Шаговый электродвигатель
Изобретение относится к электротехнике , а именно к электрическим машинам линейного перемещения. Целью изобретения является увеличение тягового усилия, Электродвигатель содержит статор 1 с сетчатой зубчатой структурой и якорь 2, включающий в себя 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 постоянный магнит 18. На каждом из полюсов имеются группы зубцов, сдвинутых относительно зубцов статора. Каждый полюс с помощью дополнительного паза 17 выполнен раздвоенным с образованием двух зубцовых зон, смещенных одна относительно другой на половину зубцового шага. Раздвоенные полюса противоположных сердечников расположены соосно в плоскостях, параллельных между собой и перпендикулярных оси перемещения, и содержат фазные катушки, выполненные в виде восьмерок, объединяющих раздвоенные соосно расположенные полюса сердечников в пары. Положительный эффект достигается согласованием магнитных потоков и соответственным увеличением намагничивающей силы. 14 ил. /8 15 (Л С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4449863/07 (22) 05.07.88 (46) 23.04.92. Бюл. ¹ 15 (71) Конструкторское бюро точного электронного машиностроения (72) В.В.Грушин (53) 621.313,13(088.8) (56) Патент Великобритании № 2085666, кл. Н 02 К 41/03, 1981. (54) ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам линейного перемещения. Целью изобретения является увеличение тягового усилия, Электродвигатель содержит статор 1 с сетчатой зубчатой структурой и якорь 2, включающий в себя два сердечника 8 и 9 с пазами 10, образующих зубчатые полюса 11-13 íà сердечнике 8 и зубчатые полюса 14-16 íà сер„„Я „„1728943 А1 дечнике 9. Между сердечниками размещен постоянный магнит 18. На каждом из полюсов имеются группы зубцов, сдвинутых относительно зубцов статора. Каждый полюс с помощью дополнительного паза 17 выполнен раздвоенным с образованием двух зубцовых зон, смещенных одна относительно другой на половину зубцового шага. Раздвоенные полюса противоположных сердечников расположены соосно в плоскостях, параллельных между собой и перпендикулярных оси перемещения, и содержат фазные катушки, выполненные в виде восьмерок, объединяющих раздвоенные соосно расположенные полюса сердечников в пары. Положительный эффектдостигается согласованием магнитных потоков и соответственным увеличением намагничивающей силы. 14 ил. 1728943 Изобретение относится к электротехнике, электродвигателям линейного и вращательного перемещения и может быть использовано в позиционных устройствах. Целью изобретения является увеличение тягового усилия. Н а фиг.1 показа на конструктивная схема электродвигателя; на фиг.2 — магнит, аксонометрия; на фир.3 — разрезы А — А и Б-Б на фиг.2; на фиг,4 — схема включения 8-образных катушек в трехфазном выполнении; на фиг.5 — 13 — схемы, поясняющие физическую су;цность работы электродвигателя; на фиг.14 — диаграммы токов в катушках. Шаговый электродвигатель содержит ферромагнитный зубчатый статор 1 и якорь 2 (фиг.1), Статор 1 выполнен в виде листа из ферромагнитного материала с сетчатой зубцовой структурой по осям Х и Y. Пазы 3 зубцов 4 выполнены немагнитным материалом, Якорь 2 содержит два параллельных магнита 5 для движения по оси Х и два параллельных магнита 6 для движения по оси Y. Каждый из магнитов, например магнит 5, содержит якорь 7 (фиг.2), включающий в себя 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 имеются 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, перпендикулярного оси движения X. При этом на каждом из раздвоенных полюсов сердечников 8 и 9 образуются по две зубцовые зоны (фиг.3). Зубцовые зоны раздвоенных полюсов 11-13 сердечника 8 обозначены как а1 и аг, b> и Ь2, с и сг, зубцовые зоны раздвоенных полюсов 14 — 16 сердечника 9 обозначены соответственно как а > и а г, b и b2, с 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 плоскостях, О, Е, F, перпендикулярных оси движения Х и параллельных между собой. Для двигателей вращательного перемещения оси раздвоенных полюсов расположены в радиальных плоскостях, проходящих через ось ротора и его образующую. Указанные плоскости в шаговых электродвигателях как линейного, так и вращательного перемещений расположены одна от другой на расстоянии, кратном 1/Зг при трехфазном выполнении, например т(п.