ЛИНЕЙНЫЙ ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H02K41/03 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах с поступательным дискретным движением рабочего органа, например в роботах-манипуляторах, в системах автоматики и электроприводе подач металлорежущих станков.

Известен линейный электродвигатель, содержащий корпус, источник магнитного поля с полюсами, подвижный гофрированный упругий элемент с жестко закрепленной на нем обмоткой, размещенной между полюсами источника магнитного поля и подключенной к импульсному источнику питания, а также ведомое звено, выполненное в виде стержня, установленного с натягом между гофрами упругого элемента (см. а.с. СССР №1365275, кл. H 02 К 33/10, 1986 [1]).

Недостатками данного устройства являются малое тяговое усилие и низкая надежность.

Известен также электромагнитный линейный двигатель, содержащий два электромагнита с катушками, магнитопроводами, фиксаторами, взаимодействующими с зубчатой рейкой, причем один электромагнит расположен внутри другого, а магнитопровод внутреннего электромагнита является якорем внешнего (см. а.с. СССР №957366, кл. Н 02 К 41/03, 1981 [2]).

Кроме того, известен электромагнитный линейный двигатель, содержащий корпус, электромагнит в виде якоря с основным и дополнительным стержнями, стопорные элементы на корпусе и направляющую с упорами (см. а.с. СССР №1483563, кл. Н 02 К 41/03, 1987 [3]).

Недостатками двух последних устройств являются сложность конструкции, большие масса и габариты, значительное потребление электроэнергии, низкая надежность, что объясняется необходимостью перемещения всего электромагнита с якорем, обмотками и т.д.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является линейный шаговый электродвигатель, содержащий немагнитный корпус в виде полого цилиндра, заполненный ферромагнитной жидкостью и установленный на ферромагнитной направляющей с возможностью линейного перемещения, два электромагнита с цилиндрическими катушками и фиксаторами, также установленные на ферромагнитной направляющей (см. а.с. СССР №1363395, кл. Н 02 К 41/03,1986, [4]), принятый за прототип.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции, большие масса и габариты, значительное потребление электроэнергии и низкая надежность. Это объясняется необходимостью последовательного перемещения обоих электромагнитов вместе с корпусом и ферромагнитной жидкостью и поочередной фиксацией электромагнитов на ферромагнитной направляющей.

Сущность изобретения заключается в создании линейного шагового двигателя, в котором однонаправленное импульсное движение ведомого звена создается за счет формирования переменных сил трения скольжения между ведущим и ведомым звеньями в разные полупериоды движения ведущего звена.

Технический результат - упрощение конструкции, уменьшение ее массы, габаритов, потребления энергии и повышение надежности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном линейном шаговом электродвигателе, содержащем немагнитный корпус в виде полого цилиндра, установленного в опорах с возможностью линейного перемещения, две цилиндрические катушки возбуждения, особенность заключается в том, что в полости корпуса с диаметрально противоположных сторон установлены две фрикционные накладки, соединенные между собой прижимной пружиной и связанные с помощью расположенных по обе стороны от пружины тяг со свободно размещенными в полости корпуса цилиндрическими постоянными аксиально намагниченными магнитами, при этом катушки возбуждения жестко установлены снаружи корпуса концентрично постоянным магнитам, а каждая из тяг выполнена в виде двух элементов, одни концы которых соединены шарнирно между собой, а другие, также шарнирно, присоединены к фрикционным накладкам так, что углы между элементами тяги и продольной осью прижимной пружины меньше угла трения контактирующих поверхностей фрикционных накладок и корпуса.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображен предлагаемый двигатель, общий вид с центральным продольным разрезом.

