Электромагнитный линейный привод

Изобретение относится к электротехнике, к линейным приводам, и может быть использовано в приводных координатных системах. Технический результат состоит в снижении трудоемкости и себестоимости изготовления за счет определения координаты расположения ротора относительно статора или условной «нулевой точки» и на основе этого - исключение применения дорогостоящей системы контроля и большого числа коммутируемых датчиков Холла с повышенной чувствительностью. Электромагнитный линейный привод включает синхронный двигатель, содержащий статор и ротор, на одном из которых размещена, по меньшей мере, одна катушка, на другом - постоянные магниты. По меньшей мере, два датчика Холла системы контроля и управления ротором размещены вдоль продольной оси двигателя и связаны с системой контроля и управления ротором, который установлен с возможностью перемещения относительно статора в направлении его продольной оси. Магниты установлены на статоре, обращены друг к другу одноименными полюсами и образуют две группы чередующихся пар магнитов. В первой группе в каждой паре магниты установлены с одинаковым шагом между собой, а во второй группе - с монотонно возрастающим шагом. Второй магнит в первой паре с постоянным шагом является первым магнитом каждой паре с монотонно возрастающим шагом. Второй магнит в паре с монотонно возрастающим шагом является первым магнитом в паре с постоянным шагом. Ширина постоянных магнитов, постоянный шаг расположения магнитов, монотонно возрастающий шаг расположения магнитов и градиент его изменения выбирают из определенных соотношений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к линейным приводам, и может быть использовано в приводных координатных системах.

Известен электромагнитный линейный привод, который для упрощения конструкции и получения более высокой удельной мощности включает цилиндрический статор, состоящий из вала с установленными в его кольцевых проточках катушками, и ротор, состоящий из постоянных магнитов, имеющих кольцевую форму, охватывающих статор и установленных соосно статору с возможностью перемещения относительно его (см. патент WO №03015247, кл. Н02К 15/04, Н02К 41/03, 2003 г.).

Существенными недостатками электромагнитного линейного привода являются высокая трудоемкость и себестоимость изготовления из-за необходимости выполнения пазов и использования для обеспечения высокой координатной точности перемещений дорогостоящей системы контроля расположения ротора относительно условной «нулевой» координаты статора, расположенной на неподвижной части привода.

Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является линейный привод, содержащий: статор с катушками; ротор с постоянными магнитами, установленный с возможностью перемещения относительно статора в направлении его продольной оси; микропроцессорную систему управления перемещением ротора с блоком памяти, содержащим информацию о расположении катушек на статоре; датчики Холла для регистрации текущего положения ротора относительно статора, установленные вдоль оси статора на расстоянии друг от друга, соответствующем разности фаз синусоидального магнитного поля, равной 0,5π, и связанные с микропроцессорной системой управления (см. патент США US 6316848, кл. Н02К 41/00, 2001 г.), выбранный в качестве прототипа.

В приводе статор выполнен беспазовым. На нем размещены с постоянным шагом катушки, создающие при работе «бегущее» синусоидальное поле, и датчики Холла, шаг которых соответствует смещению по фазе синусоидального поля, равному 0,5π.

В памяти управляющего устройства хранятся данные о координатах расположения каждого датчика Холла и каждой катушки. Поэтому при движении ротора с постоянными магнитами датчиками Холла регистрируются определенные сигналы, два-три максимальных из которых по интенсивности позволяют определить зону расположения ротора, а по отношению сигналов с этих датчиков - его расстояние от них. В сумме это позволяет однозначно определить координату расположение ротора относительно условной «нулевой» точки на неподвижной части привода, на которой установлен статор.

Конструкция привода позволяет отказаться от использования специальной дорогостоящей контрольной системы для определения координаты расположения ротора. Однако при использовании привода в длинномерных приводных координатных системах это приводит к необходимости установки большого числа датчиков Холла с соответствующим удвоенным числом выводов на управляющее устройство, что в сочетании с необходимостью коммутации на статоре удвоенного, по отношению к количеству катушек, числа силовых проводников приводит к значительному возрастанию трудоемкости и себестоимости изготовления привода.

Задачей изобретения является снижение трудоемкости и себестоимости изготовления длинномерного электромагнитного линейного привода.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электромагнитном линейном приводе, включающем: синхронный двигатель, содержащий статор и ротор, на одном из которых размещена, по меньшей мере, одна катушка, на другом - постоянные магниты; систему контроля и управления ротором; по меньшей мере, два датчика Холла, размещенные вдоль продольной оси двигателя и связанные с системой контроля и управления ротором, который установлен с возможностью перемещения относительно статора в направлении его продольной оси, согласно техническому решению магниты установлены на статоре, обращены друг к другу одноименными полюсами и образуют две группы чередующихся пар магнитов, причем в первой группе в каждой паре магниты установлены с одинаковым шагом между собой, а во второй группе - с монотонно возрастающим шагом, причем второй магнит в первой паре с постоянным шагом является первым магнитом каждой паре с монотонно возрастающим шагом, а второй магнит в паре с монотонно возрастающим шагом является первым магнитом в паре с постоянным шагом.

