SU1728943A1 - Шаговый электродвигатель - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к электрическим машинам линейного перемещени . Целью изобретени   вл етс  увеличение т гового усили , Электродвигатель содержит статор 1 с сетчатой зубчатой структурой и  корь 2, включающий в себ  два сердечника 8 и 9 с пазами 10, образующих зубчатые полюса 11-13 на сердечнике 8 и зубчатые полюса 14-16 на сердечнике 9. Между сердечниками размещен посто нный магнит 18. На каждом из полюсов имеютс  группы зубцов, сдвинутых относительно зубцов статора. Каждый полюс с помощью дополнительного паза 17 выполнен раздвоенным с образованием двух зуб- цовых зон, смещенных одна относительно другой на половину зубцового шага. Раздвоенные полюса противоположных сердечников расположены соосно в плоскост х, параллельных между собой и перпендикул рных оси перемещени , и содержат фазные катушки, выполненные в виде восьмерок, объедин ющих раздвоенные соосно расположенные полюса сердечников в пары. Положительный эффект достигаетс  согласованием магнитных потоков и соответственным увеличением намагничивающей силы. 14 ил. /8 15 (Л С

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , электродвигател м линейного и вращательного перемещени  и может быть использовано в позиционных устройствах.

Целью изобретени   вл етс  увеличение т гового усили .

На фиг.1 показана конструктивна  схема электродвигател ; на фиг.2 - магнит, аксонометри ; на фир.З - разрезы А-А и Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - схема включени  8-об- разных катушек в трехфазном выполнении; на фиг.5-13 - схемы, по сн ющие физическую сущность работы электродвигател ; на фиг.14 - диаграммы токов в катушках.

Шаговый электродвигатель содержит ферромагнитный зубчатый статор 1 и  корь 2 (фиг.1). Статор 1 выполнен в виде листа из ферромагнитного материала с сетчатой зуб- цовой структурой по ос м X и Y. Пазы 3 зубцов 4 выполнены немагнитным материалом . Якорь 2 содержит два параллельных магнита 5 дл  движени  по оси X и два параллельных магнита 6 дл  движени  по оси Y. Каждый из магнитов, например магнит 5, содержит  корь 7 (фиг.2), включающий в себ  два сердечника 8 и 9. Сердечники 8 и 9 имеют пазы 10, образующие зубчатые полюса 11-13 на сердечнике 8 и зубчатые полюса 14-16 на сердечнике 9.

На каждом из полюсов имеютс  группы зубцов, сдвинутых относительно зубцов статора 1. Полюса 11-13 сердечника 8 и полюса 14-16 сердечника 9 выполнены раздвоенными с помощью дополнительного паза 17, перпендикул рного оси движени  X. При этом на каждом из раздвоенных полюсов сердечников 8 и 9 образуютс  по две зубцовые зоны (фиг.З).

Зубцовые зоны раздвоенных полюсов 11-13 сердечника 8 обозначены как ач и 32, bi и D2, ci и С2, зубцовые зоны раздвоенных полюсов 14-16 сердечника 9 обозначены соответственно как a i и 32 , bi и D2, с ч и С2 . Раздвоенный полюс 11 сердечника 8 и раздвоенный полюс 14 сердечника 9, раздвоенный полюс 12 сердечника 8 и раздвоенный полюс 15 сердечника 9, раздвоенный полюс 13 сердечника 8 и раздвоенный полюс 16 сердечника 9 расположены соосно в плоскост х , D, Е, F, перпендикул рных оси движени  X и параллельных между собой.

Дл  двигателей вращательного перемещени  оси раздвоенных полюсов расположены в радиальных плоскост х, проход щих через ось ротора и его образующую . Указанные плоскости в шаговых электродвигател х как линейного, так и вращательного перемещений расположены одна от другой на рассто нии, кратном

1/Зт при трехфазном выполнении, например г(п±2/3).

На раздвоенном полюсе 11 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе

14 сердечника9 расположена фазна  катушка А, на раздвоенном полюсе 12 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе 14 сердечника 9 расположена фазна  катушка В, на раздвоенном полюсе 13 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе 16 сердечника 9 расположена фазна  катушка С (фиг.2-4).

