RU2441310C1

RU2441310C1 - Erection torque motor

Info

Publication number: RU2441310C1
Application number: RU2010135113/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Мартемьянов (RU); Владимир Михайлович Мартемьянов; Антонина Геннадьевна Иванова (RU); Антонина Геннадьевна Иванова
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-01-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: erection torque motor comprised a magnetic system that consists of a multipolar permanent magnet and a magnetic conductor, and also an active element in the form of a spirally wound electroconductive tape coated with a layer of insulation material. At the side edges of the tape there are narrow transverse cuts arranged in turns at both edges. These cuts at each turn of the tape winding are above and under similar cuts on underlying and overlying layers. These cuts create side slots on a wound active element, besides, the distance between adjacent slots corresponds to a pole division of the magnet. A DC source is connected to ends of the wound tape.

EFFECT: expansion of the working range of erection torque motor rotor and stator mutual rotation angles.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим двигателям, а именно к моментным магнитоэлектрическим двигателям, и может найти применение для создания момента в различных системах коррекции и программного разворота.The invention relates to electric motors, namely to torque magnetoelectric motors, and can find application for creating torque in various correction systems and software reversal.

В приборных устройствах широко применяются системы коррекции, программного разворота, цепи силовых обратных связей, следящие системы. Исполнительными устройствами таких систем чаще всего являются электрические машины, называемые (в зависимости от их назначения) датчиками момента, двигателями стабилизации, двигателями отработки, моментными двигателями. Требования, предъявляемые к указанным устройствам, как правило, оказываются более жесткими, чем требования, предъявляемые к электрическим машинам общего назначения. Это приводит к необходимости разработки специальных конструкций исполнительных устройств приборов.In instrumentation devices, correction systems, software reversals, power feedback circuits, and tracking systems are widely used. The executive devices of such systems are most often electric machines, called (depending on their purpose) torque sensors, stabilization motors, mining engines, torque motors. The requirements for these devices, as a rule, are more stringent than the requirements for general-purpose electric machines. This leads to the need to develop special designs of actuating devices.

Известны наиболее распространенные типы моментных двигателей: асинхронные, электромагнитные, магнитоэлектрические и электродинамические [Авиационные моментные двигатели / Л.И.Столов, Б.Н.Зыков, А.Ю.Афанасьев, Ш.С.Галеев. - М.: Машиностроение. 1979. С.С.7-8, 15-16]. Конструктивные особенности моментных двигателей определяются принципами их работы. Асинхронный моментный двигатель функционирует за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой, с наведенными этим полем токами в обмотке ротора. Электромагнитные моментные двигатели содержат ферромагнитный якорь, притягиваемый к сердечнику с обмоткой, по которой пропускается электрический ток. Электродинамический моментный двигатель в своем составе имеет обмотку управления, активные проводники которой находятся в постоянном магнитном поле, создаваемом электромагнитом; при протекании через обмотку управления постоянного тока создается момент, пропорциональный этому току.The most common types of torque motors are known: asynchronous, electromagnetic, magnetoelectric and electrodynamic [Aircraft torque motors / L.I. Stolov, B.N. Zykov, A.Yu. Afanasyev, Sh.S. Galeev. - M.: Mechanical Engineering. 1979. S. S. 7-8, 15-16]. Design features of torque motors are determined by the principles of their work. An asynchronous torque motor operates due to the interaction of a rotating magnetic field created by the stator winding with the currents induced by this field in the rotor winding. Electromagnetic torque motors contain a ferromagnetic armature drawn to the core with a winding through which electric current is passed. The electrodynamic torque motor in its composition has a control winding, the active conductors of which are in a constant magnetic field created by an electromagnet; when a direct current flows through the control winding, a moment is created proportional to this current.