Целесообразно, чтобы в электромагнитном линейном приводе ширина постоянных магнитов, постоянный шаг расположения магнитов, монотонно возрастающий шаг расположения магнитов и градиент его изменения выбирались из соотношений

В=(0,6÷0,9)h,

L_к=(0,9÷1,1)B,

L_i ^*=(0,9÷1,1)B,

Δt=(0,2÷0,4)В/m,

где В - ширина постоянных магнитов;

h - толщина катушки;

L_к - постоянный шаг расположения магнитов;

L_i ^* - монотонно возрастающий шаг расположения магнитов;

m - число постоянных магнитов;

Δt - градиент изменения монотонно возрастающего шага.

Снижение трудоемкости и себестоимости изготовления длинномерного электромагнитного линейного привода в предлагаемом техническом решении достигается тем, что в нем не только исключается необходимость использования специальной дорогостоящей, как правило, лазерной, системы контроля расположения ротора относительно условной «нулевой» точки статора, но и в десятки раз снижается необходимое для реализации этого контроля число используемых коммутируемых датчиков Холла, а также за счет выбора рациональных параметров катушек ротора, магнитов статора и шага их расположения могут быть использованы менее чувствительные, а значит, и более дешевые датчики Холла.

Этому также способствует выполнение статора беспазовым и размещение на нем постоянных магнитов, выполненных в виде нанизанных на стержень колец, а катушек и датчиков Холла - на роторе.

Определение расположения ротора относительно статора и его «нулевой» координаты без применения дополнительной системы контроля обеспечивается за счет следующего:

- по показаниям датчиков Холла микропроцессорная система рассчитывает значение переменного шага, различного на каждом участке статора, и по его фактическому значению определяет - между какими двумя магнитами расположен ротор, координаты которых зафиксированы в памяти микропроцессорной системы;

- одновременно с этим с использованием этих же показаний рассчитывается координата расположения ротора по отношению к упомянутым двум магнитам;

- суммарное значение этих двух координат дает координату расположения ротора относительно условной «нулевой» точки на статоре.

Диапазоны варьирования шириной постоянных магнитов, постоянного шага расположения магнитов на статоре и градиента изменения монотонно возрастающего шага определяются следующим.

При В<0,6 h и В>0,9 h и L_к<0,9 B и L_к>1,1 В эффективность электромагнитного взаимодействия элементов системы резко снижается и возникают существенные погрешности определения координаты расположения ротора относительно статора по показаниям датчиков Холла.

При градиенте изменения переменного шага расположения постоянных магнитов на статоре, меньшем значения Δt<0,2 В/m, существенно возрастают требования к чувствительности датчиков Холла и соответственно увеличивается стоимость привода, при большем значении Δt>0,4 В/m - снижается эффективность магнитного взаимодействия элементов привода.

На фиг.1 показана конструкция привода.

На фиг.2 - схема изменения шага расположения постоянных магнитов.

На фиг.3 - структурная схема контроля управления движением ротора.

Линейный привод (фиг.1) состоит: из двигателя, включающего статор 1 с расположенными на нем постоянными магнитами 2; ротора 3 с расположенными на нем катушками 4; трех датчиков Холла 5, 6, 7; основания 8 с расположенной на нем направляющей 9, закрепленной на корпусе 10; блока управления 11.

Постоянные магниты 2 (фиг.2) обращены друг к другу одноименными полюсами. Наиболее технологично использование постоянных магнитов 2 с одинаковыми шириной В и электромагнитными свойствами. В этом случае постоянный шаг расположения L_k для одной группы полюсов (например, S-S) выполнен постоянным за счет одинакового расстояния между ними, для другой группы полюсов (в рассматриваемом случае N-N) переменный шаг (L₁ ^*, L₂ ^*, ...L_(m-1) ^*) обеспечивается монотонно возрастающими зазорами между ними. Все зазоры заполнены магнитопроводящим материалом (не показан). Датчики Холла 5, 6, 7 расположены на роторе 3 на расстоянии l друг от друга. Катушка 4, расположенная на роторе, имеет толщину h.

