ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H02K37/00 

Изобретение относится к электрическим машинам, преобразующим электрическую энергию в виде импульсов тока в дискретное перемещение вала, и может быть использовано в автоматических системах и в электроприводах с цифровым управлением.

Известен шаговый электродвигатель, содержащий статор и ротор с двумя зубчатыми магнитопроводами, неподвижно установленными на валу [1]
Недостатком электродвигателя являются его низкие динамические свойства, поскольку масса магнита, неподвижно закрепленного на роторе, значительно увеличивает момент инерции ротора.

Известен и менее инерционный шаговый электродвигатель, содержащий статор, ротор с двумя зубчатыми магнитопроводами, неподвижно установленными на валу, и цилиндрический постоянный магнит, размещенный между магнитопроводами и намагниченный в аксиальном направлении. Магнит неподвижно закреплен на статоре с помощью винтов и пластин [2]
Недостатком этого электродвигателя является его конструктивная сложность, что усложняет и удорожает изготовление, увеличивает вес и габариты.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является принятый за прототип низкоинерционный шаговый электродвигатель, содержащий статор и ротор, включающий два неподвижно установленных на валу зубчатых магнитопровода. Между магнитопроводами размещен аксиально намагниченный цилиндрический постоянный магнит, установленный на валу через подшипники с возможностью свободного вращения. Зубчатые магнитопроводы выполнены в виде полых стаканов, обращенных друг к другу своими внутренними полостями. Дискообразная стенка магнитопровода концентрирует магнитный поток, исходящий из полюса постоянного магнита, и проводит к цилиндрической зубчатой стенке, по которой тот распределяется в осевом и окружном направлениях. Далее поток переходит на статор через радиальный зазор между магнитопроводом и статором и аналогичным путем в обратном направлении замыкается на роторе через второй магнитопровод и второй полюс магнита [3]
Описываемый электродвигатель все же имеет недостаточно низкую инерционность из-за относительно большой инерционной массы зубчатых магнитопроводов, толщина стенок которых, рассчитанная по условиям ненасыщенной магнитной цепи, значительно превышает расчетную по условию прочности. В результате увеличивается время разгона и торможения ротора, а динамические свойства электродвигателя снижаются.

Задача изобретения состоит в том, чтобы уменьшить инерционную массу зубчатых магнитопроводов. Тем самым снизить инерционность ротора, сократить время его разгона и торможения и, как следствие, повысить динамические свойства электродвигателя.

Поставленная задача решается тем, что шаговый электродвигатель, содержащий статор, ротор, включающий аксиально намагниченный цилиндрический постоянный магнит, установленный на валу с возможностью вращения, и два неподвижно закрепленных на валу кольцевых зубчатых магнитопровода, согласно изобретения снабжен магнитопроводящими кольцами, которые размещены в полостях кольцевых зубчатых магнитопроводов с зазором относительно их внутренней поверхности и прикреплены к торцам постоянного магнита.

Целесообразно магнитопроводящие кольца выполнять высотой в пределах 0,9-1,1 от высоты полости кольцевых зубчатых магнитопроводов или высотой, близкой к указанному диапазону, что позволяет повысить динамические свойства двигателя.

Благодаря установке магнитопроводящих колец в полости кольцевых зубчатых магнитопроводов обеспечена возможность пропускания магнитного потока между полюсами магнита и статора только через цилиндрическую стенку кольцевого магнитопровода, минуя его дискообразную стенку. При этом основная часть магнитного потока может быть пропущена через цилиндрическую стенку в радиальном направлении, в котором площадь поперечного сечения имеет максимальную величину. Это позволяет значительно уменьшить плотность магнитного потока в кольцевом магнитопроводе и рассчитывать его минимальные размеры по условию прочности, а не магнитного насыщения.

Другие технические решения, содержащие признаки, изложенные в формуле изобретения в качестве отличительных, не известны, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен шаговый электродвигатель в разрезе.

