Линейный шаговый электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к шаговым двигателям. Технический результат изобретения, заключающийся в упрощении конструкции двигателя, достигается путем того, что в линейном шаговом электродвигателе, содержащем корпус, подвижный упругий элемент, контактирующий с ведомым звеном в виде стержня, и две обмотки, подключенные к импульсному источнику питания, подвижный упругий элемент выполнен в виде замкнутой цилиндрической камеры с осевым отверстием, заполненной ферромагнитной жидкостью и имеющей выполненную из эластичного материала внутреннюю цилиндрическую стенку, стержень ведомого звена размещен коаксиально и свободно в осевом отверстии камеры, а обмотки установлены в корпусе с охватом стержня симметрично по обе стороны камеры и разделены с торцевыми поверхностями последней, прикрепленными к обмоткам упругими кольцевыми прокладками, при этом камера снабжена регулируемыми ограничителями осевых шаговых перемещений в виде резьбовых втулок, навернутых на края наружной поверхности камеры. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах с поступательным дискретным движением рабочего органа, например в роботах-манипуляторах в устройствах автоматики, в системах электропривода подачи металлорежущих станков.

Известен электромагнитный линейный двигатель, содержащий два электромагнита с катушками, якорями и магнитопроводами с фиксаторами, взаимодействующими с зубчатой рейкой, причем один электромагнит расположен внутри другого, а якорь каждого электромагнита жестко связан с магнитопроводом другого электромагнита /см. а.с. СССP 957366, кл. Н 02 К 41/03, 1982 [1]/.

Недостатками данного двигателя являются сложность конструкции, значительные вес и габариты, а также значительное потребление электроэнергии вследствие необходимости перемещения в процессе работы всего электродвигателя.

Известен также электромагнитный линейный двигатель, содержавший электромагнит в виде корпуса со стопорными элементами, входящими в зацепление с упорами направляющих, цилиндрического магнитопровода, катушки возбуждения с воздушным зазором и ферромагнитного сердечника, установленного в зазоре и соединенного с помощью стержней и пружины сжатия с ограничителями перемещения и фланцем /см. а.с. СССР 1483563 кл. Н 02 К 41/03, 1987 [2]/.

Недостатками данного устройства также являются сложность конструкции вследствие необходимости перемещения за два такта с поочередной фиксацией фланца и корпуса, а также значительное потребление электроэнергии вследствие необходимости перемещения в процессе работы большой массы всего двигателя вместе с корпусом.

Кроме того, известен линейный шаговый электродвигатель, содержащий ферромагнитную направляющую и два электромагнита с обмотками и фиксаторами, размешенные в немагнитном корпусе, заполненном ферромагнитной жидкостью /см. а.с. СССР 1363395, кл. H 02 К 41/03, 1986 [3]/.

Недостатками данного устройства являются значительная сложность конструкции и эксплуатации, значительное потребление электроэнергии, а также низкая надежность. Это объясняется наличием значительного числа связанных между собой узлов, включением в один такт рабочего процесса целого ряда последовательных циклов: фиксация первого электромагнита, подача напряжения на оба электромагнита, фиксация второго электромагнита, новая подача напряжения на оба электромагнита и т.д., а также необходимость перемещения двух электромагнитов вместе с корпусом и жидкостью, размещения всех вышеуказанных узлов внутри ферромагнитной жидкости в условиях относительных взаимных перемещений всех узлов: электромагнитов, фиксаторов, корпуса, направляющей, при необходимости сохранения полной герметичности.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является линейный электродвигатель, содержащий корпус, источник магнитного поля с полюсами, подвижный гофрированный упругий элемент с жестко скрепленной на нем обмоткой, размещенной между полюсами источника и подключенной к импульсному источнику питания, а также ведомое звено, выполненное в виде стержня, установленного с натягом между гофрами упругого элемента /см. а. с 1365275, кл. Н 02 К 33/10, 41/03, 1986 [4]/, принятый за прототип.

Недостатками устройства-прототипа являются сравнительно малое тяговое усилие и низкая надежность конструкции, что объясняется минимальным изменением радиальных размеров гофр при осевых деформациях упругого элемента, закреплением катушки с обмоткой непосредственно на подвижном упругом элементе и т.д.

Сущность изобретения заключается в создании линейного шагового электродвигателя, в котором однонаправленное импульсное движение ведомого звена создается за счет формирования сил механического взаимодействия звена с помощью сил электрического взаимодействия обмотки и ферромагнитной жидкости в рабочие полупериоды движения.

Технический результат - упрощение конструкции, увеличение тягового усилия и повышение надежности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном линейном шаговом электродвигателе, содержащем корпус, подвижный упругий элемент, контактирующий с ведомым звеном в виде стержня, и две обмотки, подключенные к импульсному источнику питания, особенность заключается в том, что подвижный упругий элемент выполнен в виде замкнутой цилиндрической камеры с осевым отверстием, заполненной ферромагнитной жидкостью и имеющей выполненную из эластичного материала внутреннюю цилиндрическую стенку, стержень ведомого звена размещен коаксиально и свободно в осевом отверстии камеры, а обмотки установлены в корпусе с охватом стержня симметрично по обе стороны камеры и разделены с торцевыми поверхностями последней, прикрепленными к обмоткам упругими кольцевыми прокладками, при этом камера снабжена регулируемыми ограничителями осевых шаговых перемещений в виде резьбовых втулок, навернутых на края наружной поверхности камеры.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображен предлагаемый двигатель, общий вид с центральным продольным разрезом.

