RU2440660C2 - Exciter of mechanical oscillations - Google Patents

Exciter of mechanical oscillations Download PDF

Info

Publication number
RU2440660C2
RU2440660C2 RU2008137899/07A RU2008137899A RU2440660C2 RU 2440660 C2 RU2440660 C2 RU 2440660C2 RU 2008137899/07 A RU2008137899/07 A RU 2008137899/07A RU 2008137899 A RU2008137899 A RU 2008137899A RU 2440660 C2 RU2440660 C2 RU 2440660C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
shaft
rotor
stator
stepper motor
poles
Prior art date
Application number
RU2008137899/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Магомед Хабибович Магомедов (RU)
Магомед Хабибович Магомедов
Original Assignee
Магомед Хабибович Магомедов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Магомед Хабибович Магомедов filed Critical Магомед Хабибович Магомедов
Priority to RU2008137899/07A priority Critical patent/RU2440660C2/en
Priority to PCT/RU2009/000492 priority patent/WO2010036149A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2440660C2 publication Critical patent/RU2440660C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: vibration generator comprises a step motor, to phase windings of which control pulses are supplied. A yoke with a lever and an impact tool at the yoke's end is rigidly installed onto the shaft of the step motor. The longitudinal axis of the yoke is perpendicular to the axis of shaft rotation. It is equipped with levers, ends of which are connected to springs that in the end connect the shaft and the body. The yoke and levers are made with the possibility to make angular oscillating movements relative to the axis of the shaft rotation. As control signals are sent to the step motor stator windings, the impact tool makes angular oscillating movements relative to the axis of the shaft rotation. The moment of time for supply of control signals is determined using readings of the shaft angular position sensor.
EFFECT: increased reliability, efficiency factor, specific impact energy at minimum consumption and optimal dimensions.
2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в вибрационных и вибрационно-ударных устройствах для получения механических колебаний, применяемых в различных вибротехнологиях, например, для нанесения изображений на твердые поверхности путем направленного программно-управляемого разрушения поверхности методом удара.The invention relates to the field of electromechanics and can be used in vibration and vibration-shock devices for obtaining mechanical vibrations used in various vibration technologies, for example, for applying images to solid surfaces by means of program-controlled directed destruction of the surface by the impact method.

Известно устройство - электромагнитный вибратор ([1] патент SU 1040573 от 23/05/1986 г.), содержащий статор с обмоткой переменного тока, размещенный на явно выраженных симметрично расположенных по окружности полюсах, и явнополюсный якорь, полюсное деление которого равно полюсному делению статора, полюса якоря выполнены в виде двух групп, сдвинутых в противоположных направлениях относительно оси симметрии на половину ширины полюса. Статор и якорь связаны между собой подшипниками качения, а также упругими элементами, которые приводят при обесточенных обмотках статора в нейтральное положение рычаг, жестко закрепленный на валу ротора.A device is known - an electromagnetic vibrator ([1] patent SU 1040573 dated 05/23/1986), comprising a stator with an alternating current winding, placed on poles that are clearly symmetrically spaced around the circumference, and an explicit pole armature, the pole division of which is equal to the pole division of the stator , the anchor poles are made in the form of two groups shifted in opposite directions relative to the axis of symmetry by half the width of the pole. The stator and the armature are interconnected by rolling bearings, as well as by elastic elements, which, when the stator windings are deenergized, lead to a neutral position a lever rigidly mounted on the rotor shaft.

Известен электромагнитный вибратор ([2] патент SU 1469532 от 30/03/1989 г.), содержащий симметричный явнополюсный статор с обмоткой на полюсах, состоящей из двух параллельных ветвей, внутри которого размещен четырехполюсный якорь, полюса якоря смещены по окружности на половину ширины полюса статора попарно по и против часовой стрелки и несут параллельные ветви обмотки статора, пульсирующий ток в которые подается от источника переменного тока через выпрямительные элементы. В ярме между его полюсами, подсоединенными к выпрямительным элементам, выполнены дополнительные зазоры, заполненные немагнитным материалом, которые позволят исключить потоки рассеяния в магнитопроводе. Статор и якорь связаны между собой подшипниками качения, а также упругими элементами, которые приводят при обесточенных параллельных ветвях обмотки статора в нейтральное положение рычаг, жестко закрепленный на валу ротора.Known electromagnetic vibrator ([2] patent SU 1469532 dated 30/03/1989), containing a symmetrical explicit pole stator with a pole winding, consisting of two parallel branches, inside of which there is a four-pole armature, the armature poles are displaced around the circumference by half the width of the pole the stator in pairs clockwise and counterclockwise and carry parallel branches of the stator winding, the pulsating current to which is supplied from the AC source through rectifier elements. In the yoke between its poles connected to the rectifier elements, additional gaps filled with non-magnetic material are made, which will eliminate the scattering fluxes in the magnetic circuit. The stator and the armature are interconnected by rolling bearings, as well as by elastic elements that, when the stator winding branches are de-energized, are switched to the neutral position and the lever is rigidly fixed to the rotor shaft.

