Электродвигатель
Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим двигателям (синхронным, с вентильным управлением, шаговым), предназначенным для привода электрических исполнительных механизмов и устройств. Сущность изобретения состоит в том, что электродвигатель содержит зубчатые магнитомягкие ротор и статор, выполненный в виде магнитопровода с полюсами, сегментами и чередующимися по окружности тангенциально намагниченными постоянными магнитами, на полюсах размещены катушки m-фазной обмотки статора, к каждому сегменту прилегают постоянные магниты одноименной полярности, число сегментов и полюсов кратно 2m, зубцы на сегментах и роторе выполнены равными шагами, оси зубцов смежных сегментов смещены на угол 360/2m эл. град., обмотки каждой фазы выполнены из последовательного соединения катушек, размещенных на полюсах, отстоящих друг от друга на m-1 полюс, сегменты и тангенциально намагниченные магниты размещены между полюсами статора и ротором. При этом согласно изобретению немагнитные зазоры между полюсами и сегментами соизмеримы с длиной воздушного зазора между зубчатыми поверхностями указанных сегментов и ротора. Технический результат - улучшение энергетических показателей и расширение функциональных возможностей электродвигателя. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим двигателям, предназначенным для привода исполнительных механизмов и устройств: синхронным, вентильным управлением и шаговым.
Уровень техники
Известны электрические двигатели для привода исполнительных механизмов, например, редукторные двигатели [3, 4], содержащие зубчатые магнитомягкие статор и ротор, на статоре выполнены полюса, числом, кратным 2-m, на которых размещена обмотка в виде катушек, расположенных на этих полюсах.
Известны электродвигатели, содержащие зубчатые магнитомягкие статор и ротор с катушками на полюсах статора и намагниченные в тангенциальном направлении постоянные магниты на статоре [5, 6 и 7]. В таких электродвигателях магнитный поток постоянных магнитов, замыкаясь по паразитным (нерабочим зазорам), создает дополнительный тормозной момент, что понижает их энергетические показатели.
Известен также электродвигатель для привода исполнительных механизмов [2], в котором для улучшения динамических характеристик и обеспечения фиксации в обесточенном состоянии используется электромагнитный тормоз, размещенный на валу двигателя. Недостатком такого электродвигателя является сложность конструкции и громоздкость, вызванная необходимостью обеспечения магнитной проводимости в аксиальном направлении и, как следствие этого, повышенный расход активных материалов.
В электрическом исполнительном механизме по [1] для улучшения динамических характеристик и обеспечения фиксации вала (то же самое для фиксации выходного вала механизма) в обесточенном состоянии используется механическое тормозное устройство, размещенное на валу электродвигателя, элементы которого используются для ручного перемещения выходного органа механизма.
В [5] описан электродвигатель, содержащий зубчатый магнитомягкий ротор и зубчатый статор, выполненный в виде чередующихся по окружности тангенциально намагниченных постоянных магнитов и сегментов с полюсами и m-фазной обмоткой, расположенной на сегментах (на статоре), к каждому сегменту постоянные магниты прилегают полюсами одноименной полярности, число сегментов кратно 2m, зубцы ротора и статора выполнены с равными шагами, оси зубцов смежных сегментов смещены на угол 360/2m электрических градусов.
Недостатком этого электродвигателя является неполное использование энергетических возможностей. Это вызвано тем, что половина зубцов на сегментах сдвинута на 180 эл. градусов относительно другой половины зубцов (зубцы на крайних полюсах относительно зубцов на среднем полюсе). Вследствие такого расположения зубцов на полюсах при вращении ротора относительно статора часть магнитного потока постоянных магнитов создает полезный момент вращения, а часть - тормозной момент. Таким образом не в полной мере используется энергия постоянных магнитов, значит не полностью используются энергетические возможности.
Сущность изобретения
Наиболее близким по существу к предлагаемому изобретению является электродвигатель, описанный в [5].