Электродвигатель имеет корпус 1, с установленным в нем зубчатым статором 2, на явновыраженных полюсах которого расположена обмотка 3, и ротор, включающий в себя вал 4, свободно вращающийся на нем цилиндрический постоянный магнит 5, намагниченный в аксиальном направлении, и два кольцевых зубчатых магнитопровода 6 и 7, неподвижно закрепленных на валу 4. Каждый из магнитопроводов 6 и 7 имеет цилиндрическую 8 и дискообразную 9 стенки. К торцам постоянного магнита 4 прикреплены магнитопроводящие кольца 10 и 11, опирающиеся на подшипники 12 и 13 и размещенные в полостях кольцевых зубчатых магнитопроводов 6 и 7 с зазорами 14 и 15 относительно стенок 8 и 9.

Электродвигатель работает следующим образом.

При подаче питания к обмотке 3 благодаря зубчатости статора 2 и магнитопроводов 6 и 7 на последние действует вращающий момент, приводящий вал 4 во вращение. Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 5, входит в магнитопроводящее кольцо 10, равномерно распределяется по его внешней цилиндрической поверхности и входит в радиальном направлении в цилиндрическую стенку 8 магнитопровода 6 через кольцевой зазор 14. В цилиндрической стенке 8 магнитный поток распределяется в тангенциальном направлении в соответствии с полярностью полюсов статора, создаваемой током, протекающим по обмотке 3 статора 2. Затем магнитный поток входит в статор 2 и корпус 1, смещается в аксиальном направлении и аналогичным путем в обратном направлении замыкается на второй полюс постоянного магнита 5. При этом магнитный поток проходит в радиальном направлении через статор 2, цилиндрическую стенку 8 магнитопровода 7, кольцевой зазор 15 и магнитопроводящее кольцо 11. Дискообразные стенки 9 магнитопроводов 6 и 7 находятся за пределами траектории движения основного магнитного потока и разгружены от него, вследствие чего могут иметь минимальную толщину, определяемую только по условию прочности и, следовательно, имеет минимальную инерционную массу. Цилиндрическая стенка 8 пропускает основную часть магнитного потока в радиальном направлении через максимальное по площади сечение, равное произведению длины ее окружности на высоту, что позволяет выполнить ее минимальной по толщине и инерционной массе. При разгоне ротора магнитное поле статора 2, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита 5, приводит во вращение зубчатые магнитопроводы 6 и 7 вместе с валом 4. Магнит 5 с магнитопроводящими кольцами 10 и 11 в начале разгона ротора магнит 5 остается неподвижным и разгоняется под действием полей рассеяния после того, как вал 4 приобретет устойчивую скорость вращения. При торможении двигателя первым останавливается вал 4 вместе с магнитопроводами 6 и 7, а магнит 5 с магнитопроводящими кольцами 10 и 11, продолжая свободно вращаться на подшипниках 12 и 13, останавливается после остановки вала 4.

Снижение инерционной массы магнитопроводов 6 и 7 позволяет снизить общую инерционную массу ротора в моменты резкого изменения скорости вращения, уменьшить время его разгона и торможения, повысить динамические свойства электродвигателя.

Источники информации:
1. Патент США N 3321651, кл. 310-156, 1967.

2. Патент США N 3500081, кл. 310-49, 1970.

3. Авт. свид. СССР N 625292, H02K 37/00, 1977 г. (прототип).

Использование: в автоматических системах и в электроприводах с цифровым управлением. Сущность изобретения: электродвигатель снабжен магнитопроводящими кольцами, которые размещены в полостях кольцевых зубчатых магнитопроводов с зазором относительно их внутренних поверхностей и прикреплены к торцам постоянного магнита.

Шаговый электродвигатель, содержащий статор, ротор с аксиально намагниченным цилиндрическим постоянным магнитом, установленным с возможностью вращения и двумя неподвижно закрепленными на валу кольцевыми зубчатыми магнитопроводами, отличающийся тем, что электродвигатель снабжен магнитопроводящими кольцами, которые размещены в полостях кольцевых зубчатых магнитопроводов с зазором относительно их внутренних поверхностей и прикреплены к торцам постоянного магнита.