Известен электромагнитный вибратор ([3] патент SU 1820460 от 07/06/1993 г.), содержащий статор с восемью полюсами, равномерно-распределенными по окружности и оснащенными намотанными на них катушками обмотки переменного тока, состоящей из двух параллельных ветвей, которые присоединены к источнику питания при помощи выпрямительных элементов, причем выпрямительные элементы включены встречно, и через них в параллельные ветви обмотки статора подается пульсирующий ток. Внутри статора на валу при помощи шпонки закреплен якорь, выполненный явнополюсным, причем число полюсов якоря равно числу полюсов статора. Полюса якоря выполнены в виде двух групп, сдвинутых в противоположных направлениях на половину ширины полюса относительно оси симметрии, проходящей в нейтральном его положении посередине немагнитных зазоров, выполненных в ярме статора между полюсами, катушки которых принадлежат к разным параллельным ветвям обмотки переменного тока. Статор и якорь связаны между собой подшипниками, а также упругими элементами, которые приводят при обесточенных параллельных ветвях обмотки статора в нейтральное положение рычаг и, соответственно, якорь; рычаг жестко закреплен на валу вибратора, и рабочий орган в зависимости от требуемой линейной амплитуды колебаний может быть закреплен как на валу вибратора, так и на рычаге на соответствующем расстоянии от вала. Между смежными полюсами статора, катушки которых принадлежат к разным параллельным ветвям, выполнены дополнительные зазоры в ярме статора, заполненные немагнитным материалом.Known electromagnetic vibrator ([3] patent SU 1820460 dated 07/06/1993), containing a stator with eight poles uniformly distributed around the circumference and equipped with winding coils of an alternating current winding consisting of two parallel branches that are connected to to the power source using rectifier elements, and the rectifier elements are turned on in opposite directions, and through them a pulsating current is supplied to the parallel branches of the stator winding. Inside the stator on the shaft with the help of a key an anchor is made, made explicitly polar, and the number of poles of the armature is equal to the number of poles of the stator. The pole of the armature is made in the form of two groups shifted in opposite directions by half the width of the pole relative to the axis of symmetry, passing in its neutral position in the middle of non-magnetic gaps made in the yoke of the stator between the poles, the coils of which belong to different parallel branches of the AC winding. The stator and the armature are interconnected by bearings, as well as by elastic elements, which, when the parallel branches of the stator winding are de-energized, turn the lever and, accordingly, the armature into neutral position; the lever is rigidly fixed to the vibrator shaft, and the working element, depending on the required linear amplitude of the vibrations, can be fixed both on the vibrator shaft and on the lever at an appropriate distance from the shaft. Between adjacent poles of the stator, the coils of which belong to different parallel branches, additional gaps are made in the stator yoke, filled with non-magnetic material.

Также известно устройство - колебательный шаговый двигатель ([4] патент US 5,126,605 «Oscillating Stepper Motor» от 30.06.1992 г.), включающий:A device is also known - an oscillatory stepper motor ([4] patent US 5,126,605 "Oscillating Stepper Motor" from 06/30/1992), including:

(a) однофазную кольцевую катушку статора, определяющую центральную цилиндрическую полость, указанная кольцевая катушка статора создает магнитное поле первой полярности, когда электрический ток проходит через нее в первом направлении;(a) a single-phase annular stator coil defining a central cylindrical cavity, said annular stator coil creates a magnetic field of a first polarity when an electric current passes through it in a first direction;

(b) цилиндрический ротор, включающий роторный магнит, расположенный для вращательного движения относительно указанной кольцевой катушки статора в указанной центральной цилиндрической полости и соосно указанной кольцевой катушкой статора; указанный цилиндрический ротор, в зависимости от указанного магнитного поля первой полярности, создаваемого в указанной кольцевой катушке статора, может вращаться меньше чем на 180 градусов от стопорного положения к первому положению, определенному указанным магнитным полем указанной первой полярности; и(b) a cylindrical rotor comprising a rotor magnet located for rotational motion relative to the specified annular stator coil in the specified Central cylindrical cavity and coaxially indicated by the annular stator coil; the specified cylindrical rotor, depending on the specified magnetic field of the first polarity created in the specified annular coil of the stator, can rotate less than 180 degrees from the lock position to the first position defined by the specified magnetic field of the specified first polarity; and

(c) стопорный магнит, фиксирование расположенный с учетом указанной катушки статора в указанной цилиндрической полости, для вращения указанного ротора к указанному стопорному положению, всегда, когда указанная кольцевая катушка статора обесточивается(c) a locking magnet, fixing located in view of said stator coil in said cylindrical cavity to rotate said rotor to said locked position, whenever said stator ring coil is de-energized

Известно устройство - роторный привод ([5] патент US 4,795,929 «Rotary Actuator» от 03.01.1989 года), имеющий постоянный магнитный якорь с диаметрально противоположными полюсами различной полярности, установленный между парой статорных элементов, по крайней мере, один из которых является электромагнитом, так, что имеет возможность вращаться между первым и вторым положением при создании выбранного распределения потока хотя бы в одном электромагнитном статорном элементе. Электромагнитный статорный элемент создан так, что он создает ассиметричное магнитное поле, которое больше вблизи одного из противоположных полей якоря, чем в другом. Электромагнитный статор состоит из сердцевины из мягкого железного материала и внутренней поверхностью повернут к ротору. Катушка намотана на сердцевину так, чтобы создавать на сердцевине магнитные силовые поля на каждой поверхности сердцевины. Ассиметричное поле потока создается путем предоставления внутренней стороны сердцевины большего сегмента, увеличивающего поле потока и плотность в заданном месте и поля поменьше для остальной части сердцевины. Предпочтительно больший сегмент поверхности сердцевины вытянут наружу и тесно расположен к поверхности якоря для выбранного дугового расстояния.A device is known as a rotary drive ([5] patent US 4,795,929 "Rotary Actuator" dated 01/03/1989), having a permanent magnetic armature with diametrically opposite poles of different polarity, mounted between a pair of stator elements, at least one of which is an electromagnet, so that it can rotate between the first and second positions when creating the selected flow distribution in at least one electromagnetic stator element. The electromagnetic stator element is designed so that it creates an asymmetric magnetic field that is larger near one of the opposite fields of the armature than in the other. The electromagnetic stator consists of a core of soft iron material and the inner surface is turned towards the rotor. The coil is wound on the core so as to create magnetic force fields on the core on each surface of the core. An asymmetric flow field is created by providing the inside of the core of a larger segment, increasing the flow field and density at a given location and smaller fields for the rest of the core. Preferably, a larger segment of the surface of the core is elongated outward and closely located to the surface of the armature for a selected arc distance.

