М-ФАЗНЫЙ ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H02K37/02 H02K19/06 

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к реактивным шаговым электродвигателям.

Известен четырехфазный реактивный шаговый электродвигатель, у которого каждый участок фазной зоны статора состоит из двух зубчатых полюсов, охватываемых последовательно встречно соединенными между собой катушками фазы, причем середины смежных зубцов зубчатых полюсов фазных зон расположены друг от друга на величине угла α = 4•n•t, а середины смежных зубцов зубчатых полюсов соседних фаз на величине угла β = (2•m+1)•t, где: n и m целые числа, не равные 0, а t - угол перемещения зубчатого ротора за один шаг, при этом для лучшего использования объема статора угол между серединами оснований смежных зубчатых полюсов равен 360^o/М, где М - число зубчатых полюсов двигателя [1].

В таком шаговом двигателе магнитный поток фазных зон замыкается только через соседние зубчатые полюса статора, что приводит к значительному уменьшению потерь в стали и меди и увеличению вращающего момента. Однако такой шаговый двигатель имеет ограничения при выборе единичного шага перемещения, так как его ротор может быть выполнен только с числом зубцов на 2 большим или меньшим числа зубцов статора.

Известен также многофазный шаговый электродвигатель, содержащий ротор с числом зубцов z_p и статор со смещенными относительно друг друга фазными зонами, каждая из которых состоит из двух, рядом расположенных зубчатых полюсов, охватываемых последовательно встречно соединенными между собой катушками фазы, при этом статор выполнен с числом фазных зон, равным m, где: m - число фаз, и если одно из чисел m или z_p является четным, то второе нечетным, а угол α между серединами крайних смежных зубцов каждой фазной зоны и угол β между серединами смежных зубцов зубчатых полюсов соседних фазных зон равны соответственно α = m•n•t, β = (m/2•k+1)•t, где: n и k - целые числа, не равные 0; t - угол, соответствующий перемещению ротора за один шаг, причем угол между серединами оснований смежных зубчатых полюсов находится в диапазоне от 360^o/2•m до 360^o/2•m - 0,5t для зубчатых полюсов одно фазы и до 360^o/2•m+0,5t для смежных полюсов разных фаз [2].

В таком шаговом двигателе диапазон выбора единичного шага увеличен за счет возможности его выполнения с различным числом фаз. Однако это увеличение диапазона является также недостаточным, так как ротор такого двигателя не может быть выполнен, например, с числом зубцов кратным числу фаз.

Целью данного изобретения является устранению вышеуказанного недостатка, т.е. расширение диапазона выбора единичного шага перемещения шагового двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в m-фазном шаговом электродвигателе, содержащем статор со смещенными относительно друг друга фазными зонами, состоящими из ряда расположенных зубчатых полюсов, охватываемых последовательно встречно соединенными между собой катушками фазы, и зубчатый ротор с числом зубцов z_p, фазные зоны смещены относительно друг друга на τm, а ротор выполнен с числом зубцов, определяемым из соотношения
z_p=2•m•k(z_п+z_п.ф)±k+n,
где τ - зубцовое деление ротора, равное 360^o/z_p;
k= 1,2,3,... число повторяющихся частей в фазной зоне статора;
z_п= 1,2,3,... число зубцов на одном зубчатом полюсе статора;
z_п.ф.= 0,1,2,3, . . . число фиктивных зубцов на одном зубчатом полюсе статора;
n - число увеличенных на τ пазов между смежными зубчатыми полюсами статора, выбираемое в диапазоне от 0 до (m•k-1) включительно,
при этом угол между серединами остальных смежных зубцов полюсов повторяющихся частей α = (z_п.ф+1)•τ, а угол между серединами остальных смежных зубцов полюсов смежных фазных зон β = (z_п.ф+1±1/m)•τ, причем перед 1/m должен быть тот же знак, что и перед k в соотношении для z_p.