Дл  согласовани  магнитных потоков в сердечниках 8 и 9 фазные катушки выподмены в виде восьмерок, объедин ющих указанные противолежащие соосно расположенные полюса в пары; полюса 11 и 14, фазна  катушка А- перва  пара; полюса 12 и 15, фазна  катушка В - втора  пара; полюса 13 и 16, фазна  катушка С - треть  пара. При указанном расположении пар раздвоенных полюсов сдвиг зубцов в зубцовых зонах раздвоенных полюсов относительно зубцов статора равен: в первой паре ai и 32

соответственно 0 и 1/2, a i и 32 0 и 1/2; во

второй паре bi и D2 соответственно 2/3 и

1 /6, b i и D2 2/3 и 1 /6; в третьей.паре ci и С2

соответственно 1 /3 и 5/6, ci и С2 1/3 и 5/6.

Между сердечниками 8 и 9 расположен

посто нный магнит 18, ось намагниченности которого направлена вдоль пазов 10 и 17, перпендикул рных оси движени . Посто нный магнит 18 выполнен в виде пластин , например, из редкоземельных

материалов. Фазность устройства может быть различна : 2,3, 4... Таким образом, при m-фазном выполнении на сердечниках 8 и 9 имеетс  по 2т зубчатых полюсов с учетом раздвоенности и m-фазных катушек, выполненных в виде восьмерок.

Аналогично устроен магнит 6 в  коре 2 дл  движени  по оси Y.

Шаговый электродвигатель работает следующим образом.

Дл  создани  магнитовоздушной подвески в  корь 2 подаетс  сжатый воздух. Сила прит жени , создаваема  магнитной св зью между статором 1 и  корем 2, и сила отталкивани , образуема  давлением воздуха , создают стабилизированный воздушный зазор 6 (фиг.З) между ними.

Якорь 2 перемещаетс  без трени  по статору 1 вдоль оси X следующим образом .

В фазные катушки А, В, С магнита 5 от схемы управлени  подаютс  двунаправленные токи, при этом суммарный вектор магнитной индукции при сложении отдельных составл ющих испытывает смещение и

заставл ет перемещатьс   корь 2 в зависимости от пол рности тока в ту или иную сторону по оси X. Под двунаправленными токами имеетс  ввиду условное направление к центру трехлучевой звезды (+) и от центра (-).

Так как обмотки выполнены в виде восьмерок , то кажда  из обмоток А, В, С состоит из двух витков: A(Ai, Аз), В (Вт, 82), С (Ci. €2) причем направлени  тока в каждом витке восьмерки противоположны.

На фиг.З, 5-13 посто нный ток показан сплошной жирной линией, переменный; - пунктирной линией. Так, например, при пол рности тока в фазных катушках (фиг.5) магнитный поток оттока в катушках складываетс  с магнитным потоком от посто нного магнита, при этом под зубцовыми зонами ai и a t магнитный поток достигает максимального значени , под зубцовыми зонами Ь2 и , С2 и распредел етс  поровну с противоположным направлением т гового усили , а под зубцовыми зонами 32 и 32 ,bi и b i, ci и c i уменьшаетс  до нул .

Там, где магнитное поле усиливаетс  под полюсами, это показано трем  сплошными лини ми (фиг.5), где поле ослабл етс , оно показано одной сплошной линией. В результате указанного распределени  магнитных потоков  корь 2 находитс  в равновесном положении. При мгновенном переключении с изменением направлени  тока в фазных катушках В (фиг.6) возникает рассогласование в усили х и по вл етс  составл юща  т гового усили , направленного по ходу желаемого перемещени , например вправо. При этом под зубцовыми зонами ai и a i магнитный поток уменьшаетс , под зубцовыми зонами bi и bi увеличиваетс  и становитс  равным и противоположным по направлению магнитному потоку под зубцовыми зонами ai и ai , под зубцовыми зонами С2 и С2 становитс  максимальным, а под зубцовыми зонами 32 и а-2 , Ь2 и b2 , ci и c i уменьшаетс  до нул .

В результате этого  корь 2 переходит в новое равновесное положение (фиг.7), соверша  дискретное перемещение на шаг Д. При поочередном изменении направлени  тока в фазных катушках с мгновенным переключением в двух из шести катушек за счет смещени  вектора магнитной индукции происходит перемещение  кор  2 по шагам в выбранном направлении аналогично описанному (фиг.8-13).

Дл  перемещени   кор  2 в обратном направлении измен етс  пор док коммутации фазных катушек на обратный. Дл  согласованного перемещени  в направлении координатной оси включаетс  от схемы управлени  еще один магнит 5. Аналогично происходит перемещение  кор  2 вдоль координатной оси Y при включении магнитов 6. При одновременной i подаче токов в магниты 5 и 6 можно получить перемещени  корпуса под различными углами к координатным ос м X и Y. При коммутации в фазных катушках непрерывно мен ющейс  трехфазной системы токов устройство может работать

в режиме непрерывного движени  как трехфазный синхронный электродвигатель.