В частности, привод включает пару электромагнитных статоров, каждый из которых имеет не магнитопроводимое ядро и катушку, взаимодействующих для создания первого и второго полюса. Статоры фиксировано закреплены на расстоянии друг против друга, их полюсы лежат на общей оси намагничивания, и имеют ассиметричную форму для предоставления большего силового поля одной стороне намагничивания, чем другой. Якорь, состоящий из цилиндрического постоянного магнита, имеющего противоположные первый и второй полюсы, лежащие вдоль диаметральной полюсной оси, закреплен с возможностью вращения между противоположными статорами так, что диаметральная полюсная ось изначально идет поперечно оси намагничивания статоров. Электрическая цепь выборочно подает напряжение электромагнитным статорам так, чтобы индуцировать на первом и втором полюсе управляемых статоров, прямо и обратно соответственно, для принуждения силового ноля притягивать или отталкивать полюс вышеуказанного цилиндрического магнита, лежащего на той же стороне оси намагничивания, чтобы заставить якорь вращаться.In particular, the drive includes a pair of electromagnetic stators, each of which has a non-magnetically conducting core and coil, interacting to create the first and second poles. The stators are fixed fixed at a distance against each other, their poles lie on the common axis of magnetization, and have an asymmetric shape to provide a larger force field to one side of the magnetization than the other. An anchor consisting of a cylindrical permanent magnet having opposite first and second poles lying along the diametrical pole axis is rotatably fixed between opposite stators so that the diametrical pole axis initially runs transversely to the magnetization axis of the stators. The electric circuit selectively supplies voltage to the electromagnetic stators so as to induce controlled stators on the first and second poles, directly and vice versa, to force the power zero to attract or repel the pole of the aforementioned cylindrical magnet lying on the same side of the magnetization axis to make the armature rotate.

Отличительные особенности объекта, защищаемого в заявке, и устройств-прототипов станут явными после приведенного далее описания и основных признаков промышленного шагового двигателя, который используется в предлагаемой заявке ([6] Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. - М.: Мир, 1987; [7] Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 772 с.; [8] Гулин В.Ф., Калитинская Т.В. Следящий шаговый электропривод. - Л.: Энергия, 1980. - 168 с.; [9] Карпенко Б.К., Ларченко В.И., Прокофьев Ю.А. Шаговые электродвигатели. - К.: Технiка, 1972. - 216 с.).Distinctive features of the object protected in the application and prototype devices will become apparent after the following description and the main features of the industrial stepper motor, which is used in the proposed application ([6] Kenio T. Stepper motors and their microprocessor control systems. - M.: Mir , 1987; [7] Andreev V.P., Sabinin Yu.A. Fundamentals of an electric drive. - M .; L .: Gosenergoizdat, 1963. - 772 p .; [8] Gulin V.F., Kalitinskaya T.V. Tracking electric stepper drive. - L .: Energia, 1980. - 168 p .; [9] Karpenko B.K., Larchenko V.I., Prokofiev Yu.A. Stepper electric motor Teli -. K .: Tehnika, 1972. - 216 c)..

Существуют три основных типа шаговых двигателей:There are three main types of stepper motors:

- двигатели с переменным магнитным сопротивлением,- motors with variable magnetic resistance,

- двигатели с постоянными магнитами,- permanent magnet motors,

- гибридные двигатели.- hybrid engines.

Дадим краткую характеристику каждого из них.We give a brief description of each of them.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют статор с несколькими полюсами и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала (фиг.1). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты рассмотрения на фиг.1 ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые фазовые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Шаг такого двигателя равен 30°.Variable magnetic resistance stepper motors have a stator with several poles and a gear rotor made of soft magnetic material (Fig. 1). Rotor magnetization is absent. For ease of consideration, in FIG. 1, the rotor has 4 teeth, and the stator has 6 poles. The motor has 3 independent phase windings, each of which is wound on two opposite poles of the stator. The pitch of such an engine is 30 °.

При включении тока в одной из катушек ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, обмотка которых находится под током. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор изменит свое угловое положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь большее число полюсов статора и зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага (порядка нескольких градусов).When the current is turned on in one of the coils, the rotor tends to take a position when the magnetic flux is closed, i.e. the teeth of the rotor will be opposite those poles, the winding of which is under current. If then turn off this winding and turn on the next, the rotor will change its angular position, again closing the magnetic flux with its teeth. Thus, in order to carry out continuous rotation, it is necessary to include phases alternately. The motor is not sensitive to the direction of the current in the windings. A real motor can have a larger number of stator poles and rotor teeth, which corresponds to more steps per revolution. Sometimes the surface of each pole of the stator is toothed, which together with the corresponding teeth of the rotor provides a very small value of the pitch angle (of the order of several degrees).

