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 С [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, содержании немагнитный корпус в виде полого цилиндра, заполненный ферромагнитной жидкостью и установленный на ферромагнитной направляющей с возможностью линейного перемещения, два электромагнита с цилиндрическими катушками возбуждения, ферромагнитными сердечниками и фиксаторами, также установленные на ферромагнитной направляющей /см. а.с. СССР №1363395, кл. H 02 K 41/03, 1986 [4]/, принятый за прототип.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции, большие масса и габариты, значительное потребление энергии 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 электродвигателя, в котором однонаправленное движение ведомого звена создается за счет использования упругих элементов со специальными магнитными свойствами, обеспечивающих асимметричное силовое воздействие на ведомое звено в разные полупериоды возмущающего воздействия.

Технический результат - упрощение конструкции, уменьшение ее массы, габаритов, потребления электроэнергии 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, и электромагнит, включающий цилиндрическую катушку возбуждения и ферромагнитный сердечник, особенность заключается в том, что катушка возбуждения жестко установлена снаружи корпуса с зазором концентрично последнему, а ферромагнитный сердечник выполнен в виде двух изогнутых в противоположные стороны и шарнирно связанных концами упругих элементов, представляющих собой биметаллические пластинки, обращенные внутрь друг к другу слои которых выполнены из упругого ферромагнитного материала, а слои, обращенные наружу, - из ферромагнитного материала, обладающего магнитострикционным эффектом, при этом ферромагнитный сердечник свободно введен в контакт выпуклыми поверхностями упругих элементов с внутренней поверхностью корпуса и упруго установлен вдоль оси корпуса с помощью двух расположенных по разные стороны сердечника витых цилиндрических пружин, прикрепленных одними концами к сердечнику в местах шарнирного соединения его элементов, а другими - к упорам, соединенным через осевую прорезь в корпусе с механизмами их фиксированного осевого смещения.

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, и электромагнит, включающий цилиндрическую катушку возбуждения 3 и ферромагнитный сердечник, при этом катушка возбуждения 3 жестко установлена снаружи корпуса 1 с радиальным зазором 4 концентрично последнему и подключена к источнику импульсов электрического сигнала /на чертеже не показан/, а ферромагнитный сердечник выполнен в виде двух изогнутых в противоположные стороны и связанных по концам шарнирами 5 упругих элементов, представляющих собой биметаллические пластинки, обращенные внутрь друг к другу слои 6, 7 которых выполнены из упругого ферромагнитного материала, а слои 8, 9, обращенные наружу, выполнены из ферромагнитного материала, обладающего магнитострикционным эффектом, причем ферромагнитный сердечник 6-9 свободно введен в контакт выпуклыми поверхностями упругих элементов 6-9 с внутренней поверхностью корпуса 1 и упруго установлен вдоль оси полого цилиндрического корпуса 1 с помощью двух расположенных по разные стороны от сердечника 6-9 витых цилиндрических пружин 10, 11, прикрепленных одними концами к сердечнику в местах 5 шарнирного соединения его элементов 6, 8 и 7, 9, а другими концами - к упорам 12, 13, соединенным через осевую прорезь 14 в корпусе 1 с механизмами 15, 16 фиксированного осевого смещения упоров 12, 13. Механизмы 15, 16 здесь подробно не описаны, так как их конструкции общеизвестны. Так, например, механизмы 15, 16 могут быть выполнены типа оконных шпингалетов, то есть при сдвиге рукоятки в крайние левое-правое положения соответственно смещаются в крайние левое-правое положения упоры 12, 13 с закрепленными на них концами пружин 10, 11. В качестве материала для слоев 8, 9 биметаллических пластинок с магнитострикционным эффектом использован пермаллой, являющийся достаточно распространенным сплавом и обеспечивающий при этом максимальный магнитострикционный эффект, максимальную величину относительной деформации при помещении в переменное электромагнитное поле, большую магнитную проницаемость и малую магнитную индукцию при насыщении. В качестве материала для слоев 6, 7 использован также распространенный дисперсионно-твердеющий сплав Н36ХТЮ, имеющий высокие упругие свойства.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Предварительно кратко поясним принцип действия упругих биметаллических пластинок 6-9, один слой которых выполнен из материала с магнитострикционным эффектом. Данный эффект проявляется в изменении длины элемента из ферромагнитного материала под влиянием переменного электромагнитного поля. В данном случае при возникновении переменного электромагнитного поля происходит удлинение наружных слоев 8, 9 биметаллических упругих элементов. Это обуславливает изменение радиуса кривизны упругих элементов, то есть выпучивание элементов наружу в сторону внутренней поверхности корпуса 1.

