ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H02K37/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам импульсного действия.

В большинстве известных электродвигателей /синхронных, асинхронных, моментных, шаговых/ непрерывное вращение осуществляется за счет того, что в каждый промежуток времени их действия магнитодвижущий момент создается лишь под частью магнитных полюсов электрической машины /обычно не более половины или трети/, что сказывается на снижении добротности, определяемой как отношение развиваемого движущего момента к массе активных частей и корню квадратному из потребляемой мощности. И это очевидно, поскольку для создания движущего момента в них используется не более половины или трети активных частей.

Известен шаговый электрический двигатель по а.с. СССР N1132330, который разработан автором на основании также его а.с. СССР N1010705 и содержит обмотку управления и соединенные с подвижным звеном и неподвижным основанием посредством механизмов свободного хода, выполненных в виде подпружиненных клиньев, два якоря, один из которых несет на своей цилиндрической поверхности полюса, а другой полюса и постоянные магниты, причем цилиндрические поверхности якорей размещены концентрично относительно друг друга. В этом двигателе взаимное колебательное движение двух якорей преобразуется в непрерывное вращение подвижного звена при помощи механизмов свободного хода, причем, поскольку магнитодвижущий момент развивается в нем в каждый промежуток времени всей обмоткой и под всеми полюсами одновременно, добротность его на порядок выше, чем у электродвигателей, создающих непрерывное вращение за счет бегущего по окружности магнитного поля. Практика показывает, что при прочих равных условиях это эквивалентно снижению массы двигателя в два раза.

Однако существенным недостатком такого двигателя являются механизмы свободного хода, которые быстро изнашиваются благодаря наличию в них трения скольжения и высоким удельным контактным давлениям в местах установки клиньев. Кроме того, пусковой движущий момент такого двигателя не может быть существенно повышен из-за насыщения магнитопроводящих частей магнитным потоком, а сам двигатель нельзя использовать в качестве управляемого электрического тормоза.

Целью данного изобретения является повышение надежности и долговечности /срока действия/, а также расширение области применения электрического двигателя за счет получения возможности использования его в качестве тормоза и за счет увеличения пускового движущего момента.

Цель достигается тем, что в шаговом электрическом двигателе, содержащем электрическую обмотку, поворотное звено, два установленных в корпусе с возможностью вращения якоря и постоянные магниты, последние выбраны по материалу из условия отсутствия размагничивания при максимальном магнитном потоке от обмотки и размещены попарно на каждом из расположенных соосно и с зазором якорей внутри цилиндрической обмотки катушечного типа из двух разделенных радиально секций с направлением намагниченности вдоль ее центральной оси, причем полюса магнитов чередуются как в направлении этой оси, так и по окружности каждого якоря, наружные аксиальные торцы любой пары магнитов на одном из якорей выступают за наружные аксиальные торцы соответствующей им пары магнитов на другом якоре, а на противоположных зазору между якорями полюсах магнитов закреплены магнитопроводящие полюсные наконечники с равномерно распределенными по окружности зубцами, имеющими шаг, меньший размера выступания торцов магнитов, при этом зубцы, соответствующие одноименным полюсом магнитов, расположены с зазором против имеющей тот же шаг зубчатой цилиндрической поверхности охватывающего снаружи катушку магнитопроводящего поворотного звена, зубцы, соответствующие противоположным полюсам магнитов, расположены с зазором против имеющей тот же шаг зубчатой цилиндрической поверхности магнитопроводящих втулок, неподвижно соединенных с корпусом и образующих концентричные зазоры с поворотным звеном, а электрическая обмотка /предпочтительно квадратного сечения/ связана с корпусом и имеет электрические выводы через его ребро, находящееся в зазоре между якорями.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель в продольном разрезе, на фиг. 2 упрощенная развертка двигателя в зоне рабочих зазоров с указанием путей прохождения магнитных потоков.

Двигатель содержит неподвижный корпус 1, выполненный из немагнитного сплава, например дюралюминия, заодно с каркасом А электрической обмотки 2, состоящей из двух секций Б и В. В корпусе на подшипниках 3 установлены два якоря 4 и 5, выполненные из немагнитного сплава. На якорях закреплены постоянные магниты 6 с магнитопроводящими полюсными наконечниками 7, зубцы которых Г и Д располагаются с зазором против зубцов Е поворотного звена 8, состоящего из охватывающих снаружи электрическую обмотку двух магнитопроводящих кожухов, и против зубцов Ж магнитопроводящих втулок 9, закрепленных на корпусе и образующих с поворотным звеном 8 концентричные зазоры И. В свою очередь, поворотное звено установлено на втулках 9 при помощи подшипников 10. Электрические выводы К обмотки выведены из нее наружу через канал в ребре Л корпуса, располагающемся в зазоре между якорями 4 и 5. Изоляция обмотки от каркаса А может быть осуществлена, например, при помощи оксидирования дюралюминия и покраски. Материал магнитов выбран из условия отсутствия их размагничивания при максимальном магнитном потоке Φ_y от электрической обмотки. Для этого подходят, например, редкоземельные сплавы на основе самария-кобальта.