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (фиг.2). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора, в таких ШД обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.Motors with permanent magnets consist of a stator, which has windings, and a rotor containing permanent magnets (figure 2). Alternating rotor poles have a rectilinear shape and are parallel to the axis of the motor. Due to the magnetization of the rotor, such magnetic motors provide a greater magnetic flux and, as a result, a greater moment than motors with variable magnetic resistance.

Показанный на фиг.2 двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Каждая из независимых обмоток намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30°. При включении тока в одной из катушек ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения необходимо включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48-24 шага на оборот (угол шага 7.5°-15°).The motor shown in FIG. 2 has 3 pairs of rotor poles and 2 pairs of stator poles. Each of the independent windings is wound on two opposite poles of the stator. Such an engine, as well as the previously considered engine with variable magnetic resistance, has a step value of 30 °. When the current is turned on in one of the coils, the rotor tends to take such a position when the opposite poles of the rotor and stator are opposite each other. For continuous rotation, the phases must be switched on alternately. In practice, permanent magnet motors typically have 48-24 steps per revolution (pitch angle 7.5 ° -15 °).

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает его максимальную частоту вращения. Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.Permanent magnet motors are affected by the back emf of the rotor, which limits its maximum speed. To operate at high speeds, motors with variable magnetic resistance are used.

Гибридные ШД являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных ШД составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6°-0.9°). Гибридные ШД сочетают в себе лучшие свойства двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного ШД имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (фиг.3).Hybrid stepper motors are more expensive than permanent magnet motors, but they provide lower pitch, higher torque and higher speed. The typical number of steps per revolution for hybrid ballasts is from 100 to 400 (pitch angle 3.6 ° -0.9 °). Hybrid stepper motors combine the best properties of variable magnetic resistance motors and permanent magnet motors. The rotor of the hybrid SD has teeth located in the axial direction (figure 3).

Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки - южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного ШД также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6° двигателей и 8 основных полюсов для 1.8° и 0.9° двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть - между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателяThe rotor is divided into two parts, between which is located a cylindrical permanent magnet. Thus, the teeth of the upper half of the rotor are the north poles, and the teeth of the lower half are the south. In addition, the upper and lower halves of the rotor are rotated relative to each other by half the pitch angle of the teeth. The number of pairs of rotor poles is equal to the number of teeth on one of its halves. Toothed pole tips of the rotor, like the stator, are assembled from separate plates to reduce eddy current losses. The hybrid stator stator also has teeth, providing a large number of equivalent poles, unlike the main poles on which the windings are located. Usually 4 main poles are used for 3.6 ° motors and 8 main poles for 1.8 ° and 0.9 ° motors. The teeth of the rotor provide less resistance to the magnetic circuit in certain positions of the rotor, which improves the static and dynamic moment. This is ensured by the appropriate arrangement of the teeth, when part of the teeth of the rotor is strictly opposite the teeth of the stator, and part - between them. The relationship between the number of rotor poles, the number of equivalent stator poles and the number of phases determines the pitch angle S of the motor

S=360/(Nph*Ph)=360/N,S = 360 / (Nph * Ph) = 360 / N,

где Nph - число эквивалентных полюсов на фазу = число полюсов ротора,where Nph is the number of equivalent poles per phase = the number of poles of the rotor,

Ph - число фаз,Ph is the number of phases

N - полное количество полюсов для всех фаз вместе.N is the total number of poles for all phases together.

Ротор показанного на фиг.3 двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное число полюсов - 200, а шаг, соответственно, 1.8°.The rotor of the motor shown in FIG. 3 has 100 poles (50 pairs), the motor has 2 phases, so the total number of poles is 200, and the pitch, respectively, is 1.8 °.

Большинство современных промышленных шаговых двигателей являются гибридными. По сути, гибридный двигатель является двигателем с постоянными магнитами, но с большим числом полюсов. По способу управления такие двигатели одинаковы. Чаще всего они имеют 100 или 200 шагов на оборот, соответственно шаг равен 3.6° или 1.8°.Most modern industrial stepper motors are hybrid. In essence, a hybrid motor is a permanent magnet motor, but with a large number of poles. By the control method, such engines are the same. Most often they have 100 or 200 steps per revolution, respectively, the step is 3.6 ° or 1.8 °.

В зависимости от конфигурации обмоток промышленные ШД подразделяются на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный ШД имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (фиг.4а).Depending on the configuration of the windings, industrial high voltage motors are divided into bipolar and unipolar. A bipolar motor has one winding in each phase, which must be reversed by the driver to change the direction of the magnetic field. This type of motor requires a bridge driver or half-bridge with bipolar power. In total, a bipolar SD has two windings and, accordingly, four outputs (figa).

Униполярный ШД также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан вывод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого соответствующей обмоткой, простым переключением половинок обмотки. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри ШД, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов (фиг.4б). Иногда униполярные ШД имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому у такого ШД всего 8 выводов (фиг.4в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный ШД с двумя обмотками и выводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если выводы оставить неподключенными.Unipolar SD also has one winding in each phase, but a conclusion is drawn from the middle of the winding. This allows you to change the direction of the magnetic field created by the corresponding winding, by simply switching the halves of the winding. Thus, in a unipolar motor, another method is used to change the direction of the magnetic field. The average terminals of the windings can be combined inside the SD, so such an engine can have 5 or 6 conclusions (figb). Sometimes unipolar motor drives have separate 4 windings, for this reason they are erroneously called 4-phase motors. Each winding has separate conclusions, therefore, such an SD has only 8 conclusions (Fig. 4c). With the appropriate connection of the windings, such a motor can be used as a unipolar or bipolar motor. A unipolar motor drive with two windings and leads can also be used in bipolar mode, if the leads are left unconnected.