Перечисленные типы моментных двигателей имеют свои преимущества и недостатки, к числу последних относится малая величина рабочего диапазона углов относительного разворота ротора и статора, в котором создается достаточная величина развиваемого момента.The listed types of torque motors have their advantages and disadvantages, the latter include the small size of the working range of the angles of relative rotation of the rotor and stator, in which a sufficient value of the developed moment is created.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому результату является магнитоэлектрический моментный двигатель, выбранный в качестве прототипа [Авиационные моментные двигатели / Л.И.Столов, Б.Н.Зыков, А.Ю.Афанасьев, Ш.С.Галеев. - М.: Машиностроение. 1979. С.14]. Конструктивно магнитоэлектрический моментный двигатель состоит из многополюсного постоянного магнита и статора-магнитопровода, а также обмотки управления, расположенной на немагнитной обойме. Активные проводники обмотки находятся в магнитном поле в зазоре между магнитом и магнитопроводом. При подаче в обмотку управления электрического тока моментный двигатель развивает момент, пропорциональный этому току и имеющий знак, зависящий от направления протекания тока. Для увеличения момента, развиваемого двигателем, постоянный магнит выполнен многополюсным. В зависимости от конструктивного исполнения прибора, в котором используется моментный двигатель, подвижным элементом может быть как магнитная система, включающая в себя постоянный магнит и внешний магнитопровод, так и обойма (немагнитный стакан) с расположенной на ней обмоткой. В последнем случае для передачи тока на подвижную обмотку в приборе предусматриваются специальные токоподводы.Closest to the claimed invention in terms of use, technical nature and the achieved result is a magnetoelectric torque motor selected as a prototype [Aircraft torque motors / L.I. Stolov, B.N. Zykov, A.Yu. Afanasyev, Sh.S. Galeev . - M.: Mechanical Engineering. 1979. P.14]. Structurally, the magnetoelectric torque motor consists of a multi-pole permanent magnet and a stator-magnetic circuit, as well as a control winding located on a non-magnetic ferrule. The active conductors of the winding are in a magnetic field in the gap between the magnet and the magnetic circuit. When an electric current is supplied to the control winding, the torque motor develops a moment proportional to this current and having a sign depending on the direction of current flow. To increase the moment developed by the engine, the permanent magnet is made multipolar. Depending on the design of the device, which uses a torque motor, the moving element can be either a magnetic system, which includes a permanent magnet and an external magnetic circuit, or a clip (non-magnetic cup) with a winding located on it. In the latter case, special current leads are provided for transmitting current to the movable winding in the device.

Наряду с положительными качествами такого моментного двигателя (простота конструкции, пропорциональность развиваемого момента от тока), имеются и недостатки, в частности малый рабочий диапазон углов взаимного поворота магнита и обмотки, что характерно для случая использования многополюсного магнита. Рабочий диапазон определяется положением, когда активные проводники обмотки находятся в зоне действия магнитного потока полюсов магнита. При больших углах взаимного поворота проводники обмотки выходят из-под полюса и попадают в зону, где действуют магнитные потоки рассеяния и создаваемый момент резко уменьшается. Одним из приемов расширения рабочего диапазона углов работы моментного двигателя является увеличение длин дуг полюсов магнита. Однако такой прием имеет недостаток, заключающийся в том, что резко увеличивается масса магнитной системы и в итоге растет момент инерции подвижной части прибора, ухудшая динамические характеристики последнего.Along with the positive qualities of such a torque motor (simplicity of design, proportionality of the developed moment to current), there are also disadvantages, in particular, the small working range of the angles of mutual rotation of the magnet and the winding, which is typical for the case of using a multi-pole magnet. The operating range is determined by the position when the active conductors of the winding are in the zone of action of the magnetic flux of the poles of the magnet. At large angles of mutual rotation, the winding conductors exit from under the pole and fall into the zone where the magnetic fluxes of scattering act and the moment created sharply decreases. One of the methods for expanding the working range of angles of operation of the torque motor is to increase the lengths of the arcs of the poles of the magnet. However, this technique has the disadvantage that the mass of the magnetic system increases sharply and, as a result, the moment of inertia of the moving part of the device increases, worsening the dynamic characteristics of the latter.

Поставлена задача разработать моментный двигатель, обладающий достаточно большим рабочим диапазоном углов взаимного поворота обмотки и магнитной системы, не увеличивая его габариты.The task is to develop a torque motor that has a sufficiently large working range of angles of mutual rotation of the winding and the magnetic system, without increasing its dimensions.