Целью настоящего изобретения является улучшение энергетических показателей и расширение функциональных возможностей электродвигателя.
Цель по улучшению энергетических показателей достигается тем, что чередующиеся по окружности сегменты и тангенциально намагниченные постоянные магниты размещены между полюсами статора и ротором, немагнитные зазоры между полюсами статора и сегментами соизмеримы с воздушным зазором между зубчатыми поверхностями указанного сегмента и ротора.
Расширение функциональных возможностей достигается:
- размещением на статоре электродвигателя тормоза (электромагнитного) с фрикционным элементом, подвижная часть которого связана с валом двигателя, обмотка тормоза включается в работу одновременно с обмоткой электродвигателя;
- кинематической развязкой неподвижной части указанного тормоза от корпуса электромагнита и удерживанием от проворота относительно статора электродвигателя с помощью зубчатой передачи с червяком.
- установлением статора электродвигателя в корпусе с возможностью совершать вращательное перемещение относительно корпуса, который связан с упругим чувствительным элементом, ограничивающим угол поворота статора относительно корпуса, подвижная часть чувствительного элемента взаимодействует с исполнительным элементом, например, электрическим выключателем, магнито-, фоточувствительным элементом, которые формируют команду на отключение электродвигателя (обмоток статора) при достижении ротором двигателя определенного значения вращающего момента, т.е. оснащением электродвигателя с устройством для ограничения момента.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг.1 изображен поперечный разрез активной части предлагаемого электродвигателя.
На фиг.2 изображен продольный разрез электромагнитного тормоза электродвигателя.
На фиг.3 приведена конструкция электродвигателя с тормозом, конструктивный элемент которого используется для ручного перемещения выходного органа исполнительного механизма.
На фиг.4 приведена конструкция устройства для ограничения момента вращения электродвигателя.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Предлагаемый электродвигатель по фиг.1 содержит магнитомягкий статор 1 с 2m полюсами, на которых размещена обмотка в виде катушек 2, на полюсах размещены 2m зубчатых сегмента 3 (полюсные наконечники), обращенных зубчатой поверхностью к зубчатому ротору 4. Между сегментами (полюсными наконечниками) размещены намагниченные в тангенциальном направлении постоянные магниты 5, к каждому сегменту магниты прилегают полюсами одноименной полярности. Зубцы на роторе и сегментах выполнены с равными шагами, оси зубцов на смежных сегментах (полюсных наконечниках) смещены на угол 360/2m эл. градуса. Между сегментами (полюсными наконечниками) и полюсами статора предусмотрен немагнитный зазор Δ1. Длина воздушного зазора Δ и немагнитного зазора Δ1 подобраны таким образом, что магнитный поток от постоянных магнитов распределяется на два потока (как показано на фиг.1): через немагнитный зазор по полюсам и спинке статора; через воздушный зазор по спинке ротора. При подключении обмоток статора к источнику переменного тока (постоянного тока - в шаговом двигателе или к инвертору - в случае вентильного управления) магнитный поток от обмотки статора замыкается как показано на фиг.1 через возбужденные полюса, немагнитные и воздушные зазоры, по спинкам ротора и статора. Магнитные потоки от рабочего поля и от постоянных магнитов в воздушных зазорах между ротором и сегментами складываются (имеют одно направление), в немагнитных зазорах направлены встречно и вычитаются. В спинке ротора указанные потоки складываются, в спинке статора наоборот вычитаются. В сегментах, смежных рабочим (соседними с рабочими) сегментам, происходит обратное: в воздушных зазорах магнитные потоки направлены встречно, в немагнитных зазорах и полюсах статора - складываются.
Таким образом полезный магнитный поток, создающий вращающий момент, состоит из суммы магнитного потока постоянных магнитов и рабочего поля, паразитный магнитный поток, создающий тормозной момент, состоит из разности потоков названных магнитных полей. Такое взаимодействие магнитных полей при прочих равных условиях обуславливает улучшение энергетических характеристик в предлагаемом электродвигателе по сравнению с известным.