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Первый способ обеспечивается попеременной коммутацией фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (фиг.5а). Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного ШД.There are several ways to control the phases of a stepper motor. The first method is provided by alternating switching of phases, while they do not overlap, only one phase is turned on at a time (Fig. 5a). The equilibrium points of the rotor for each step coincide with the "natural" equilibrium points of the rotor in an uncharged SD.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (фиг.5б), и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же по величине шаг, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.The second method is phase control with overlap: two phases are included at the same time. With this control method, the rotor is fixed in intermediate positions between the poles of the stator (Fig.5b), and provides approximately 40% more torque than in the case of one switched on phase. This control method provides the same step size as the first method, but the position of the equilibrium points of the rotor is shifted by half a step.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, когда ШД делает шаг, равный половине основного (фиг.5в).The third method is a combination of the first two and is called a half-step mode when the stepper motor takes a step equal to half the main one (Fig. 5c).

Таким образом, основными признаками шагового двигателя, используемого в заявке в качестве возбудителя колебаний, являются следующие:Thus, the main features of a stepper motor used in the application as a pathogen, are the following:

1. Угол поворота ротора пропорционален количеству входных импульсов управления, а угловая скорость вращения вала ротора пропорциональна частоте следования импульсов управления.1. The angle of rotation of the rotor is proportional to the number of input control pulses, and the angular velocity of rotation of the rotor shaft is proportional to the repetition rate of the control pulses.

2. Крутящий момент, необходимый для вращения вала ротора шагового двигателя создается коммутацией фазовых обмоток. Шаговый двигатель имеет минимум две фазовые обмотки.2. The torque required to rotate the rotor shaft of the stepper motor is created by switching the phase windings. A stepper motor has at least two phase windings.

3. Шаговый двигатель в режиме остановки, когда обмотки не запитаны, обеспечивает небольшой по величине момент, называемый моментом удержания, а в случае, когда обмотки запитаны, то обеспечивает максимальный момент, прецизионное позиционирование и повторяемость, то есть ему присуща однозначная зависимость положения ротора от входных импульсов.3. The stepper motor in stop mode, when the windings are not energized, provides a small momentum, called the holding moment, and in the case when the windings are energized, it provides maximum torque, precise positioning and repeatability, that is, it has an unambiguous dependence of the rotor position on input pulses.

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Реверс ШД может быть осуществлен на любом шаге за счет изменения знака вращающего момента. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая зависит от тока в обмотке и количества витков. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное устойчивое положение, он будет находиться в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и примет одно из следующих ближайших положений равновесия.In a stepper motor, torque is generated by the magnetic fluxes of the stator and rotor, which are suitably oriented relative to each other. The reverse of the ШД can be carried out at any step by changing the sign of the torque. The stator is made of a material with high magnetic permeability and has several poles. The pole can be defined as some region of a magnetized body where the magnetic field is concentrated. Both the stator and the rotor have poles. To reduce eddy current losses, the magnetic cores are assembled from separate plates, like a transformer core. The torque is proportional to the magnitude of the magnetic field, which depends on the current in the winding and the number of turns. If at least one winding of the stepper motor is energized, the rotor assumes a certain stable position, it will remain in this position until the external applied moment exceeds a certain value, called the holding moment. After that, the rotor will turn and take one of the next nearest equilibrium positions.

В описании устройств-прототипов [1]-[3] нигде не упоминается, что возбудителем колебаний является шаговый двигатель; сами устройства не обладают признаками шагового двигателя и не являются шаговыми двигателями - это типичные электромагнитные вибраторы, которые внешне похожи на шаговые двигатели, но управляться и работать как шаговые двигатели не могут. Приведенный электромагнитный вибратор - это специальный электрический однофазный синхронный двигатель переменного тока промышленной частоты с несимметричным ротором и симметричным статором, обмотки которого включены по схеме двухполупериодного выпрямления. Такой электродвигатель не имеет основных признаков шагового двигателя, перечисленных выше. С точки зрения конструкции устройство [4] хотя и внешне похоже на серийный шаговый двигатель с магнитным ротором, но не является шаговым двигателем и работать как шаговый двигатель не может. В отличие от шагового двигателя колебательный шаговый двигатель имеет только одну фазу статора, и колебательные движения совершаются только изменением направления тока в этой фазовой обмотке. Кроме того, принципиальной особенностью колебательного шагового двигателя, не позволяющей быть ему классическим шаговым двигателем, является наличие, кроме однофазного статора и постоянного магнитного ротора, фиксирующего постоянного магнита. Ротор в такой конструкции не может непрерывно вращаться на бесконечное число оборотов как в классическом шаговом двигателе, а может только лишь поворачиваться на определенный угол, величина которого пропорциональна току, подаваемому на однофазную обмотку статора.In the description of the prototype devices [1] - [3] it is not mentioned anywhere that the oscillation pathogen is a stepper motor; the devices themselves do not have the features of a stepper motor and are not stepper motors - these are typical electromagnetic vibrators that look like stepper motors, but they cannot be controlled and work like stepper motors. The given electromagnetic vibrator is a special electric single-phase synchronous AC motor of industrial frequency with an asymmetric rotor and a symmetric stator, the windings of which are connected according to the half-wave rectification scheme. Such an electric motor does not have the main features of the stepper motor listed above. From the design point of view, the device [4], although outwardly similar to a serial stepper motor with a magnetic rotor, is not a stepper motor and cannot operate as a stepper motor. Unlike a stepper motor, an oscillatory stepper motor has only one phase of the stator, and oscillatory movements are made only by changing the direction of the current in this phase winding. In addition, a fundamental feature of the oscillatory stepper motor, which does not allow it to be a classic stepper motor, is the presence, in addition to a single-phase stator and a permanent magnetic rotor, fixing a permanent magnet. The rotor in this design cannot continuously rotate at an infinite number of revolutions as in a classic stepper motor, but can only be rotated by a certain angle, the magnitude of which is proportional to the current supplied to the single-phase stator winding.