Линейный шаговый электродвигатель содержит немагнитный корпус 1 в виде полого цилиндра, установленного в опорах 2 с возможностью линейного перемещения, две фрикционные накладки 3, установленные в полости корпуса 1 с диаметрально противоположных сторон, соединенные между собой прижимной пружиной 4 и связанные с помощью расположенных по обе стороны от пружины 4 тяг со свободно размещенными в полости корпуса 1 цилиндрическими постоянными аксиально намагниченными постоянными магнитами 5, при этом снаружи корпуса 1 концентрично постоянным магнитам 5 жестко установлены цилиндрические катушки возбуждения 6, подключенные к источнику переменного электрического сигнала (на чертеже не показан), а каждая из тяг выполнена в виде двух элементов 7, 8, одни концы которых соединены шарнирно между собой, а другие, также шарнирно, присоединены к фрикционным накладки 3 так, что углы α между элементами 7, 8 тяг и продольной осью прижимной пружины 4 меньше угла трения контактирующих поверхностей фрикционных накладок 3 и корпуса 1. При выполнении корпуса 1 из стали, а фрикционных накладок 3 из резины и коэффициенте трения скольжения между этими материалами f=0,84=tgα, угол трения α=arctg 0,84=40°, то есть углы α между элементами 7, 8 тяг и продольной осью пружины 4 должны быть меньше 40°α≤40°. Шарниры для крепления элементов 7, 8 тяг выполнены цилиндрическими, поэтому места крепления концов элементов 7, 8 тяг и загнутых концов пружины 4 к шарнирам, установленным на фрикционных накладках 3, а также места крепления других концов элементов 7, 8 тяг к шарнирам, установленным на постоянных магнитах 5, смещены друг за другом вдоль осей шарниров.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Пусть переменный электрический сигнал подан, например, в левую на рисунке катушку возбуждения 6, а правая катушка обесточена. В первый полупериод действия сигнала левый постоянный магнит 5 втягивается в катушку 6, то есть идет влево, элементы 7, 8 левой тяги действуют на фрикционные накладки 3 также влево при минимальном нормальном давлении (исходное нормальное давление, создаваемое прижимной пружиной 4, при таком действии уменьшается), при этом силы трения скольжения между фрикционными накладками 3 и внутренней поверхностью корпуса 1 малы и меньше силы трения корпуса 1 в опорах 2, в результате чего в данный полупериод корпус 1 остается в покое, а фрикционные накладки проскальзывают по корпусу 1 влево. Во второй полупериод действия переменного электрического сигнала, при действии сигнала в противофазе, постоянный магнит 5 выталкивается из катушки 6, то есть идет вправо, элементы 7, 8 левой тяги действуют на фрикционные накладки 3 также вправо при максимальном нормальном давлении (исходное нормальное давление, создаваемое прижимной пружиной 4, при таком действии увеличивается), силы трения скольжения между фрикционными накладками 3 и внутренней поверхностью корпуса 1 велики. При этом, так как углы α между направлениями приложения сил к фрикционным накладкам 3 со стороны элементов 7, 8 тяги и направлением нормали к накладкам 3 (продольной оси пружины 4) меньше угла трения между контактирующими поверхностями, смещение фрикционных накладок 3 относительно корпуса 1 не произойдет (эффект заклинивания или самоторможения), то есть фрикционные накладки 3 сместятся вместе с корпусом 1 на шаг вправо относительно опор 2. В следующий полупериод корпус 1 останется неподвижным в смещенном вправо положении, а фрикционные накладки 3 опять вернутся влево в исходное положение, проскользнув относительно корпуса 1.

Таким образом, за каждый период действия переменного сигнала происходит однонаправленное смещение корпуса 1 (ведомого звена) в опорах 2 на шаг вправо. При постоянной подаче переменного электрического сигнала в левую на рисунке катушку возбуждения 6 происходит поступательное движение корпуса 1 (ведомого звена) вправо в шаговом режиме с заранее задаваемой дискретностью позиционирования, при этом работают все элементы устройства, расположенные слева от прижимной пружины 4. При необходимости движения корпуса 1 влево переменный электрический сигнал подают в правую на рисунке катушку возбуждения 6, а левая катушка обесточивается. При этом процесс полностью повторяется, но в работу включаются все элементы устройства, расположенные справа от пружины 4, а элементы слева от пружины 4 пассивно участвуют в движении.

Очевидно, что предложенное устройство отличается от известных простотой конструкции, высокой надежностью, малым потреблением электроэнергии. Здесь исключена необходимость перемещения массивных элементов, узлов, подключенных к источнику электрического сигнала, а также узлов, нуждающихся в герметичности (электромагнитов с катушками, стопоров, ферромагнитной жидкости и т.п.).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к линейным шаговым электродвигателям. Технический результат изобретения, заключающийся в упрощении конструкции и уменьшении массогабаритных показателей, достигается путем того, что в линейном шаговом электродвигателе в полости корпуса с диаметрально противоположных сторон установлены две фрикционные накладки, соединенные между собой прижимной пружиной и связанные с помощью расположенных по обе стороны от пружины тяг со свободно размещенными в полости корпуса цилиндрическими постоянными аксиально намагниченными магнитами, при этом катушки возбуждения жестко установлены снаружи корпуса концентрично постоянным магнитам, а каждая из тяг выполнена в виде двух элементов, одни концы которых соединены шарнирно между собой, а другие, также шарнирно, присоединены к фрикционным накладкам так, что углы между элементами тяги и продольной осью прижимной пружины меньше угла трения контактирующих поверхностей фрикционных накладок и корпуса. 1 ил.

Линейный шаговый электродвигатель, содержащий немагнитный корпус в виде полого цилиндра, установленного в опорах с возможностью линейного перемещения, и две цилиндрические катушки возбуждения, отличающийся тем, что в полости корпуса с диаметрально противоположных сторон установлены две фрикционные накладки, соединенные между собой прижимной пружиной и связанные с помощью расположенных по обе стороны от пружины тяг со свободно размещенными в полости корпуса цилиндрическими постоянными аксиально намагниченными магнитами, при этом катушки возбуждения жестко установлены снаружи корпуса концентрично постоянным магнитам, а каждая из тяг выполнена в виде двух элементов, одни концы которых соединены шарнирно между собой, а другие, также шарнирно, присоединены к фрикционным накладкам так, что углы между элементами тяги и продольной осью прижимной пружины меньше угла трения контактирующих поверхностей фрикционных накладок и корпуса.