процессе эксплуатации обмотки статора нагреваются, а благодаря теплопроводности материала корпуса и большей площади наружной поверхности корпуса осуществляется охлаждение двигателя.

Вал с ротором вращаются в подшипниковых опорах, установленных в корпусе вентильного двигателя с датчиком обратной связи. Конструктивное выполнение размеров с учетом заданных допусков корпуса, вала и принятого технического решения расположения подшипников и их количество обеспечивают соосность расположения двух подшипниковых опор и прямолинейность оси вращения вала. Пара подшипников с защитными шайбами либо двухрядный подшипник с защитными шайбами расположены в передней части корпусного вентильного двигателя со стороны выходного конца вала, который испытывает наибольшую нагрузку при работе в приводной системе различного оборудования, вследствие наличия фактических отклонений от соосности при изготовлении и монтаже приводной системы оборудования. Вторая подшипниковая опора двигателя содержит один подшипник, который установлен на валу между статором с его монтажной частью и датчиком углового положения. Подшипниковая опора устанавливается в стакан, который устанавливается в корпус с минимальным диаметральным зазором не более 7 мкм. Установка одного подшипника в стакане осуществляется по схеме плавающего подшипника, что позволяет обеспечить соосность и прямолинейность оси вращения вала без заклинивания при эксплуатации, а при необходимости ремонта по замене изношенного подшипника не требуется доработка корпуса двигателя. Применение регулировочных колец для регулировки осевого люфта при сборке подшипникового узла обеспечивает меньший износ подшипников и повышает надежность функционирования данного узла в процессе эксплуатации.

Монтажные провода питания статора, датчиков Холла и температурных датчиков с помощью пайки закреплены на печатной плате статора, разделены по типам и выведены в соответствующие отверстия в корпусе к своим разъемам: питания и сигнала. Разделение проводов в корпусе при монтаже в отверстия уменьшают влияния наводок между проводами. Сами провода группы питания и сигнала находятся в бандаже из специального шнур-чулка кремнеземного ШК-1, который выдерживает высокие температуры эксплуатации выше 200°С, и закреплены к корпусу на клей ВТ-25-200 ОСТ В 6-06-5100-96, выдерживающий температуру до 200°С на период эксплуатации двигателя. Для защиты монтажных проводов от вращающихся частей двигателя устанавливается фторопластовая втулка, которая отделяет провода от остальной части двигателя.

Провод абсолютного датчика углового положения выведен через кожух двигателя. Конструктивное решение расположения абсолютного датчика углового положения за корпусом в кожухе позволяет изготавливать модификации корпусных вентильных двигателей без энкодера для задач, которые не требуют высоких точностей позиционирования вала, сохраняя весь конструктив и способ сборки двигателя за исключением задней части двигателя.

Торможение двигателя обеспечивается за счет управляющего сигнала с устройства управления.

Таким образом, в предлагаемом корпусном вентильном двигателе с обратной связью реализованы технические решения, которые за счет применения современного конструктива вентильного двигателя со встроенными датчиками Холла и температуры в печатную плату статора, совместного применения с датчиками Холла абсолютного датчика углового положения для оценки ошибки рассогласования вала двигателя в совокупности обеспечивают заданное позиционирование углового положения вала.

В настоящее время на предприятии отработан способ сборки и изготовлен опытный образец корпусного вентильного двигателя с обратной связью, разработаны аналогичные двигатели с различными параметрами, а также разработаны корпусные вентильные двигатели только с датчиками Холла и температуры.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой вид, на котором показан корпусной вентильный двигатель с обратной связью.

Фиг. 2 представляет собой вид, на котором показан разрез корпусного вентильного двигателя с обратной связью.

Фиг. 3 представляет собой вид, на котором показан разрез в плоскости корпусного вентильного двигателя с обратной связью.

1 - корпус;

2 - вал;

3 - статор;

4 - ротор;

5 - плата с датчиками Холла и температурными датчиками;

6 - подшипниковый узел передней части;

7 - подшипник задний части;

8 - стакан;

9 - абсолютный датчик углового положения;

10 - кожух;

11 - втулка;

12 - регулировочные кольца;

13 - разъем питания;

14 - разъем сигнала;

15 - провод с разъемом абсолютного датчика углового положения;

16 - втулка;

17 - фланец:

18 - шпонка.

Фиг. 4 представляет собой вид, на котором условно показан монтаж проводов от статора корпусного вентильного двигателя с обратной связью к разъемам.

Фиг. 5 представляет собой вид, на котором показан корпусной вентильный двигатель без энкодера.

