МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H02K16/00 H02K33/12 H02P5/46 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям линейных и многокоординатных электромагнитных двигателей как составной части электропривода транспортирующих устройств (таковы, например, линейные асинхронные двигатели. Снабженные управляющей системой X-Y столы используются в чертежных автоматах и печатающих устройствах.

Известны плоские двигатели шагового типа [1] в которых питание подается по проводам к обмоткам ротора (перемещающегося объекта, бегунка).

Из-за наличия проводной связи такие двигатели не позволяют использовать одновременно несколько роторов, двигающихся по пересекающимся траекториям, а также не обеспечивают вращения.

Известны линейные и плоские двигатели асинхронного типа [2 и 3] в которых взаимодействуют бегущее поле многофазного статора и токи, наводимые этим полем в проводящем бегунке или обмотках ротора. В таких двигателях все роторы движутся с одинаковой скоростью, так как отсутствует управление током обмотки ротора.

В подобных двигателях также невозможно достичь одновременного движения роторов в разных направлениях, так как бегущее поле действует на все роторы одновременно.

Наиболее близким к изобретению является двигатель [3] содержащий роторы с короткозамкнутыми обмотками. Поэтому все роторы имеют одинаковый отклик на поле однородного статора, и не могут, например, одновременно вращаться в противоположные стороны, двигаться встречно и менять взаимное положение.

Цель изобретения устранение перечисленных ограничений с тем, чтобы обеспечить одновременное перемещение, поворот или вращение независимых объектов в разных направлениях, т.е. достижение возможности управления скоростью и направлением движения каждого ротора индивидуально, вне зависимости от скорости и направления движения любого другого ротора. Иначе говоря, в любые моменты времени векторы скоростей всех роторов могут различаться.

Такие устройства в технике могут служить для осуществления сборки сложных узлов, установки деталей на печатные платы, транспортировки, как графопостроители, а в быту для имитации спортивных игр с множеством независимо движущихся фигур, в качестве тренажеров, динамических учебных пособий.

Если роторы снабдить исполнительными механизмами, то благодаря активизации и роботизации фигур можно осуществлять такие технологические операции, как клепка, обжим, гибка, пайка в недоступных или опасных для оператора местах.

Цель достигается тем, что в многофункциональном электромагнитном двигателе, содержащем многофазный генератор, статор с расположенными под углом друг к другу группами многофазных обмоток, роторы с обмотками и блок управления, каждая обмотка ротора снабжена регулятором тока, бесконтактно связанным с блоком управления, а также тем, что регулятор тока состоит из приемника управляющих сигналов, дешифратора и включенных в каждую обмотку ротора электронных ключей, а блок управления снабжен передатчиком, а также тем, что он снабжен определителем положения, состоящим из выполненной на статоре дополнительной группы обмоток, подключенных к дополнительному многофазному генератору с частотой, отличающейся от частоты основного многофазного генератора.

В известном двигателе [3] содержащем в двухкоординатном плоском варианте ротор с обмотками и блоком управления и статор с двумя ортогонально расположенными многофазными обмотками, подключенными к генератору, последовательно с обмотками ротора установлены электронные ключи, управляемые через дешифратор и приемник, а блок управления снабжен передатчиком сигналов. Благодаря такому решению каждый ключ каждого ротора замыкается независимо от других на заданное время, синхронно с направлением бегущего поля, обеспечивая движение всего ротора из-за взаимодействия поля с индуцированными им же токами в обмотках.

На фиг. 1 показана общая схема двигателя; на фиг. 2 временные диаграммы работы; на фиг. 3 схема управления регулятором тока; на фиг. 4 расположение обмоток на дне ротора; на фиг. 5 ротор с исполнительным механизмом; на фиг. 6 система позиционирования.

Многофункциональный электромагнитный двигатель содержит (фиг. 1) блок управления 1, определяющий цикл работы многофазного генератора 2, питающего обмотки статора 3, переменное электромагнитное поле которого через линию связи 4 возбуждает обмотки ротора 5. Управление регулятором этих обмоток осуществляется через линию связи 6.

Статор 3 представляет собой ферромагнитную плиту с продольными канавками, в которых уложены три обмотки А1, А2, А3 и поперечными канавками с обмотками В1, В2, В3. На фиг. 2 показаны циклы Т_c работы двигателя. Напряжение с генератора 2 с амплитудой E и периодом Т в течение первой четверти цикла Т_c/4 подается на обмотки А в последовательности фаз А1, А2, А3, обеспечивая поперечное перемещение бегущего поля вверх, если смотреть на статор сверху. Поскольку силовые линии магнитного поля перпендикулярны направлению тока (и, следовательно, обмоткам статора), бегущее магнитное поле перемещается перпендикулярно пазам (канавкам), в которых уложены обмотки; в этом же направлении перемещается ротор.