Линейный шаговый электродвигатель содержит корпус 1, упругий элемент, контактирующий с ведомым звеном в виде стержня 2, установленного в направляющих линейного перемещения 3, 4, и две обмотки 5, 6, подключенные к импульсному источнику питания /на чертеже не показан/, при этом подвижный упругий элемент выполнен в виде замкнутой цилиндрической камеры 7 с осевым отверстием 8, заполненной ферромагнитной жидкостью 9 и имеющей выполненную из эластичного материала, например из толстой фторопластовой пленки, внутреннюю цилиндрическую стенку 10, стержень 2 ведомого звена размещен коаксиально и свободно в осевом отверстии 8 камеры 7, а обмотки 5, 6 жестко установлены в корпусе 1 со свободным охватом стержня 2 симметрично по обе стороны камеры 7 и разделены с торцевыми поверхностями последней, прикрепленными к обмоткам 5, 6 упругими кольцевыми прокладками 11, 12, причем камера 7 снабжена регулируемыми ограничителями осевых шаговых перемещений в виде резьбовых втулок 13, 14, навернутых на края наружной поверхности камеры 7. На обмотках 5, 6 на внутренних, обращенных к камере 7 плоскостях, размещены жесткие кольцевые подложки /на чертеже не показаны/ для упора в них упругих прокладок 11, 12 и резьбовых втулок 13, 14. Таким образом, каждая из прокладок 11, 12 прикреплена одной своей плоскостью к соединенной с соответствующей обмоткой 5, 6 подложке, при этом другая плоскость прокладки 11, 12 контактирует с торцевой поверхностью камеры 7 без крепления к последней.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

При включенных обмотках 5, 6 камера 7 расположена симметрично между обмотками 5, 6, упругие прокладки 11, 12 не деформированы и контактируют с торцами камеры 7, жидкость 9 равномерно заполняет полость камеры 7, при этом упругая цилиндрическая стенка 10 камеры 7 также не деформирована, то есть между ней и стержнем 2 имеется радиальный зазор, дающий камере 7 возможность свободно смещаться в осевом направлении относительно стержня 2. Упругие прокладки 11, 12 имеют в осевом направлении минимальную жесткость на сжатие, достаточную только для приведения камеры 17 в указанное выше симметричное положение. При подаче импульса тока, например, в левую на чертеже обмотку 5 за счет действия электромагнитного поля обмотки 5 ферромагнитная жидкость 9 стремится сместиться влево в сторону обмотки 5. При этом с одной стороны вся камера 7 движется влево, сжимая упругую прокладку 11 и отходя от прокладки 12, а с другой стороны жидкость 9 деформирует внутрь упругую стенку 10 в левой части камеры 7, за счет этого камера 7 зажимает стержень 2, в результате чего стержень 2 смещается вместе с камерой влево. Осевой зазор между левым торцом резьбовой втулки 13 и обмоткой 5 заранее выставляется равным требуемой величине шага перемещения, поэтому стержень сместится влево только на величину шага. При отключении импульса тока в обмотке 5 жидкость 9 опять займет равномерно распределенное положение в камере 7, стенка 10 выпрямится, камера 7 отпустит стержень 2, прокладка 11 разожмется и вернет камеру 7 в исходное состояние. Естественно, при этом стержень 2 /ведомое звено/ останется в смещенном влево на шаг положении. Таким образом, обеспечивается поступательное движение ведомого звена 2 влево с необходимой и заранее задаваемой дискретностью позиционирования, то есть движение в шаговом режиме. Аналогично, при подаче и снятии импульсов тока в обмотку 6 происходит движение такого же характера вправо.

Предложенное устройство в отличие от известных имеет предельно простую конструкцию, не требует специальной регулировки, также предельно просты режимы его работы. Узел с ферромагнитной жидкостью выполнен отдельно в виде специального герметичного модуля, токонесущие узла неподвижны и не контактируют с жидкостью, что обеспечивает высокую надежность конструкции. Заданным выбором электромеханических параметров конструкции: числом ампер-витков обмоток, массой ферромагнитной жидкости, жесткостью упругой стенки камере и т.д., можно добиться одновременно как значительных радиальных усилий по сжатию камерой ведомого звена, так и осевых усилий по смещению камеры вместе с ведомым звеном, то есть значительного тягового усилия.

Формула изобретения

Линейный шаговый электродвигатель, содержащий корпус, подвижный упругий элемент, контактирующий с ведомым звеном в виде стержня, и две обмотки, подключенные к импульсному источнику питания, отличающийся тем, что подвижный упругий элемент выполнен в виде замкнутой цилиндрической камеры с осевым отверстием, заполненной ферромагнитной жидкостью и имеющей выполненную из эластичного материала внутреннюю цилиндрическую стенку, стержень ведомого звена размещен коаксиально и свободно в осевом отверстии камеры, а обмотки установлены в корпусе с охватом стержня симметрично по обе стороны камеры и разделены с торцевыми поверхностями последней, прикрепленными к обмоткам упругими кольцевыми прокладками, при этом камера снабжена регулируемыми ограничителями осевых шаговых перемещений в виде резьбовых втулок, навернутых на края наружной поверхности камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1