Расстояние l между датчиками Холла фиксировано, и они расположены друг от друга таким образом, чтобы сумма постоянного и одного из переменных шагов , где j=2, 3, 4..., i=1, 2, 3...N, N - число переменных шагов, L_i ^* - значение одного из переменных шагов, была кратна расстоянию l. Наиболее целесообразным является расстояние между датчиками Холла, равное l=[L_ср+L_k)/4, L_cp - среднее значение монотонно возрастающего шага. Это обеспечивает наиболее простой алгоритм обработки данных с датчиков Холла при определении координаты расположения ротора.

Статор включает не менее 6 постоянных магнитов 2.

Система контроля и управления содержит микропроцессор 12, первый, второй и третий вход которого связан соответствующими выходами датчиков Холла, блок памяти 13, вход которого связан с первым выходом микропроцессора 12, выход - с четвертым входом микропроцессора, и исполнительное устройство 14, вход которого связан со вторым выходом микропроцессора, выход - с катушками ротора 3 (фиг.3).

Линейный привод работает следующим образом.

Ротор 3 перемещается относительно статора 1 свободно за счет конструктивного зазора. При этом он опирается на линейную направляющую 9, закрепленную на корпусе 10. Расположенная на катушке 4 двухфазная обмотка при питании каждой фазы соответственно синусоидальным и косинусоидальным током обеспечивает бегущую волну электромагнитного поля. Взаимодействие этого поля с полем расположенных на статоре 1 постоянных магнитов 2 создает тяговое усилие, обеспечивающее перемещение ротора 3 относительно неподвижного статора 1. Формирование синусоидальных и косинусоидальных токов так же, как и регулировка амплитуд этих токов для получения требуемых параметров мгновенной тяги в соответствии с заданными алгоритмами движения, обеспечивается исполнительным устройством 14 блока контроля и управления 11.

При движении ротора 3 сигналы с датчиков Холла 5, 6, 7 (фиг.3) поступают на вход микропроцессора 12, где обрабатываются с определением двух или трех постоянных магнитов 2, между или над одним из которых расположен ротор 3, и расстояния до них. По данным, хранящимся в блоке памяти 13, определяется координата расположения постоянных магнитов 2, между или над которыми расположен ротор 3. Координата одного из этих магнитов берется в качестве базовой. Она суммируется с расстоянием, на котором ротор 3 находится от постоянного магнита, принятого в качестве базового, в результате чего определяется координата ротора 3 относительно условной «нулевой» точки на статоре 1. После этого полученное значение координаты сравнивается с требуемой, хранящейся в блоке памяти 13, и при наличии рассогласования в их значениях подается соответствующая команда на исполнительное устройство 14, посредством которого ротор перемещается в точку с заданной координатой.

Таким образом, система контроля отслеживает расположения ротора относительно статора и его «нулевой» координаты без использования дополнительной дорогостоящей сложной системы контроля.

Использование предлагаемого технического решения в длинномерных системах позволяет обеспечить определение координаты расположения ротора относительно статора или условной «нулевой точки» и на основе этого исключить необходимость в применении дорогостоящей системы контроля и большого числа коммутируемых датчиков Холла с повышенной чувствительностью, что способствует существенному снижению его трудоемкости и стоимости его изготовления.

1. Электромагнитный линейный привод, включающий синхронный двигатель, содержащий статор и ротор, на одном из которых размещена, по меньшей мере, одна катушка, на другом постоянные магниты, систему контроля и управления ротором, по меньшей мере, два датчика Холла, размещенные вдоль продольной оси двигателя и связанные с системой контроля и управления ротором, который установлен с возможностью перемещения относительно статора в направлении его продольной оси, отличающийся тем, что магниты установлены на статоре, обращены друг к другу одноименными полюсами и образуют две группы чередующихся пар магнитов, причем в первой группе в каждой паре магниты установлены с одинаковым шагом между собой, а во второй группе с монотонно возрастающим шагом, причем второй магнит в первой паре с постоянным шагом является первым магнитом в каждой паре с монотонно возрастающим шагом, а второй магнит в паре с монотонно возрастающим шагом является первым магнитом в паре с постоянным шагом.

2. Линейный привод по п.1, отличающийся тем, что ширина постоянных магнитов, постоянный шаг расположения магнитов, монотонно возрастающий шаг расположения магнитов и градиент его изменения выбирают из соотношений

B=(0,6÷0,9)h,

L_к=(0,9÷1,1)В,

L_i ^*=(0,9÷1,1)B,

L_i ^*=(0,9÷1,1)B,

Δt=(0,2÷0,4)B/m,

где В - ширина постоянных магнитов;

h - толщина катушки;

L_к - постоянный шаг расположения магнитов,

L_i ^* - монотонно возрастающий шаг расположения магнитов,

m - число постоянных магнитов,

Δt - градиент изменения монотонно возрастающего шага.