Эта задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом моментный двигатель содержит первичный элемент, выполненный в виде многополюсного магнита и магнитопровода. Магнит и магнитопровод соединены диафрагмой из немагнитного материала. Согласно изобретению вторичный элемент, в отличие от обмотки двигателя-прототипа, выполнен в виде спирально намотанной электропроводящей ленты, покрытой слоем изоляционного материала. Намотка из электропроводящей ленты помещена в зазор между полюсами магнита и магнитопроводом. К концам ленты подключен источник постоянного тока. По боковым краям ленты поочередно с одного и другого края выполнены узкие поперечные вырезы. Расположение этих вырезов выполнено таким образом, что вырезы на каждом витке намотки ленты находятся над и под аналогичными вырезами на нижележащем и вышележащем слоях, образуя пазы во вторичном элементе (в намотке электропроводящей ленты). При этом расстояние между смежными пазами во вторичном элементе (намотке), полученными наложением участков ленты с вырезами, соответствует полюсному делению магнита.This problem is solved as follows. In accordance with the prototype, the torque motor contains a primary element made in the form of a multi-pole magnet and magnetic circuit. The magnet and the magnetic circuit are connected by a diaphragm of non-magnetic material. According to the invention, the secondary element, in contrast to the winding of the prototype engine, is made in the form of a spiral wound electrically conductive tape coated with a layer of insulating material. A winding of electrically conductive tape is placed in the gap between the poles of the magnet and the magnetic circuit. A DC source is connected to the ends of the tape. Along the lateral edges of the tape, narrow transverse cuts are made alternately from one and the other edge. The location of these cutouts is made in such a way that the cutouts on each turn of the ribbon winding are above and below the similar cutouts on the underlying and overlying layers, forming grooves in the secondary element (in the winding of the electrically conductive tape). In this case, the distance between adjacent grooves in the secondary element (winding) obtained by superimposing portions of the tape with cuts corresponds to the pole division of the magnet.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2.The invention is illustrated in figure 1 and figure 2.

Многополюсный постоянный магнит 1 соединен с магнитопроводом 2 немагнитной диафрагмой 3 в единый узел - первичный элемент. В зазор между полюсами магнита и магнитопроводом помещается вторичный элемент 4, который представляет собой спирально намотанную ленту из электропроводящего материала, преимущественно немагнитного для исключения моментов тяжения при работе двигателя. Лента покрыта слоем изоляционного материала. На фиг.2 элемент крепления вторичного элемента (намотки) обозначен как 5. По боковым краям ленты имеются поперечные вырезы, которые при намотке образуют во вторичном элементе боковые пазы. Расстояние между центрами получившихся боковых пазов равно полюсному делению магнита. Если к началу и концу ленты подключить источник постоянного тока, то характер протекания тока определяется наличием в ленте поперечных вырезов. Поперечные составляющие этого тока, взаимодействуя с полем постоянного магнита, вызывают появление сил, создающих момент относительно оси вращения подвижного элемента моментного двигателя - магнитной системы или вторичного элемента (намотки ленты).The multipolar permanent magnet 1 is connected to the magnetic circuit 2 by a non-magnetic diaphragm 3 into a single unit - the primary element. In the gap between the poles of the magnet and the magnetic circuit is placed the secondary element 4, which is a spirally wound tape of electrically conductive material, mainly non-magnetic, to exclude moments of tension during engine operation. The tape is coated with a layer of insulating material. In figure 2, the fastening element of the secondary element (winding) is designated as 5. On the lateral edges of the tape there are transverse cuts that, when wound, form lateral grooves in the secondary element. The distance between the centers of the resulting lateral grooves is equal to the pole division of the magnet. If a direct current source is connected to the beginning and end of the tape, the nature of the current flow is determined by the presence of transverse cuts in the tape. The transverse components of this current, interacting with the field of a permanent magnet, cause the appearance of forces that create a moment relative to the axis of rotation of the moving element of the torque motor - a magnetic system or secondary element (tape winding).