Устройство предлагаемого электромагнитного тормоза приведено на фиг.2.
Корпус этого тормоза 1 из магнитомягкого материала установлен неподвижно в торце статора электродвигателя 2 и является сердечником электромагнита; в выточке сердечника размещена обмотка электромагнита 3. Якорь электромагнита 4 выполнен в виде диска из магнитомягкого материала. Внутри корпуса в специальной расточке размещена пружина сжатия 5, воздействующая на якорь. На валу ротора электродвигателя 6 между якорем электромагнита и упорной шайбой 7 в осевом направлении расположен диск 8 из фрикционного материала, который установлен на валу посредством втулки 9 со шпоночным пазом. К периферии диска примыкают две шайбы 10 с каждой стороны из твердой закаленной стали, а между ними - распорные пружины 11. Шайбы 10 и упорная шайба 7 привинчены к корпусу 1 винтами 12, которые одновременно являются регулировочными, т.к. с помощью этих винтов возможно регулирование зазора между сердечником и якорем электромагнита.
Тормоз работает следующим образом. В нормальном состоянии, когда по обмотке электромагнита не протекает электрический ток, под воздействием силы сжатия пружины 5 якорь прижимает шайбы 10 к диску 8. Силы трения между этими шайбами и диском из фрикционного материала создают тормозной момент, под действием которого ротор электродвигателя остается неподвижным относительно статора электродвигателя. При подключении обмотки 3 к источнику электрического тока силы тяжения образовавшегося магнитного поля притягивают якорь к сердечнику, преодолевая силу сжатия пружины 5. При этом под действием распорных пружин 11 шайбы 10 отходят от диска 8, тем самым освобождая последний для свободного вращения вместе с ротором, ротор электродвигателя растормаживается. При прекращении электрического тока в обмотке диск из фрикционного материала 8 под действием пружины 5 прижимается к шайбам 10, воздействуя на ротор - затормаживает ротор.
В случаях применения в исполнительных механизмах несамотормозящихся передач электродвигатель с описанным выше тормозом обеспечивает фиксацию выходного органа механизмов. В переходных режимах - при частых включениях и выключениях - обеспечивает требуемые динамические характеристики, т.к. обмотка тормоза включается и выключается одновременно с обмотками электродвигателя.
Отличием от описанного выше электромагнитного тормоза, приведенного на фиг.3, является то, что упорная шайба кинематически развязана от корпуса - сердечника тормоза через подшипники качения 1, на наружной обойме которых размещен зубчатый венец 2. Указанный зубчатый венец взаимодействует с червяком 3, который устанавливается в корпусе исполнительного механизма или в корпусе электродвигателя. Такое размещение конструктивных элементов тормоза позволяет вращением червяка привести во вращение связанного с диском из фрикционного материала ротора электродвигателя относительно статора и далее по кинематической цепи и выходного органа механизма.
На фиг.4 приведена конструктивная схема, поясняющая принцип работы прелагаемого устройства ограничения момента на валу ротора электродвигателя.
Статор электродвигателя 1 установлен в корпусе 2 через опоры, например подшипники качения 3, которые придают статору степень свободы: возможность совершать вращательное перемещение относительно оси корпуса и ротора. Со статором связан (установлен неподвижно на статоре) рычаг 4, опирающийся свободным концом на упругие чувствительные элементы - пружины сжатия 5, установленные в корпусе с обеих сторон рычага. Исполнительные элементы, формирующие команду на отключение обмоток электродвигателя при достижении заданного значения крутящего момента на роторе двигателя 6 (в данном случае микровыключатели), установлены в корпусе.