Затем запитываются фазы В1, В2, В3 продольное движение вправо; А3, А2, А1 поперечное движение вниз; В3, В2, В1 продольное движение влево. После этого цикл повторяется. В общем случае количество обмоток, число фаз и величина углов между обмотками произвольно и в приведенной формуле поэтому не оговариваются. В данном примере конкретного выполнения статора применяются две трехфазные и ортогональные обмотки.

В простейшем случае линия связи 4 это воздушное пространство между поверхностью статора 3 и дном роторов 5, по которому переменное бегущее электромагнитное поле статора 3 передается на обмотки ротора 5. Блок управления 1 содержит: временный блок, определяющий циклы работы генератора 2 и передатчика 7 и формирователь команд для управления передатчиком 7 в зависимости от:
заданных скоростей и направлений движения всех роторов;
функций исполнительных механизмов;
местонахождения роторов.

Входящий в состав блока управления 1 передатчик 7 (фиг. 3) работает в инфракрасном оптическом диапазоне и вырабатывает закодированные оптические сигналы синхронно с работой генератора 2, которые через оптическую линию связи 6 поступают на приемники 8 регуляторов тока 11 всех роторов 5. дешифратор 9 выделяет команду, относящуюся к данному ротору и, если требуется, открывает электронные ключи 10, включенные последовательно с обмотками 12. Поскольку обмотки 12 находятся в переменном поле статора 3, в них начинает протекать ток, взаимодействие которого с полем статора 3 приводит к появлению силы тяги, горизонтальная составляющая которой смещает ротор 5 и жестко связанную с ним обмотку 12 в сторону бега поля статора 3, а вертикальная, направленная противоположно силе гравитации, снижает силу трения, либо, при определенных режимах, создает левитирующий эффект для ротора 5. Каждый регулятор тока 11 снабжен источником питания, например аккумулятором.

Пусть, например, на все приемники 8 какого-либо из роторов 5 подаются сигналы, отпирающие ключи 10 и, следовательно, позволяющие протекать наведенным в обмотках 12 токам только в течение всей первой четверти Т_c/4 каждого цикла Т_c. В этом случае в течение этой четверти ротор 5 будет набирать скорость и двигаться вверх, а в оставшиеся 3Т_c/4 будет с замедлением двигаться по инерции, имея среднюю небольшую скорость. Управление скоростью достигается изменением длительности управляющего ключом 10 сигнала и числа циклов, в которые подается сигнал.

Поворот ротора 5 осуществляется следующим образом. На дне ротора 5 (фиг. 4) устанавливаются 4 обмотки М1-М4 с ключами К1-К4, стрелками показана смена направлений бега статора 3 за один цикл. Если, например, при данном исходном положении ротора 5 в течении первой четверти периода замыкать ключи К2 и К4, второй К3 и К4, третьей К1 и К3, четвертой К1 и К2, то ротор 5 начнет поворачиваться против часовой стрелки.

Пусть требуется осуществить движение по диагонали вниз-влево. В этом случае понадобится следующая последовательность замыкания ключей К: первая и вторая четверти цикла ни одного, третья и четвертая ключи К1, К2, К3, К4.

Расширение функциональных возможностей двигателя осуществляется за счет использования исполнительного механизма, например, электромагнита 13 (фиг. 5), катушка которого включена последовательно с дополнительной обмоткой М5 (фиг. 4) ротора 5. Полезный ферромагнитный груз 14 притягивается при замыкании ключа К5 к электромагниту 13, и, при развороте ротора 5 и последующем размыкании ключа К5, переносится с полки 15 на полку 16.

Для достижения требуемой точности установки роторов, двигатель дополнительно снабжается системой позиционирования (фиг. 6), которая содержит:
установленные на дне каждого ротора 5 две разнесенные вспомогательные обмотки М6, М7, запитываемые от генератора переменного тока с различающимися частотами 17 и 18;
установленные во всех канавках статора 3 приемные петли 19 22, концы которых подключены к определителю положения 23;
связанный с блоком управления 1 определитель положения 23 (фиг. 6), который по наличию сигнала, его частоте и номерам возбуждаемых петель 19 22 находит координаты всех роторов 5.