Кроме того, существенным недостатком всех устройств-прототипов является то, что в них нет возможности настройки положения ротора относительно статора - это устойчивое положение изначально задано, определяется взаимным расположением магнитного ротора и элементов статора, и для регулирования положения оси необходимо подавать напряжение или подбирать новый магнит. Во многих приложениях, например при гравировании, необходима периодическая настройка первоначального устойчивого положения оси коромысла, а следовательно и рабочего инструмента, в плоскости его колебаний.In addition, a significant drawback of all prototype devices is that they do not have the ability to adjust the position of the rotor relative to the stator - this stable position is initially set, determined by the relative position of the magnetic rotor and stator elements, and to adjust the position of the axis it is necessary to apply voltage or select a new magnet . In many applications, for example, when engraving, it is necessary to periodically adjust the initial stable position of the axis of the rocker arm, and therefore the working tool, in the plane of its oscillations.

Необходимо отметить также, что заявляемое устройство с использованием шагового двигателя является устройством ударного действия, а прототипы по своему функциональному назначению не относятся к подобным устройствам.It should also be noted that the inventive device using a stepper motor is a percussion device, and prototypes for their functionality do not apply to such devices.

Следовательно, автору неизвестны случаи применения шагового двигателя с приведенными выше признаками в роли возбудителя колебаний в механических системах.Therefore, the author is not aware of the use of a stepper motor with the above signs in the role of the causative agent of oscillations in mechanical systems.

Целью изобретения является построение простого по конструкции, надежного электромеханического виброгенератора минимальной себестоимости, обеспечивающего максимально возможный коэффициент полезного действия, удельной энергии удара и минимального потребления при оптимальных габаритах.The aim of the invention is the construction of a simple in design, reliable electromechanical vibration generator of minimum cost, providing the highest possible coefficient of efficiency, specific impact energy and minimum consumption with optimal dimensions.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве возбудителя механических колебаний применяется серийно изготавливаемый промышленностью шаговый двигатель (ШД), имеющий следующие преимущества, определяющие, в первую очередь, качество возбудителя колебаний:This goal is achieved by the fact that as the causative agent of mechanical vibrations, a step-by-step motor (ШД), commercially manufactured by the industry, is used, which has the following advantages, which determine, first of all, the quality of the oscillator:

- обеспечение требуемого момента в режиме виброудара;- providing the required moment in vibration mode;

- возможность быстрого старта, остановки, реверсирования;- the ability to quickly start, stop, reverse;

- высокая надежность, связанная с отсутствием щеток;- high reliability associated with the absence of brushes;

- большой срок службы;- long service life;

- низкая стоимость;- low cost;

- возможность получения высокого значения момента вращения на валу двигателя без промежуточного редуктора;- the possibility of obtaining a high value of the torque on the motor shaft without an intermediate gear;

- большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных управляющих импульсов.- a large range of speeds, the speed is proportional to the frequency of the input control pulses.

На фиг.1 показан шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением.Figure 1 shows a stepper motor with variable magnetic resistance.

На фиг.2 показан шаговый двигатель с постоянными магнитами.Figure 2 shows a stepper motor with permanent magnets.

На фиг.3 показан гибридный шаговый двигатель.Figure 3 shows a hybrid stepper motor.

На фиг.4 показаны фазы обмоток биполярного (а) и униполярного (б), (в) шагового двигателя.Figure 4 shows the phases of the windings of a bipolar (a) and unipolar (b), (c) stepper motor.

На фиг.5 показаны различные способы управления шаговым двигателем - полношаговый режим с включением одной фазы (а), полношаговый режим с включением двух фаз (б) и полушаговый режим (в).Figure 5 shows various methods of controlling a stepper motor - a full-step mode with the inclusion of one phase (a), a full-step mode with the inclusion of two phases (b) and a half-step mode (c).

На фиг.6 представлена схема электромеханического виброгенератора с использованием серийного промышленного шагового двигателя.Figure 6 presents a diagram of an electromechanical vibration generator using a serial industrial stepper motor.

На фиг.7 приведен вариант подключения фазовых обмоток АВ и СД гибридного шагового двигателя, используемого как возбудитель колебаний.Figure 7 shows the option of connecting the phase windings AB and LED of a hybrid stepper motor used as an exciter.