й 2/3). На раздвоенном полюсе 11 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе 14 сердечника 9 расположена фазная катушка А, на раздвоенном полюсе 12 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе 14 сердечника 9 расположена фазная катушка В, на раздвоенном полюсе 13 сердечника 8 и противолежащем раздвоенном полюсе 16 сердечника 9 расположена фазная катушка С (фиг.2-4). Для согласования магнитных потоков в сердечниках 8 и 9 фазные катушки выполнены в виде восьмерок, объединяющих указанные противолежащие соосно расположенные полюса в пары: полюса 11 и 14, фазная катушка А — первая пара; полюса 12 и 15, фазная катушка  — вторая пара; полюса 13 и 16, фазная катушка С вЂ” третья пара. При указанном расположении пар раздвоенных полюсов сдвиг зубцов в зубцовых зонах раздвоенных полюсов относительно зубцов статора равен: в первой паре а и аг соответственно 0 и 1/2, à> и аг 0 и 1/2; во второй паре Ь и b2 соответственно 2/3 и 1/6, Ь и b2 2/3 и 1/6; в третьей паре с1 и с2 соответственно 1/3 и 5/6, с1 и сг 1/3 и 5/6. Между сердечниками 8 и 9 расположен постоянный магнит 18, ось намагниченности которого направлена вдоль пазов 10 и 17, перпендикулярных оси движения. Постоянный магнит 18 выполнен в виде пластин, например, из редкоземельных материалов. Фазность устройства может быть различная: 2, 3, 4... Таким образом, при m-фазном выполнении на сердечниках 8 и 9 имеется по 2m зубчатых полюсов с учетом раздвоенности и m-фазных катушек, выполненных в виде восьмерок. Аналогично устроен магнит 6 в якоре 2 для движения по оси Y. Шаговый электродвигатель работает следующим образом. Для создания магнитовоздушной подвески в якорь 2 подается сжатый воздух. Сила притяжения, создаваемая магнитной связью между статором 1 и якорем 2, и сила отталкивания, образуемая давлением воздуха, создают стабилизированный воздушный зазор д(фиг,3) между ними, Якорь 2 перемещается без трения по статору 1 вдоль оси Х следующим образом. B фазные катушки А, В, С магнита 5 от схемы управления подаются двунаправленные токи, при этом суммарный вектор магнитной индукции при сложении отдельных составляющих испытывает смещение и 1728943 заставляет перемещаться якорь 2 в зависимости от полярности тока в ту или иную сторону по оси Х. Под двун ап равлен н ыми токами имеется ввиду условное направление к центру трехлучевой звезды (+) и от центра (-). Так как обмотки выполнены в виде восьмерок, то каждая из обмоток А, В, С состоит из двух витков: А(А, А ), В (В, Вг), С (Ci, С ) причем направления тока в каждом витке восьмерки противоположны, На фиг.3, 5-13 постоянный ток показан сплошной жирной линией, переменный"пунктирной линией. Так, например, при полярности тока в фазных катушках (фиг.5) магнитный поток оттока в катушках складывается с магнитным потоком от постоянного магнита, при этом под зубцовыми зонами а1 и а магнитный поток достигает максимального значения, под зубцовыми зонами bz u Ь2, с2 и с2 распределяется поровну с противоположным направлением тягового усилия, а под зубцовыми зонами аг и аг,bi и bi, с> и с> уменьшается до нуля. Там, где магнитное поле усиливается под полюсами, это показано тремя сплошными линиями (фиг.5), где поле ослабляется, оно показано одной сплошной линией. В результате указанного распределения магнитных потоков якорь 2 находится в равновесном положении. При мгновенном переключении с изменением направления тока в фазных катушках В (фиг.б) возникает рассогласование в усилиях и появляется составляющая тягового усилия, направленного по ходу желаемого перемещения, например вправо, При этом под зубцовыми l зонами а и а магнитный поток умень/ шается, под зубцовыми зонами bi u bi увеличивается и становится равным и противоположным по направлению магнитному потоку под зубцовыми зонами а> и а>, под зубцовыми зонами с2 и сг становится максимальным, а под зубцовыми зонами а2 и а2 b2 и Ь, с1 и с1 уменьшается до нуля. B результате этого якорь 2 переходит в новое равновесное положение (фиг,7), совершая дискретное перемещение на шаг Л. При поочередном изменении направления тока в фазных катушках с мгновенным переключением в двух из шести катушек за счет смещения вектора магнитной индукции происходит перемещение якоря 2 по шагам в выбранном направлении аналогично описанному (фиг.8 — 13). Для перемещения якоря 2 в обратном направлении изменяется порядок коммутации фазных катушек на обратный. Для согласованного перемещения в направлении координатной оси включается от схемы yri25 F=р(3йр) гаа где G = — — магнитная проводимость на G р 30 пару полюсов; DNð — намагничивающая сила (н.