Чтобы избежать влияния помех, определитель положения 23 включатся на прием сигналов с петель 19 22 только на время пауз, специально вводимых между концом предыдущей и началом последующей четверти цикла (фиг. 2).

Цикл работы определителя положения 23 задает блок управления 1. В течение специально вводимых пауз определитель положения 23 опрашивает входные сигналы с петель 19 22, причем так, что при первом опросе включается генератор 17 (фиг. 6), а при втором генератор 18 первого ротора, при третьем и четвертом опросах включаются генераторы 17 и 18 второго ротора и т.д. Команды на включение генератора также распознаются дешифратором 9 ротора 5.

Положение ротора 5 однозначно определяется номерами возбужденных продольных (19 20) и поперечных петель(21 22) и частотами сигналов, а номер ротора, позиция которого определяется, задан изначально номером акта опроса.

Таким образом определитель положения 23 содержит устройство синхронизации, коммутатор каналов (петель), приемник сигналов с петель с анализатором частоты и схему минимизации, в которой происходит сравнение программно-задаваемых координат ротора в любой момент времени, либо задаваемых органом управления и действительной координатой положения роторов 5, после чего подает команду управления на замыкание ключей К1-К4 (фиг. 4), так чтобы разность указанных координат была наименьшей.

Система позиционирования работает следующим образом. Пусть, например, один из роторов 5 занял положение, указанное на фиг. 6. Тогда сигнал с частотой f₁₇, задаваемой генератором 17 через обмотку М6 будет возбуждать петли 19 и 21, а с частотой f₁₈ петли 20 и 22 соответственно. Этим положение ротора 5 однозначно определенно.

Помимо упомянутых выше двигатель допускает применение и других известных средств снижения силы трения между поверхностью статора и основанием роторов, таких как антифрикционные покрытия, роликовые пары, шаровые опоры, магнитная подвеска. Когда имеется только один ротор малых размеров относительно статора, энергетические затраты на создание неиспользуемого магнитного поля становятся неоправданно большими.

В таком случае достаточно создавать нужное магнитное поле только в окрестности ротора. Для этого параллельно обмоткам А1, А2 и А3, подключаемым к генератору с частотой f₁, укладываются обмотки А4, А5 и А6, подключаемые к генератору с частотой f₂. Аналогично выполняются поперечные обмотки В. При малой разности частот f₁-f₂=Δf образуется бегущая волна, имеющая суммарную амплитуду биений и занимающая малую часть площади статора.

При необходимости изменить конфигурацию статора 3, составляющую его основу ферромагнитную плиту выполняют из гибкого материала, например из магнитной резины.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает одновременное перемещение и вращение на плоскости нескольких объектов по различным траекториям.

Источники информации
1. Stepping motors and their microprocessor controls. T.Kenjo. Clarendon press. Oxford. 1984.

Т. Кенио. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. Энергоатомиздат. Пер. с англ. 1987.

2. Патент США N 4890023 от 12/1989, кл. 310-312, W.E. Hinds, M.A. Lewis.

3. Авторское свидетельство CCCP N 477504 от 15.07.1975. Бюл. N 26, кл. H 02 K 41/02. Л. И. Астафьев.

Использование: в электротехнике, в конструкциях линейных и многокоординатных электромагнитных двигателей как составной части электропривода транспортирующих устройств. Сущность изобретения: в многофункциональном электромагнитном двигателе каждая обмотка ротора снабжена регулятором тока, бесконтактно связанным с блоком управления, что позволит обеспечить управление скоростью и направлением движения каждого ротора индивидуально, вне зависимости от скорости и направления вращения любого другого ротора. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Многофункциональный электромагнитный двигатель, содержащий статор с расположенными под углом друг к другу группами многофазных обмоток, роторы с обмотками, многофазный генератор, выходами подключенный к соответствующим обмоткам указанных групп статора, блок управления, выходом подключенный к входу многофазного генератора, отличающийся тем, что в обмотку каждого ротора включен регулятор тока, бесконтактно связанный с блоком управления. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что регулятор тока составлен из последовательно соединенных приемника управляющих сигналов, дешифратора, электронного ключа, включенного в обмотку соответствующего ротора, а блок управления снабжен передатчиком управляющего сигнала. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен определителем положения, статор приемными петлями, концы которых подключены к входу определителя положения, выходом соединенного с входом блока управления, а каждый ротор двумя разнесенными вспомогательными обмотками и двумя генераторами переменного тока с разными частотами, каждый из которых соединен с соответствующей вспомогательной обмоткой данного ротора.