Предложенное устройство выполнено следующим образом. Электромеханический виброгенератор (фиг.6) содержит ШД 1, на фазовые обмотки АВ и СД которого поступают управляющие импульсы 2. На вал 3 ШД 1 установлены рычаги 7, 8, 9 при помощи элементов крепления, например коромысла 4, жестко связанного с валом 3 ШД 1, Верхние части рычагов 7, 8, 9 взаимодействуют с пружинами 10, 11, 12, 13. Другими концами пружины связаны с корпусом ШД или с дополнительным корпусом 6, жестко связанным с корпусом ШД. Вал ШД 1, а также рычаги 7, 8, 9 выполнены с возможностью совершать угловые колебательные движения вместе с валом ШД 1 относительно его оси вращения. Пружины 10, 11, 12, 13 выбираются по жесткости и настраиваются по длине так, чтобы обеспечить оптимальные по амплитуде и частоте колебания вала ШД. Это можно делать, например, с помощью регулировочных винтов 16, 17, 18, 19. Одним из таких оптимальных положений является такое, когда амплитуда колебаний коромысла максимальна, что соответствует положению 2-2, повернутому относительно начального положения 1-1 (фиг.7). Не исключается работа системы с одним рычагом 7 и пружинами 10 и 11 в паре или рычагами 8, 9 и пружинами 12 и 13 в паре, или с другими комбинациями рычагов и пружин.The proposed device is as follows. The electromechanical vibration generator (Fig. 6) contains a stepper motor 1, to the phase windings AB and LED of which control pulses 2 are received. Levers 7, 8, 9 are mounted on the shaft 3 of the motor drive 1 using fasteners, for example, a beam 4, rigidly connected to the motor shaft 3 1, The upper parts of the levers 7, 8, 9 interact with the springs 10, 11, 12, 13. The other ends of the springs are connected to the main body or to an additional body 6, rigidly connected to the main body. ShD 1 shaft, as well as levers 7, 8, 9, are made with the possibility of angular oscillatory movements together with ShD 1 shaft relative to its axis of rotation. The springs 10, 11, 12, 13 are selected for stiffness and are adjusted in length so as to ensure optimal amplitude and frequency of the SH shaft oscillations. This can be done, for example, using the adjusting screws 16, 17, 18, 19. One of such optimal positions is when the amplitude of the rocker arm oscillations is maximum, which corresponds to position 2-2, rotated relative to the initial position 1-1 (Fig. 7 ) The operation of the system with one lever 7 and springs 10 and 11 in pair or levers 8, 9 and springs 12 and 13 in pair, or with other combinations of levers and springs, is not ruled out.

Электромеханический виброгенератор работает следующим образом. При включении вал ШД занимает положение 1-1 (фиг.7), благодаря моменту удержания. С помощью регулировочных винтов 16, 17, 18, 19 настраивается новое положение 2-2 вала, соответствующее повороту его на угол α0, относительно оси 1-1 (фиг.7), которое обеспечивает максимальную амплитуду колебания коромысла 4. На фазовые обмотки АВ и СД ШД 1 поступает сигнал управления 2 в виде импульсов напряжения uAC(t) (фиг.7), в результате чего под действием изменения потоков электромагнитного поля ФАВ(t) и ФСД(t) ротор 15 (фиг.6), жестко связанный с валом 3 ШД, начинает вращательное движение вокруг своей оси. Для контроля текущего положения вала ШД, если это требует алгоритм управления, используется датчик его углового перемещения 14. Вал 3 ШД 1 приводит в движение коромысло 4 со связанными с ним рычагами 7, 8, 9. Угловое движение коромысла 4 относительно оси вращения вала 3 ШД ограничены действием пружин 10, 11, 12, 13, соединяющих рычаги 7, 8, 9 с корпусом 6 ШД. Под действием импульса сигнала управления 2 вал 3 ШД поворачивается на угол αраб (фиг.7), деформируя при этом пружины 10, 11, 12, 13 (фиг.6). С момента окончания импульса до поступления нового сигнала управления ротор ШД под действием упругих сил пружин 10, 11, 12, 13 и момента управления, вызванного изменением чередования фаз включения обмоток статора ШД 1, если это требует алгоритм управления, начинает движение в обратном направлении. Момент времени завершения обратного хода вала 3 ШД 1 и подачи следующего сигнала управления на фазовые обмотки статора ШД определяется, если это требует алгоритм управления, с помощью датчика углового положения 14 вала 3 ШД 1. Таким образом, вал 3 ШД 1 вместе с коромыслом 4 начинает совершать колебательные движения вокруг своей оси. Динамика колебательного движения электромеханического виброгенератора зависит от геометрического расположения рычагов 7, 8, 9 и пружин 10, 11, 12, 13 относительно продольной оси 5 коромысла 4 и оси вращения вала 3 ШД 1, жесткости этих пружин, а также геометрических и массовых параметров элементов, связанных с валом 3 ШД 1, которые влияют на долговечность работы узлов ШД 1, а следовательно, и всего электромеханического виброгенератора.Electromechanical vibration generator operates as follows. When you turn on the SH shaft takes position 1-1 (Fig.7), due to the moment of retention. Using the adjusting screws 16, 17, 18, 19, a new position 2-2 of the shaft is adjusted, corresponding to its rotation by an angle α 0 , relative to the axis 1-1 (Fig. 7), which provides the maximum amplitude of the rocker arm vibration 4. On the phase windings AB and LED SD 1 receives a control signal 2 in the form of voltage pulses u AC (t) (Fig. 7), as a result of which, under the influence of changes in the electromagnetic field fluxes Ф АВ (t) and Ф СД (t), rotor 15 (Fig. 6) rigidly connected with the shaft 3 ШД, begins a rotational movement around its axis. To control the current position of the ШД shaft, if the control algorithm requires it, a sensor of its angular displacement is used 14. The shaft 3 ШД 1 drives the beam 4 with the levers 7, 8, 9 connected with it. The angular movement of the beam 4 relative to the axis of rotation of the shaft 3 ШД limited by the action of the springs 10, 11, 12, 13, connecting the levers 7, 8, 9 with the housing 6 SH. Under the action of a pulse of the control signal 2, the shaft 3 of the motor drive rotates through an angle α slave (Fig. 7), deforming the springs 10, 11, 12, 13 (Fig. 6). From the moment the pulse ends to the receipt of a new control signal, the SM rotor under the action of the elastic forces of the springs 10, 11, 12, 13 and the control moment caused by a change in the phase rotation of the stator windings SH 1, if this requires a control algorithm, starts moving in the opposite direction. The moment of completion of the reverse stroke of the shaft 3 ШД 1 and the supply of the next control signal to the phase windings of the stator ШД is determined, if the control algorithm requires it, using the angular position sensor 14 of the shaft 3 ШД 1. Thus, the shaft 3 ШД 1 together with the beam 4 starts make oscillatory movements around its axis. The dynamics of the oscillatory motion of an electromechanical vibration generator depends on the geometric arrangement of the levers 7, 8, 9 and the springs 10, 11, 12, 13 relative to the longitudinal axis 5 of the rocker arm 4 and the axis of rotation of the shaft 3 ШД 1, the stiffness of these springs, as well as the geometric and mass parameters of the elements, associated with the shaft 3 SHD 1, which affect the durability of the nodes SHD 1, and consequently, the entire electromechanical vibration generator.