Кроме того, при n=0, а также z_п > 2 и n≠0 угол между серединами оснований любых смежных полюсов статора равен 360^o/2•m•k.

При z_n < 6 и n≠0 угол между серединами оснований смежных зубчатых полюсов, выполненных против пазов с увеличенным на τ углом, равен 360^°/2•m•k+τ, а величина угла между серединами оснований остальных смежных зубчатых полюсов равна (360^°-n•τ)/2•m•k.

На чертеже изображена принципиальная конструктивная схема предложенного шагового двигателя с числом фаз m равным 6.

Шестифазный шаговый электродвигатель содержит: пассивный ротор 1, выполненный из листовой электротехнической стали с равномерно распределенными по окружности зубцами 2Б число которых равно 48; статор 3, выполненный также из листовой электротехнической стали со смещенными относительно друг друга на τ/m, т.е. на 360^o/48•6=1,25^o, шестью фазными зонами, каждая из которых содержит k= 2 повторяющиеся части, включающие по два зубчатых полюса 4, выполненных с двумя зубцами 5; шестифазную обмотку статора 3, каждая фаза которой состоит из последовательно встречно соединенных между собой пар катушек 6, число которых равно числу повторяющихся частей k=2. Число пазов статора n с увеличенной на одно зубцовое деление ротора τ шириной равно двум. Число фиктивных зубцов на одном зубчатом полюсе z_п.ф. равно 0. Подставляя значения m, k, z_п, z_п.ф. и n в формулу для определения числа зубцов ротора z_p= 2•m•k(z_пz_п.ф.)±k+n= 2•6•2•(2+0)-2+2=48, убеждаемая в правильности построения зубцовой зоны предложенного шагового двигателя. При этом величина угла между серединами смежных зубцов повторяющихся частей α = (z_п.ф+1)•τ = (0+1)•7,5^°= 7,5^°, а величина угла между серединами смежных зубцов двух повторяющихся частей с увеличенной на τ = 7,5^o равна 15^o. Величина угла между серединами смежных зубцов зубчатых полюсов смежных фазных зон β = (z_п.ф+1±1/m•τ = (0+1-1/6)•7,5^°= 6,25^°, причем перед I/m принят знак минус, так как этот знак принят перед k в формуле для определения числа зубцов ротора. Число зубцов на зубчатом полюсе меньше шести, а n не равно 0, поэтому величина угла между серединами оснований смежных зубчатых полюсов, расположенных против n=2 пазов с увеличенным на τ углом, равна 360^°/2•m•k+τ = 360^°/2•6•2+7,5^°= 22,5^°, а величина угла между серединами остальных зубчатых полюсов статора равна
Предложенный двигатель предназначен для работы как от преобразователя частоты, так и от m-фазного напряжения промышленной частоты. При работе от преобразователя частоты начала фаз A₁, A₂, A₃, A₄, A₅, A₆, а также соединенные в общий провод концы этих фаз X₁, X₂, X₃, X₄, X₅, X₆ подключаются к соответствующим выводным клеммам преобразователя (не изображен), который коммутируя ток в фазах, создает в статоре 3 вращающееся магнитное поле. Это поле, благодаря смещению между фазными зонами на τ/m, т.е. на 1,25^o, приводит во вращение ротор 1. При работе, например, от трехфазного напряжения промышленной частоты последовательно к каждой фазе присоединен диод, причем диоды присоединены к фазам таким образом, чтобы пульсирующий полупериодный ток в этих фазах проходил только в одном направлении от A₁ к X₁, от A₂ к X₂, от A₃ к X₃, от A₄ к z₄, от A₅ к X₅, от A₆ к z₆. Для этого выводные концы A₁ и X₄ присоединены к фазе A трехфазной сети, A₃ и X₆ - к фазе B, A₅ и X₂ - к фазе C, а остальные концы фаз A₂, A₄, A₆ и X₁, X₃, X₅ соединены в общую точку. Целесообразность использования предложенного шагового двигателя в качестве тихоходного силового, подключенного через шесть диодов непосредственно к трехфазной сети, обусловлена тем, что при большом числе зубцов ротора такой синхронный двигатель является самозапускающимся.