Работа предлагаемого моментного двигателя поясняется следующим образом. На фиг.3 представлен элемент ленты, из которой выполняется намотка вторичного элемента. Поперечные вырезы, выполненные на боковых сторонах ленты, заставляют ток J протекать по диагоналям участков ленты, лежащих между вырезами. При этом ток J имеет две компоненты: J_n- продольную, направленную вдоль ленты, и J_o - поперечную (осевую), направленную поперек ленты в направлении, совпадающем с осью вращения подвижной части моментного двигателя. Полюсы магнита на фиг.3 отображены прямоугольниками N и S. Предполагается, что полюсы находятся над плоскостью рисунка и силовые линии магнитного поля, создаваемого полюсом N, входят в плоскость рисунка, а силовые линии полюса S выходят из него. Взаимодействие компонент тока J_o с магнитным полем приводит к появлению сил F, действующих на магнит - источник магнитного поля. Суммарное действие этих сил приводит к появлению вращающего момента, который стремится повернуть магнитную систему относительно неподвижной намотки из ленты. Продольные составляющие тока J_n вызывают появление сил Р, которые действуют со стороны магнита на опоры его подвеса. В том случае, если магнит имеет одну пару полюсов, то эти силы создают момент, перпендикулярный оси вращения моментного двигателя, и вызывают радиальную нагрузку на опоры. Если число пар полюсов магнита больше одной, то силы в осевом направлении взаимно компенсируются и в радиальном направлении нагрузки на опоры не создают. Величина полезного момента, создаваемого силами F, будет тем больше, чем больше выполнено витков в намотке, так как под действием магнитного потока полюса будут находиться участки ленты с одним и тем же характером протекания тока.The operation of the proposed torque motor is illustrated as follows. Figure 3 shows the element of the tape from which the secondary element is wound. The transverse cuts made on the sides of the tape cause the current J to flow along the diagonals of the sections of the tape lying between the cuts. The current J has two components: J _n - longitudinal, directed along the tape, and J _o - transverse (axial), directed across the tape in the direction coinciding with the axis of rotation of the moving part of the torque motor. The poles of the magnet in figure 3 are displayed by the rectangles N and S. It is assumed that the poles are above the plane of the figure and the lines of force of the magnetic field created by the pole N enter the plane of the figure, and the lines of the pole S come out of it. The interaction of the current components J _o with the magnetic field leads to the appearance of forces F acting on the magnet - the source of the magnetic field. The combined effect of these forces leads to the appearance of a torque that tends to rotate the magnetic system relative to the stationary winding of the tape. The longitudinal components of the current J _n cause the appearance of forces P, which act from the side of the magnet on the supports of its suspension. In the event that the magnet has one pair of poles, then these forces create a moment perpendicular to the axis of rotation of the torque motor and cause a radial load on the bearings. If the number of pairs of magnet poles is more than one, then the forces in the axial direction are mutually compensated and do not create loads on the supports in the radial direction. The value of the useful moment created by the forces F will be the greater, the more turns are made in the winding, since under the action of the magnetic flux of the pole there will be sections of the tape with the same current flow pattern.

Пример технической реализации изобретения поясняется фиг.2. Постоянный магнит 1 и магнитопровод 2 монтируют на немагнитной диафрагме 3, которую, в свою очередь, крепят к подвижной части прибора. Вторичный элемент-намотку 4 крепят на оправке 5, которую, в свою очередь, монтируют на неподвижном элементе прибора. Вторичный элемент (намотка) выполнен из тонкой ленты фольги, которую наматывают на тонкую трубчатую основу. На ленте, как минимум с одной стороны, нанесен слой изоляционного материала. Вырезы на боковых краях ленты могут быть выполнены в процессе ее намотки лучом лазера. Трубчатая основа для намотки выполнена из материала с высокой теплопроводностью, что позволит при повышенной плотности тока в ленте отводить тепло на корпус прибора. Предлагаемая технология выполнения вторичного элемента не ограничивает возможные варианты его изготовления.An example of a technical implementation of the invention is illustrated in figure 2. The permanent magnet 1 and the magnetic circuit 2 are mounted on a non-magnetic diaphragm 3, which, in turn, is attached to the movable part of the device. The secondary winding element 4 is mounted on a mandrel 5, which, in turn, is mounted on a fixed element of the device. The secondary element (winding) is made of a thin foil tape, which is wound on a thin tubular base. On the tape, at least on one side, a layer of insulating material is applied. The cutouts on the lateral edges of the tape can be made in the process of winding it with a laser beam. The tubular base for winding is made of a material with high thermal conductivity, which will allow heat to be removed to the body of the device with an increased current density in the tape. The proposed technology for the implementation of the secondary element does not limit the possible options for its manufacture.

Технический результат изобретения: расширение рабочего диапазона углов взаимного поворота ротора и статора моментного двигателя, при котором величина развиваемого момента достаточна для нормальной работы прибора.The technical result of the invention: the expansion of the working range of angles of mutual rotation of the rotor and stator of the torque motor, at which the magnitude of the developed moment is sufficient for normal operation of the device.

Claims

A torque motor containing a primary element made in the form of a multipolar magnet and a magnetic circuit, characterized in that the secondary element located in the gap between the poles of the magnet and the magnetic circuit is made in the form of a spiral wound electrically conductive tape coated with a layer of insulating material, to the ends of which a constant source is connected current, and along the lateral edges of the tape, narrow transverse cuts are made alternately from one and the other edges, and the cuts on each turn of the ribbon winding are above and below E notches on the underlying and overlying layers, wherein the distance between adjacent grooves of the secondary element received superposition tape portions with cutouts corresponds to the magnet pole pitch.