Шаговый электродвигатель

 

Использование: в автоматизированном электроприводе. Сущность изобретения: электродвигатель содержит статор, выполненный в виде Ш-образного магнитопровода с обмотками, якорь, имеющий возможность передавать движение на выходной вал. Якорь выполнен в виде сектора, установлен на кронштейне с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном повороту якоря, на упругой подвеске, обеспечивающей при отключенных обмотках свободное независимое взаимное движение якоря и выходного вала, при этом выходной вал в зоне механического сцепления с кронштейном якоря выполнен в зоне механического сцепления с кронштейном якоря выполнен в форме барабана. При попеременном запитывании обмоток магнитопровода импульсами напряжения разной величины якорь с кронштейном совершает колебательное движение в пределах Ш-образного магнитопровода, увлекая в одном из направлений совершения упомянутых колебаний барабан выходного вала, который совершает при этом последовательные дискретные однонаправленные перемещения. За счет механического сцепления якоря с выходным валом только в процессе совершения перемещения последнего достигается расширение диапазона моментов вращения электродвигателя. 4 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированном электроприводе.

Известно устройство - реактивный шаговый двигатель, содержащее несколько магнитных контуров с намагничивающими обмотками, якорь, совмещенный с выходным звеном, и стойку. При подаче напряжения на обмотки соответствующего магнитного контура якорь поворачивается в сторону магнитного равновесия этого контура до тех пор, пока не занимает его, в результате чего устройство подготавливается для включения следующего контура и нового перемещения [1] .

Это устройство имеет ограниченный диапазон момента вращения.

Известен шаговый электродвигатель, являющийся прототипом изобретения и содержащий статор, включающий в себя два независимых магнитных контура с намагничивающими обмотками и полюсами, образованными в одном Ш-образном магнитопроводе, центральный стержень которого выполнен в виде постоянного магнита, и якорь, соединенный с выходным звеном привода и выполненный в виде последовательного ряда чередующихся зубцов и пазов, причем ширина зубцов якоря выполнена равной ширине пазов между ними и ширине центрального полюса статора, а крайние полюса имеют ширину вдвое меньше среднего, причем расстояние между крайними полюсами статора и средним полюсом равно ширине крайних полюсов [2] .

Однако указанный электродвигатель может обеспечивать только строго пошаговое перемещение якоря потому, что для подготовки магнитной цепи к последующему включению, зубцы якоря должны занять определенное положение относительно полюсов статора. Если противодействие этому перемещению возрастает, то силы тяги электромагнита оказывается недостаточно для перемещения якоря на полный шаг и, после отключения намагничивающей обмотки под действием постоянного магнита якорь возвращается в первоначальное положение, а вместо дискретного однонаправленного перемещения на выходе получена вибрация ротора вблизи одного из устойчивых положений магнитного равновесия системы. Таким образом, электродвигатель может функционировать лишь в узком диапазоне нагрузок и моментов вращения.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей путем расширения диапазона моментов вращения, что позволит обеспечить надежную работу привода при произвольных нагрузках на его выходе.

На фиг. 1 показан предлагаемый электродвигатель, фронтальная проекция; на фиг. 2 - то же, продольный разрез; на фиг. 3 - график зависимости силы упругой подвески от величины ее деформации; на фиг. 4 - конструкция электродвигателя с магнитной системой статора внутри выходного барабана; на фиг. 5 - конструкция электродвигателя для реализации линейного перемещения выходного звена; на фиг. 6 - кинематическая схема одного из вариантов механизма фиксатора барабана выходного звена при максимальном зазоре между якорем и полюсами магнитных контуров.

Шаговый электродвигатель содержит Ш-образный магнитопровод 1 (фиг. 1 и 2), на боковых стержнях которого установлены намагничивающие обмотки 2 и 3, образующие два независимых магнитных контура Φ₁иΦ₂ соответственно, которые замыкаются через якосрь 4. Якорь закреплен на кронштейне 5, имеющем в поперечном сечении Г-образную форму и через регулировочную прокладку 6 жестко соединенном со средней частью плоской, предварительно поджатой пружины 7. Концы этой пружины закреплены на рычагах поворотного коромысла 8, посредством шарнирных опор 9 установленного на оси 10, жестко связанной со стойкой 11. На этой же оси также шарнирно установлен барабан 12, имеющий цилиндрическую часть с резиновым кольцом 13 на внутренней поверхности и выходной участок вала 14. Для ограничения угловой амплитуды перемещения якоря 4 служат буферные устройства 15 закрепленные на стойке 11.

Электродвигатель работает следующим образом.