Благодаря своим отличительным признакам предложенный m-фазный шаговый электродвигатель может быть выполнен практически с любым заданным шагом перемещения, так как число зубцов ротора z_p определяется числом n, принимаемом в диапазоне от 0 до m•k -1.

Применение: как в системах автоматики, так и в качестве тихоходных силовых синхронных двигателей. Сущность изобретения: шаговый электродвигатель содержит ротор с числом зубцов z_p и статор со смещенными относительно друг друга на 1/m зубцового деления ротора фазными зонами, состоящими из рядом расположенных зубчатых полюсов, охватываемых последовательно-встречно соединенными между собой катушками фазы, выполнен с числом зубцов ротора, определяемым из соотношения z_p = 2 • m • k (z_n + z_nф) ± k + n, где k - число повторяющихся частей в фазной зоне, равное любому целому числу со знаком плюс или минус; z_n - число зубцов на одном зубчатом полюсе, равное любому целому числу; z_n.ф - число фиктивных зубцов на одном зубчатом полюсе, равное любому целому числу, включая 0; n - число пазов между смежными зубчатыми полюсами повторяющихся частей статора (или между смежными зубчатыми полюсами соседних фазных зон) с увеличенным на λ=360^o/z_p углом между серединами смежных зубцов этих пар полюсов, принимемое в диапазоне от 0 до m • k - 1 включительно, при этом величина угла между серединами смежных зубцов зубчатых полюсов повторяющихся частей (кроме пазов с увеличенным на λ углом) α = (z_п.ф+1)•τ, а величина угла между серединами смежных зубцов зубчатых полюсов смежных пазных зон (кроме пазов с увеличенным на τ углом) β = (z_п.ф+1±1/m)•τ, причем перед 1/m должен быть тот же знак плюс или минус, что и перед к вышеприведенной формуле для числа зубцов ротора. Такое выполнение шагового электродвигателя позволяет изготавливать его практически с любым шагом перемещения.2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. М-фазный шаговый электродвигатель, содержащий статор со смещенными относительно друг друга фазными зонами, состоящими из рядом расположенных зубчатых полюсов, охватываемых последовательно встречно соединенными между собой катушками фазы, и зубчатый ротор с числом зубцов z_p и зубцовым делением τ, отличающийся тем, что фазные зоны смещены относительно друг друга на 1/mτ, а число зубцов ротора z_p определяется соотношением
z_p=2m•k/z_п+z_пф/±k+n,
где k = 1, 2, 3 ... - число повторяющихся частей в фазной зоне статора;
z_п = 1, 2, 3 - число зубцов на одном зубчатом полюсе статора;
z_пф = 0, 1, 2, 3 - число фиктивных зубцов на одном зубчатом полюсе статора;
n - число увеличенных на τ пазов между смежными зубчатыми полюсами статора, выбираемое в диапазоне от 0 до (m•k-1) включительно,
при этом угол между серединами остальных смежных зубцов полюсов повторяющихся частей α = (z_п.ф+1)•τ, а угол между серединами остальных смежных зубцов полюсов смежных фазных зон β = (z_п.ф+1±1/m)•τ, причем перед 1/m должен быть тот же знак, что и перед k в соотношении для z_p. 2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что при n=0, а также z_п>2 и n≠0 угол между серединами оснований любых смежных полюсов статора равен 360^o/2•m•k. 3. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что при z_п<6 и n≠0 угол между серединами оснований смежных зубчатых полюсов, выполненных против пазов с увеличенными на τ углом, равен 360^°/2•m•k+τ, а величина угла между серединами оснований остальных смежных зубчатых полюсов равна (360^°-n•τ)/2•m•k.