Следует также пояснить, что постоянные магниты 6 на каждом из якорей 4 и 5 расположены попарно таким образом, что наружные торцы любой пары магнитов 6 на одном из якорей выступают за наружные торцы соответствующей им пары магнитов 6 на другом якоре (фиг. 2). Причем полюса магнитов 6 чередуются как вдоль центральной оси двигателя, так и по окружности каждого якоря. Кроме того, зубцы полюсных наконечников 7 выполнены с шагом, меньшим размера выступления торцов магнитов 6.

Двигатель работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на обмотку возникает магнитный поток управления Φ_y, путь которого показан на фиг. 1 и 2. При направлении магнитных потоков, соответствующих фиг. 2а, происходит суммирование магнитных потоков от постоянных магнитов Φ_o и потока управления Φ_y в зазорах σ₁,σ₃ и вычитание в зазорах σ₂,σ₄ т.е. якорь 4 оказывается сцепленным зубцами полюсного наконечника постоянного магнита М с зубцами втулки 9 неподвижного корпуса через зазор σ₁, а якорь 5 оказывается сцепленным зубцами полюсного наконечника магнита Н с зубцами поворотного звена 8 через зазор σ₃. При этом, т.к. в зазоре σ_o между магнитами M и H потоки Φ_o и Φ_y суммируются, а между магнитами П и Р вычитаются, возникает усилие, действующее на магнит H в направлении стрелки С, и якорь 5 смещается в этом же направлении относительно заторможенного якоря 4, увлекая за собой сцепленное с ним поворотное звено. В следующий момент электрическое напряжение в обмотке спадает до нуля, магнитный поток Φ_y исчезает, во всех зазорах между зубцами восстанавливается первоначальное распределение магнитных потоков от постоянных магнитов Φ_o и восстанавливаются создаваемые этими потоками усилия оба якоря и поворотное звено оказываются заторможенными /якори относительно втулок, закрепленных на корпусе, а поворотное звено относительно каждого из якорей/. Затем при возникновении в обмотке электрического напряжения противоположной полярности создается распределение магнитных потоков, изображенное на фиг. 2б. При этом происходит суммирование потоков Φ_o и Φ_y в зазорах σ₂, σ₄ и вычитание в зазорах σ₁, σ₃, т.е. якорь 5 оказывается сцепленным зубцами полюсного наконечника постоянного магнита Р с зубцами втулки 9 неподвижного корпуса через зазор σ₄, а якорь 4 оказывается сцепленным зубцами полюсного наконечника постоянного магнита П с зубцами поворотного звена 8 через зазор σ₂ В то же время в зазоре σ_o между магнитами П и Р происходит суммирование потоков Φ_o и Φ_y, а между магнитами М и Н вычитание, в результате возникает усилие, действующее на магнит П в направлении стрелки Т, и якорь 4 смещается в этом же направлении относительно заторможенного якоря 5, увлекая за собой сцепленное с ним поворотное звено 8.

Таким образом при подаче переменного электрического напряжения на обмотку происходит последовательное смещение поворотного звена в одном направлении то одним, то другим якорем, за счет чего создается непрерывное вращение электрического двигателя. При отключении же электрического напряжения создается тормозящий момент, жестко фиксирующий поворотное звено относительно корпуса. Однако при необходимости тормозящий момент может быть существенно уменьшен или полностью устранен за счет включения секций Б и В обмотки встречно. В этом случае образуется распределение магнитных потоков, изображенное, например, на фиг. 2в, когда поток Φ_y суммируется с потоком Φ_o в зазорах σ₁,σ₄ и вычитается в зазорах σ₂,σ₃ В результате оба якоря оказываются сцепленными с неподвижными втулками корпуса и рассоединенными с поворотным звеном, которое получает возможность свободно вращаться.

Предложенный двигатель позволяет также существенно повысить движущий пусковой момент. За счет чего именно это возможно, следует пояснить. Опыт эксплуатации отечественных моментных двигателей серии ДБМ, в конструкции которых распределенная электрическая обмотка непосредственно взаимодействует с постоянным магнитом якоря, доказывает, что в случае использования магнитов с высокой коэрцитивной силой, например на основе сплавов самарий-кобальт, и отсутствия между обмоткой и магнитом подверженных насыщению магнитопроводящих частей движущий момент может быть кратковременно увеличен в несколько раз за счет мгновенной подачи на обмотку повышенного электрического напряжения. В предложенной конструкции соблюдено как раз это условие, поскольку постоянные магниты расположены непосредственно внутри катушечной обмотки, и, следовательно, движущий пусковой момент двигателя может быть увеличен за счет кратковременно поданного на обмотку управления повышенного электрического напряжения в несколько раз, что важно, например, на отрезке разгона в случае использования такого двигателя в качестве мотор-колеса для средств передвижения.