Claims (2)

1. Возбудитель механических колебаний, включающий шаговый двигатель, отличающийся тем, что шаговый двигатель снабжен пружинами, ограничивающими угол поворота шагового двигателя под действием импульса управления, поступающего на фазовые обмотки шагового двигателя, и возвращающими вал шагового двигателя в обратном направлении в интервале времени между двумя последовательными импульсами управления, поступающими на фазовые обмотки шагового двигателя.1. The causative agent of mechanical vibrations, including a stepper motor, characterized in that the stepper motor is equipped with springs that limit the angle of rotation of the stepper motor under the action of a control pulse supplied to the phase windings of the stepper motor, and return the stepper motor shaft in the opposite direction in the interval between two consecutive control pulses entering the phase windings of the stepper motor. 2. Возбудитель механических колебаний по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает коромысло с рабочим инструментом, установленные на валу шагового двигателя, и датчик углового положения вала. 2. The causative agent of mechanical vibrations according to claim 1, characterized in that it further includes a rocker with a working tool mounted on the shaft of a stepper motor, and a sensor for the angular position of the shaft.
RU2008137899/07A 2008-09-24 2008-09-24 Exciter of mechanical oscillations RU2440660C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008137899/07A RU2440660C2 (en) 2008-09-24 2008-09-24 Exciter of mechanical oscillations
PCT/RU2009/000492 WO2010036149A1 (en) 2008-09-24 2009-09-24 Electromechanical vibration generator and a method for operating said generator in a forced-oscillation mode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008137899/07A RU2440660C2 (en) 2008-09-24 2008-09-24 Exciter of mechanical oscillations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2440660C2 true RU2440660C2 (en) 2012-01-20

Family

ID=45785840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008137899/07A RU2440660C2 (en) 2008-09-24 2008-09-24 Exciter of mechanical oscillations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2440660C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2579160C1 (en) * 2014-09-18 2016-04-10 Закрытое акционерное общество "ИТОМАК" Centrifugal concentrator
RU2777659C1 (en) * 2022-01-25 2022-08-08 Владимир Викторович Михайлов Electromagnetic vibrator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КЕНИО Е. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.9 строки 11-20 снизу. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2579160C1 (en) * 2014-09-18 2016-04-10 Закрытое акционерное общество "ИТОМАК" Centrifugal concentrator
RU2777659C1 (en) * 2022-01-25 2022-08-08 Владимир Викторович Михайлов Electromagnetic vibrator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2549538B2 (en) Magnetically enhanced variable reluctance motor system
KR100816421B1 (en) Magnetic force rotating device
AU2006279685B2 (en) Brushless electromechanical machine
EP2441158B1 (en) Electric motor for a small electric device
RU2575915C2 (en) Resonant drive mechanism for electrical toothbrush using magnetic field action
US7863784B2 (en) Axial flux permanent magnet machines
JP6120563B2 (en) Motor drive device
WO2004049547A1 (en) Actuator
KR19990064346A (en) Alternating pole switching magnetoresistive motor
JP4727819B2 (en) System for controlling rotary devices
JP2010035315A (en) Actuator
RU2440660C2 (en) Exciter of mechanical oscillations
RU2429139C1 (en) Etching device (versions)
KR20010075499A (en) Magnetic force rotating device
JP5763198B2 (en) Magnetic drive blower or generator
JP2004147425A (en) Rotating electric machine
KR100408052B1 (en) Resonance type magnet motor
KR100408051B1 (en) Resonance type magnet motor
JP3987807B2 (en) Actuator and electric toothbrush using the same
RU2466800C1 (en) Electromagnetic vibrator of torsional vibrations
WO2017038859A1 (en) Motor
SU1282274A1 (en) One-phase stepping motor
RU1810965C (en) Step motor with rolling rotor
RU2273530C1 (en) Vibration exciter
JP2004160331A (en) Vibration generation device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120925