Рассмотрим конструктивные схемы известного и предлагаемого устройств равных объемов. Длина сердечников, длина и высота пакета сердечника принимаетс  равной, т.е. рассматриваем кубики равного объема при равной фазности, например , и числе пар полюсов дл  известного устройства и дл предлагаемого. Зубцовый

шаг принимаем равным, например, т. Длину полюса принимаем равной Li 2r. Длину сердечника принимаем равной, например, I. Как известно, т говое усилие равно

25

F P(IWP)24

Эх

где Gi магнитна  проводимость на

пару полюсов;

TWp - намагничивающа  сила (н.с.) на пару полюсов.

Магнитна  проводимость может быть определена из известного выражени  .

),

где L - длина полюсной части; | - длина пакета сердечника; 6 - воздушный зазор; f(x) - некотора  функци , описывающа  нелинейный характер изменени  магнитной проводимости.

Магнитна  проводимость магнита известного устройства

6-,..- + (х)-/ .)-.-)

на пару полюсов магнитна  проводимость

55

G,(x).

0)

Дл  предлагаемого устройства длина половинки (зубцовой зоны) раздвоенного полюса равна U/2.

Длина полюсной части сердечников .

Магнитна  проводимость дл  магнита ()5

cL (l-H) .. ;Ц.

G

26

f(x)(x)

и на пару полюсовмагнитна  проводимость 10

бб f(x)(x) G „ 3L,I f,.. Ul

Так как полюс раздвоенный, то прово- димость пары раздвоенных полюсов определ етс  путем сложени  магнитных проводимостей в парах зубцовых зон раздвоенного полюса, как в параллельные цепи , т.е. магнитна  проводимость пары раздвоенных полюсов равна

(x)(x) (x),

Из выражени  (2) видно, что проводимость пары раздвоенных полюсов предлагаемого устройства равна магнитной проводимости пары полюсов известного (1). За счет выполнени  фазных катушек в виде восьмерок с образованием двух намагничивающих сил на пару полюсов 2lWp увеличиваетс  т говое усилие.

Если вз ть одинаковой длины провод и намотать его на сердечники обоих устройств , то в устройстве по изобретению т говое усилие будет больше. Действительно , подставл   полученные выражени  маг- нитных проводимостей и намагничивающих сил в выражение дл  т гового усили  получим дл  известного устройства

,2 dGi 0 ,1|А| Л2 3Gi

(IWp) 3(lWp)

и дл  предлагаемого

(lWp)2-l + p(lWp)2AGj.3-2

х( aGi

Эх

Сравнива  приведенные выражени  т гового усили  дл  обоих устройств, видно, что т говое усилие в устройстве, выполненном по изобретению, в 2 раза больше т гового усили  известного устройства. Строго говор , длина провода будет несколько больше за счет переходов в месте переплетени  восьмерки, но так как усилие возрастает , толщину пакетов сердечников можно выполнить меньше. За счет увеличени  т гового усили  при одной и той же массе магнитов предлагаемый электродвигатель развивает значительно большее ускорение.

В известном выражении ускорение -Ј

где F - усилие;

m - масса устройства. Дл  прототипа получаем

F

25

Дл  устройства, выполненного по изобретению ,

2 F

30 35

32

m

2 ai,

т.е. ускорение, развиваемое приводом, в 2 раза больше, чем у прототипа.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Шаговый электродвигатель, содержащий неподвижный ферромагнитный зубчатый статор, подвижный  корь, состо щий из сердечников с пазами, образующих полюса с группой зубцов на каждом полюсе, сдвинутых относительно зубцов статора, посто-  нный магнит, ось намагниченности которого направлена вдоль пазов сердечников , расположенный между сердечниками, и m-фазные катушки, расположенные на сердечниках, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  т гового усили , сердечники снабжены дополнительными пазами , раздваивающими каждый полюс, а катушки выполнены в виде восьмерок, объедин ющих полюса противолежащих сердечников в пары, которые расположены соосно в плоскости, перпендикул рной оси перемещени .

   /55- Фие .Т

   Фиг. 4

   Фиг. 5

   Фиг.6

   Фие.7

   Фиг.8

   Фиг.11

   Фиг. 13