с.) на пару полюсов. Магнитная проводимость может быть определена из известного выражения 35 ! С и 2д (х) где L — длина полюсной части; 40 — длина пакета сердечника; д — воздушный зазор; f(x) — некоторая функция, описывающая нелинейный характер изменения магнитной проводимости. 45 Магнитная проводимость магнита известного устройства G =«o Я 2д f(x) = 50 р L2I р L>i =«p f (x } =Pp д () на пару полюсов магнитная проводимость G; = — =,«, f(x). G Ll I р д (1) Для предлагаемого устройства длина половинки (зубцовой зоны) раздвоенного полюса равна Ы2. равления еще один магнит 5, Аналогично происходит перемещение якоря 2 вдоль координатной оси Y при включении магнитов 6. При одновременной подаче токов в маг5 ниты 5 и 6 можно получить перемещения корпуса под различными углами к координатным осям Х и Y. При коммутации в фазных катушках непрерывно меняющейся трехфазной системы токов устройство может работать 10 в режиме. непрерывного движения как трехфазный синхронный электродвигатель.. Рассмотрим конструктивные схемы известного и предлагаемого устройств равных объемов. Длина сердечников, длина и высо15 тапакетасердечника принимается равной, т.е. рассматриваем кубики равного объема при равной фазности,. например m=3, и числе пар полюсов р=3 для известного устройства и р=6 дл предлагаемого. Зубцовый 20 шаг принимаем равным, например, r. Длину полюса принимаем равной ! = 2 т. Длину сердечника принимаем равной, например, I. Как известно, тяговое усилие равно 1728943 Сравнивая приведенные выражения тягового усилия для обоих устройств, видно, что тяговое усилие в устройстве, выполненном по изобретению, в 2 раза больше тяго5 вого усилия известного устройства. Строго говоря, длина провода будет несколько больше за счет переходов в месте переплетения восьмерки, но так как усилие возрастает, толщину пакетов сердечников можно 10 выполнить меньше. За счет увеличения тягового усилия при одной и той же массе магнитов предлагаемый электродвигатель развивает значительно большее ускорение, В известном выражении ускорение Длина полюсной части сердечников р 2 =pLi. 2 Магнитная проводимость для магнита (р=б) 6 (I+I) G =pp д f(х)=,иО д f(x) и на пару полюсовмагнитная проводимость G1 = — =,ио — д f(х) =,ио — д f(х), G 3 Li I Li I р 6д 2д a= —, m где F — усилие; m — масса устройства. 20 Для прототипа получаем Так как полюс раздвоенный, то проводимость пары раздвоенных полюсов определяется путем сложения магнитных проводимостей в парах зубцовых зон раздвоенного полюса, как в параллельные цепи, т.е, магнитная проводимость пары раздвоенных полюсов равна a = —, m 25 Для устройства, выполненного по изо(2) бретению, 2F аг = — =2 а>. Из выражения (2) видно, что проводи масть пары раздвоенных полюсов предлагаемого устройства равна магнитной проводимости пары полюсов известного (1). За счет выполнения фазных катушек в виде восьмерок с образованием двух намагничивающих сил на пару полюсов 2М/р увеличивается тяговое усилие. Если взять одинаковой длины провод и намотать его на сердечники обоих устройств, то в устройстве по изобретению тяговое усилие будет больше. Действительно, подставляя полученные выражения маг40 нитных проводимостей и намагничивающих сил в выражение для тягового усилия получим для известного устройства г OGi 2 ;., 45 F =l(ZW,) — =3(1И,) —. и для предлагаемого F = p (1Wp ) — + р (10/р ) — = 3 2 х „()г дЬ 5h =И 2д () =и, д f(x) = Li! Li l =,ио д f(x)„ т.е, ускорение, развиваемое приводом, в 2 раза больше, чем у прототипа. Формула изобретения Шаговый электродвигатель, содержащий неподвижный ферромагнитный зубчатый статор, подвижный якорь, состоящий из сердечников с пазами, образующих полюса с группой зубцов на каждом полюсе, сдвинутых относительно зубцов статора, постоянный магнит, ось намагниченности которого направлена вдоль пазов сердечников, расположенный между сердечниками, и m-фазные катушки, расположенные на сердечниках,отличающийся тем,что, с целью увеличения тягового усилия, сердечники снабжены дополнительными пазами, раздваивающими каждый полюс, а катушки выполнены в виде восьмерок, объединяющих полюса противолежащих сердечников в пары, которые расположены соосно в плоскости, перпендикулярной оси перемещения. 1728943 1728943 1728943 1728943 С С7 g0 йг 8 т дг Ср 7 2 1728943 Г О+ Фиг. 2 В2 Фиг. Я Составитель Т. Цынская Редактор О. Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор М. Шаооши Заказ 1413 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101