Стоит также пояснить, что в соответствии с расчетами наибольшая добротность двигателя может быть достигнута в случае выбора поперечного сечения обмотки близким к квадрату.

Таким образом, предложенный двигатель позволяет за счет большей добротности в 1,5 2 раза снизить при прочих равных условиях его массу по сравнению с двигателями, использующими принцип бегущего по окружности магнитного поля, достичь равенства с ними в надежности и долговечности благодаря исключению механизмов свободного хода, совместить в одной конструкции функции двигателя и тормоза, а также в несколько раз по сравнению с номинальным повысить движущий пусковой момент. Следует также отметить простоту и удобство управления предложенным двигателем, т. к. его конструкция позволяет за счет изменения частоты питающего электрического напряжения плавно менять скорость в пределах от максимальной, определяемой инерциальной массой подвижных частей, до полной остановки без снижения развиваемого движущего момента. Стоит подчеркнуть и то, что ввиду выполнения обмоток предложенного двигателя в виде намотанной на каркасе катушки, его изготовление является гораздо менее трудоемким, чем изготовление большинства электрических двигателей с распределенной /всыпной/ обмоткой, поскольку именно сложность выполнения и укладки секций распределенной обмотки в наибольшей мере определяет срок нахождения любого подобного двигателя в производстве.

Использование: в электрических машинах импульсного действия. Сущность изобретения: шаговый электрический двигатель содержит два установленных в корпусе 1 с возможностью вращения якоря 4, 5 с постоянными магнитами 6, выполненными из материала, обеспечивающего отсутствие размагничивания при максимальном магнитном потоке от обмотки 2. Магниты 6 размещены попарно на каждом из расположенных соосно и с зазором якорей 4, 5 внутри цилиндрической обмотки 2. Полюса 7 магнитов чередуются как в направлении этой оси, так и по окружности каждого якоря 4, 5. Наружные аксиальные торцы любой пары магнитов на одном из якорей выступают за наружные аксиальные торцы соответствующей им пары магнитов на другом якоре. На противоположных зазору между якорями полюсах магнитов закреплены магнитопроводящие полюсные наконечники 7 с равномерно распределенными по окружности зубцами Г и Д, имеющими шаг, меньший размера выступания торцов магнитов. Зубцы Г, Д, соответствующие одноименным полюсам 7 магнитов 6, расположены с зазором против имеющей тот же шаг зубчатой цилиндрической поверхности охватывающего снаружи катушку 2 магнитопроводящего поворотного звена 8. Зубцы, соответствующие противоположным полюсам 7 магнитов 6, расположены с зазором против имеющей тот же шаг зубчатой цилиндрической поверхности Ж магнитопроводящих втулок 9, неподвижно соединенных с корпусом 1 и образующих концентричные зазоры с поворотным звеном 8. 2 ил.

Шаговый электрический двигатель, содержащий электрическую обмотку, поворотное звено, два установленных в корпусе с возможностью вращения якоря с постоянными магнитами, отличающийся тем, что магниты выполнены из материала, обеспечивающего отсутствие размагничивания при максимальном магнитном потоке от обмотки, и размещены внутри выполненной цилиндрической электрической обмотки из двух катушечных секций попарно на каждом из расположенных соосно и с зазором якорей, причем полюса магнитов чередуются как вдоль центральной оси, так и по окружности каждого якоря, наружные торцы любой пары магнитов на одном из якорей выступают за наружные торцы соответствующей им пары магнитов на другом якоре, а на противоположных зазору между якорями полюсах магнитов закреплены магнитопроводящие полюсные наконечники с равномерно распределенными по окружности зубцами, имеющими шаг, меньший размера выступания торцов магнитов, при этом зубцы, соответствующие одноименным полюсам магнитов, расположены с зазором против имеющей тот же шаг зубчатой цилиндрической поверхности охватывающего снаружи катушку магнитопроводящего поворотного звена, зубцы, соответствующие противоположным полюсам магнитов, расположены с зазором против имеющей тот же шаг зубчатой цилиндрической поверхности магнитопроводящих втулок, неподвижно соединенных с корпусом и образующих концентричные зазоры с поворотным звеном, а электрическая обмотка связана с корпусом и имеет электрические выводы через его ребро, находящееся в зазоре между якорями.