19 - крышка. Остальные позиции аналогичны Фиг. 3.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Конструкция корпусного вентильного двигателя с обратной связью настоящей полезной модели приведена на Фиг. 1 и описана подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи для применения в измерительном оборудовании, тренажерах и в других различных устройствах. Одинаковые элементы обозначены согласно ссылочным позициям, а стандартный крепеж и детали, не несущие влияние на техническое решение не указаны.

Количество магнитов ротора, количество штырей на печатной плате, место расположения датчиков Холла и температуры показано условно и зависит от различных параметров исполнений. Провода от печатной платы статора показаны лишь условно на Фиг. 3.

На Фиг. 1 представлено изображение корпусного вентильного двигателя с обратной связью в трехмерном виде для лучшего восприятия. Корпус 1 двигателя выполнен с ребрами вдоль оси вала с четырех сторон. На вал 2 устанавливается шпонка 18 для присоединения к приводной системе оборудования. На верхней части корпуса установлены разъемы питания 13 и сигнала 14, к которым выполняется электромонтаж проводов от печатной платы статора 5.

На Фиг. 2 для большей наглядности представлен разрез трехмерной модели корпусного вентильного двигателя с обратной связью.

На Фиг. 3 можно увидеть детальное расположение входящий деталей. Ротор 4 устанавливается на вал 2 на фиксатор с помощью специального приспособления при сборке по определенной отработанной технологии, а статор 3 с печатной платой с датчиками Холла и температуры 5 устанавливается на клей в корпус 1 с соблюдением разработанной технологии. После высыхания, схватывания фиксатора и клея вал 2 с ротором 4 устанавливается в корпус 1 со статором 3. В передней части корпуса 1 установлен подшипниковый узел 6 с регулировочными кольцами 12, который зафиксирован втулкой 11. Для возможности присоединения корпусного вентильного двигателя с датчиком обратной связи к приводной системе оборудования предназначен фланец 17, а также выходной конец вала 2 и шпонка 19. Втулка 16 ограничивает и защищает провода, идущие от печатной платы 5 статора 3 от вращающих частей. Подшипник 7 расположенный в задней части устанавливается на вал 2 с натягом и в стакан 8 с зазором. Подшипник 7 фиксируется стаканом 8 по внутренней обойме подшипника 7. На конце вала 2 закрепляется абсолютный датчик углового положения 9, а провод датчика 15 выводится через отверстие в кожухе 10. Кожух 10 крепится к корпусу 1 на стандартный крепеж.

На Фиг. 4 отдельно условно показан монтаж проводов от печатной платы 5 статора 3 корпусного вентильного двигателя с датчиком обратной связи через два отверстия соответственно к разъемам питания 13 и сигнала 14. На проводах выполнен бандаж и крепление на клей к корпусу 1.

На Фиг. 5 показан корпусной вентильный двигатель без энкодера для понимания отличия от основного исполнения, который отличается по длине вала 2 и установкой крышки 19 взамен кожуха 10.

Claims (5)

1. Корпусной вентильный двигатель с обратной связью, содержащий бесщеточный электродвигатель, статор которого закреплен внутри корпуса, ротор установлен на валу, а вал с ротором находится в статоре в подшипниковых опорах, абсолютный датчик углового положения вала вынесен за электродвигатель и закреплен на конце вала, отличающийся тем, что совместно с датчиком углового положения применяются датчики Холла для выработки сигналов управления скоростью вращения вала и контроля ошибки рассогласования вала двигателя, при этом абсолютный датчик углового положения выполнен с количеством разрядов от 14 бит и выше.

2. Корпусной вентильный двигатель с обратной связью по п. 1, отличающийся тем, что печатная плата с встроенными датчиками Холла и температуры установлена на статоре.

3. Корпусной вентильный двигатель с обратной связью по п. 1, отличающийся тем, что первый подшипниковый узел представляет собой пару подшипников, которые установлены в передней части на валу и в корпусе двигателя, а в задней части установлена вторая подшипниковая опора, выполненная в виде одного подшипника качения, который размещается между статором с монтажными проводами и датчиком углового положения на валу и в стакане, торцевая поверхность которого фиксирует внутреннюю обойму подшипника в осевом положении, а наружная обойма остается свободной.

4. Корпусной вентильный двигатель с обратной связью по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен с ребрами вдоль оси по наружным боковым поверхностям из алюминиевого сплава В95.

5. Корпусной вентильный двигатель с обратной связью по п. 1, отличающийся тем, что монтажные провода от печатной платы статора выведены в соответствующие отверстия питания и сигнала в корпусе, закреплены и ограничены защитной втулкой от вращающихся частей.