На обмотку 2 подается напряжение U₁, в результате чего в магнитном контуре Φ₁ формируется магнитный поток, под действием которого якорь 4 начинает перемещаться вправо (по часовой стрелке). При этом на якорь 4 действует радиальная сила P_r, притягивающая его к полюсам магнитопровода 1. Это усилие за счет жесткого крепления якоря 4 к кронштейну 5, регулировочной прокладке 6 и плоской пружине 7 деформирует последнюю. Жесткость пружины при этом изменяется в соответствии с зависимостью, представленной на фиг. 3, из которой следует, что питающее напряжение U₁ и жесткость пружины 7 должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить превышение радиальной силой электромагнита силы предварительного поджатия пружины. В результате деформации пружины 7 якорь 4 и кронштейн 5 перемещаются по радиусу, выбирая зазоры δиΔ . Однако, поскольку Δ>δ, то кронштейн 5 верхней поверхностью своего рычага прижимается к цилиндрической поверхности резинового кольца 13 барабана 12, а якорь 4 располагается относительно полюсов магнитопровода 1 на расстоянии Δ-δ. Перемещаясь, якорь 4 увлекает барабан 12, а следовательно, выходной вал 14. Барабан 12 поворачивается вокруг оси 10 на шарнирных опорах 9. Движение продолжается до тех пор, пока якорь 4 не перемещается в крайнее правое положение, ограниченное правым буфером 15. После снятия питающего напряжения с обмотки 2 магнитный поток в контуре Φ₁ пропадает и исчезает радиальная сила притяжения якоря 4 к полюсам магнитопровода 1, в результате чего плоская пружина 7 отжимает якорь 4 с кронштейном 5 и прокладкой 6 от магнитопровода 1 и барабана 12.

Для того, чтобы вернуть якорь 4 в исходное (крйнее левое) положение, на намагничивающую обмотку 3 подается напряжение U₂, которое меньше U₁ и выбирается таким образом, чтобы сила притяжения якоря 4 к полюсам магнитопровода 1 при обратном xоде была недостаточной для деформации пружины 7.

Сила, созданная магнитным контуром Φ₂, в результате подачи напряжения U₂ на обмотку 3 переводит подвижную систему якоря 4 влево до крайнего положения у буфера 15. После этого с обмотки 3 снимается напряжение, подается напряжение на обмотку 2, и цикл повторяется. Движение выходного вала при этом будет дискретным однонаправленным.

Для осуществления реверса необходимо на обмотку 3 подать напряжение, равное по величине U₁, а на обмотку 2 - напряжение, равное по величине U₂. При этом последовательность подключения обмоток сохраняется, а направление вращения вала 14 меняется на противоположное.

Профили всех криволинейных поверхностей якоря 4, кронштейна 5 и магнитопровода 1 выполняются в виде дуг окружностей с центром, совмещенным с центром оси 10, причем радиусы кривизны полюсов магнитопровода 1 и дальней от центра поверхности якоря 4 равны, как равны и радиусы кривизны внутренней поверхности резинового кольца 13 и соприкасающейся с ним поверхности кронштейна 5.

Резиновое кольцо 13 введено в конструкцию электродвигателя снижения шума при работе, при контакте кронштейна 5 и барабана 12, а также для повышения коэффициента трения между ними.

Для уменьшения радиальных габаритов электродвигателя магнитную систему следует расположить внутри цилиндрической части барабана 12 (фиг. 4).

Данное устройство может быть использовано и для получения линейного перемещения исполнительного органа (фиг. 5).

Для обеспечения фиксации подвижного элемента электродвигателя при обесточенных обмотках 2 и 3 конструкции может быть предусмотрен фиксатор, представленный на фиг. 6, где показана структурная схема такого механизма. Барабан 16 застопорен фиксатором 17 от вращательного движения за счет прижима к нему последнего. Фиксатор 17 посредством коромысла 18 поворачивается вокруг шарнира 19 и соединен с осью 20 ролика 21. Ролик размещен в пазу 22 ползуна 23, в результате чего ползун 23 может совместно с направляющей кулисой 24 и возвратной пружиной 25 поворачиваться вокруг шарнира 19. Если на ползун 23 воздействовать радиальной силой, направленной от шарнира 26, то ползун перемещается вверх в направляющих кулисы 24, деформируя возвратную пружину 25 до соприкосновения с барабаном 16. При этом вместе с ползуном 23 перемещается и ось 20 ролика 21, коромысло 18 поворачивается вокруг шарнира 19 и фиксатор 17 отходит от поверхности барабана 16, освобождая его для возможности осуществления поворота.

За счет того, что якорь 4 сцепляется с выходным валом 14 только в процессе совершения последним вращательного движения, достигается расширение диапазона моментов вращения устройства. (56) Брускин Д. Э. и др. Электрические машины и микромашины. М. : Высшая школа, с. 318, рис 9-16.

Авторское свидетельство СССР N 628836, кл. H 02 K 37/00, 1975.

Формула изобретения

1. ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор, включающий в себя два независимых магнитных контура с намагничивающими обмотками и полюсами, образованных в одном Ш-образном магнитопроводе, и якорь, имеющий возможность передавать движение на выходной вал, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей путем расширения диапазона моменов вращения, якорь выполнен в виде сектора, установлен на кронштейне с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном повороту якоря, на упругой подвеске, обеспечивающей при отключенных магнитных контурах свободное независимое взаимное движение якоря и выходного вала, при этом выходной вал а зоне механического сцепления с кронштейном якоря выполнен в форме барабана.

2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочей поверхности механического сцепления кронштейна с барабаном использована внутренняя поверхность последнего, а статор установлен снаружи барабана.

3. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочей поверхности механического сцепления кронштейна с барабаном использована внешняя поверхность последнего, а статор установлен внутри барабана.

4. Электродвигатель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в него введено статорное устройство для фиксации выходного звена при максимальном зазоре между якорем и полюсами магнитных контуров.

5. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что выходное звено выполнено в виде прямолинейной штанги, установленной в направляющих стойках с возможностью поступательного перемещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6