Устройство работает следующим образом. В выключенном состоянии рычаг 4 и статор электродвигателя под воздействием пружин 5 занимают положение, при котором ось рычага совпадает с осью ОО. При подключении обмоток электродвигателя к напряжению питания ротор взаимодействует со статором, отталкиваясь от него, и развивает крутящий момент. Крутящий момент ротора равен моменту, с которым он отталкивается от статора. Вращательное перемещение статора ограничивается упругими элементами 5, уравновешивающими действующий на статор со стороны ротора момент. Величина сжатия пружин определяется моментом воздействия статора на них. Следовательно, угол отклонения оси рычага 4 от положения оси ОО определяет величину крутящего момента ротора. При достижении ротором определенного значения крутящего момента рычаг 4, отклоняясь от положения оси ОО, достигнет штока микровыключателя и приводит в действие микровыключатель 6, который формирует команду на отключение обмоток электродвигателя от напряжения питания. Значение ограничиваемого таким способом крутящего момента ротора определяется жесткостью упругих чувствительных элементов - пружин 5 и углом отклонения рычага от положения оси ОО.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР №594561, М.Кл. Н 02 к 7/10, G 05 g 19/00. Исполнительный электрический однооборотный механизм.
2. Авторское свидетельство СССР №788279, М.Кл. Н 02 к 7/106 Самотормозящийся синхронный электродвигатель.
3. Авторское свидетельство СССР №919021, М.Кл. Н 02 к 19/10 Синхронный электродвигатель.
4. Авторское свидетельство СССР №942213, М.Кл. Н 02 к 19/10 Синхронный электродвигатель.
5. Авторское свидетельство СССР №1327242, М.Кл. Н 02 к 29/00, Н 02 к 19/24. Вентильный электродвигатель.
6. Патент США US 05825112, М.Кл. Н 02 к 1/00, Н 02 к 1/12, Н 02 к 1/14. Двигатель с двойной явновыраженной полюсностью и стационарными постоянными магнитами.
7. Патент США WO 9707583, М.кл. Н 02 к 1/00, Н 02 к 1/22, Н 02 к 17/42, Н 02 к 21/26. Реактивная синхронная машина с постоянными магнитами или вспомогательными обмотками возбуждения.
1. Электродвигатель для привода электрических исполнительных механизмов и устройств, содержащий зубчатые магнитомягкие ротор и статор, выполненный в виде магнитопровода с полюсами и сегментами и чередующимися по окружности тангенциально намагниченными постоянными магнитами, на полюсах размещены катушки m-фазной обмотки, к каждому сегменту прилегают постоянные магниты одноименной полярности, число сегментов и полюсов кратно 2m, зубцы на сегментах и роторе выполнены с равными шагами, оси зубцов смежных сегментов смещены на угол 360/2m эл. градусов, обмотки каждой фазы выполнены из последовательного соединения катушек, размешенных на полюсах, отстоящих друг от друга на m-1 полюс, отличающийся тем, что сегменты и тангенциально намагниченные постоянные магниты размещены между полюсами статора и ротором, немагнитные зазоры между полюсами и сегментами соизмеримы с длиной воздушного зазора между зубчатыми поверхностями указанных сегментов и ротора.
2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что на статоре размещен электромагнитный тормоз с фрикционным элементом, подвижная часть которого связана с валом электродвигателя, обмотки тормоза включаются в работу одновременно с обмотками электродвигателя.
3. Электродвигатель по п.2, отличающийся тем, что неподвижная часть электромагнитного тормоза кинематически развязана от корпуса электромагнита и удерживается от проворота относительно статора электродвигателя (или сочленяемого с ним механизма) с помощью зубчатой передачи с червяком.
4. Электродвигатель по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что статор электродвигателя установлен в корпусе с возможностью поворота относительно последнего и связан с упругим чувствительным элементом, ограничивающим угол поворота статора относительно корпуса, подвижная часть чувствительного элемента взаимодействует с исполнительным элементом, формирующим команду на отключение электродвигателя при достижении определенного значения вращающего момента ротора.