В исходном статическом состоянии с помощью механизмов 15, 16 упоры 12, 13 с пружинами 10, 11 переведены в крайние левые на рисунке положения, при этом ферромагнитный сердечник 6-9 свободно установлен в осевом отверстии корпуса 1 несколько левее катушки возбуждения 3 /см. рисунок/ вблизи ее левого торца. При подаче в катушку 3 электрического импульса за счет выпучивания наружу слоев 8, 9 биметаллических упругих элементов ферромагнитный сердечник жестко фиксируется /распирается/ внутри корпуса 1. Одновременно с этим за счет подачи импульса в катушку 3 ферромагнитный сердечник втягивается в катушку 3, и, естественно, он смещается вместе с корпусом 1 в опорах 2 на шаг вправо. По окончанию действия импульса, то есть во время промежутка между последовательной серией импульсов, слои 8, 9 опять сжимаются внутрь, ферромагнитный сердечник освобождает корпус 1, а сам под действием пружин 10, 11 уходит обратно влево в исходное положение. Естественно, что корпус 1 при этом остается в смещенном на шаг вправо положении. При следующем импульсе процесс повторяется, то есть в результате происходит непрерывное однонаправленное шаговое смещение ведомого звена /корпуса 1/ в опорах 2 с заранее заданной дискретностью позиционирования. При необходимости реверса, то есть движения корпуса 1 влево, с помощью механизмов 15, 16 упоры 12, 13 переводят в крайние правые положения, при этом ферромагнитный сердечник устанавливается исходно снаружи катушки 3 вблизи ее правого торца. Теперь при подаче в катушку 3 электрического импульса сердечник 6-9 движется вместе с корпусом 1 влево.

Необходимо указать, что предлагаемый двигатель работоспособен и при подаче в катушку 3 не последовательности импульсов, а переменного электрического сигнала. Однако если при работе с импульсами практически не предъявляется никаких требований к форме импульсов, скважности и т.д., то в последнем случае должно быть выполнено несколько условий. Частота переменного электрического сигнала не должна значительно превосходить собственную частоту продольных колебаний ферромагнитного сердечника, упруго закрепленного между двумя пружинами 10, 11, что даст возможность упругой системе за период действия электрического сигнала отработать прямой ход вместе с корпусом 1 и обратный /холостой/ ход. Кроме того, в этом случае более серьезные требования предъявляются к деформациям слоев биметаллических пластинок с магнитострикционным эффектом. Так, например, в один полупериод действия переменного электрического сигнала, когда амплитуда сигнала больше его среднего значения, выпучивание слоев 8, 9 должно обеспечить фиксацию ферромагнитного сердечника в корпусе 1. Соответственно, во второй полупериод обратное сжатие слоев 8, 9 должно обеспечить свободное смещение сердечника относительно корпуса.

Очевидно, что предложенное устройство характеризуется предельной простотой, высокой надежностью, малым потреблением электроэнергии. Здесь исключена необходимость перемещения массивных элементов, узлов, подключенных к источникам сигнала, а также нуждающихся в герметичности /электромагнитов, ферромагнитной жидкости и т.п./. Устройство предельно просто в настройке, регулировке, не критично к вариациям электрических и механических параметров, универсально и обладает расширенными функциями.

Использование: в электротехнике, в устройствах с поступательным дискретным движением рабочего органа. Устройство содержит немагнитный корпус в виде полого цилиндра, установленного в опорах с возможностью линейного перемещения, и электромагнит, включающий цилиндрическую катушку возбуждения и ферромагнитный сердечник, при этом катушка возбуждения жестко установлена снаружи корпуса, а ферромагнитный сердечник выполнен в виде двух изогнутых в противоположные стороны и шарнирно связанных концами упругих элементов, представляющих собой биметаллические пластинки, обращенные друг к другу слои которых выполнены из упругого ферромагнитного материала, а слои, обращенные наружу, – из ферромагнитного материала, обладающего магнитострикционным эффектом, при этом ферромагнитный сердечник свободно введен в контакт выпуклыми поверхностями упругих элементов с внутренней поверхностью корпуса и упруго установлен вдоль оси с помощью двух витых цилиндрических пружин, прикрепленных к сердечнику в местах шарнирного соединения его элементов одними концами пружин, а другими концами – к упорам. 1 ил.

Линейный шаговый электродвигатель, содержащий немагнитный корпус в виде полого цилиндра, установленного в опорах с возможностью линейного перемещения, и электромагнит, включающий цилиндрическую катушку возбуждения и ферромагнитный сердечник, отличающийся тем, что катушка возбуждения жестко установлена снаружи корпуса с зазором концентрично последнему, а ферромагнитный сердечник выполнен в виде двух изогнутых в противоположные стороны и шарнирно связанных концами упругих элементов, представляющих собой биметаллические пластинки, обращенные внутрь друг к другу слои которых выполнены из упругого ферромагнитного материала, а слои, обращенные наружу – из ферромагнитного материала, обладающего магнитострикционным эффектом, при этом ферромагнитный сердечник свободно введен в контакт выпуклыми поверхностями упругих элементов с внутренней поверхностью корпуса и упруго установлен вдоль оси корпуса с помощью двух расположенных по разные стороны сердечника витых цилиндрических пружин, прикрепленных одними концами к сердечнику в местах шарнирного соединения его элементов, а другими – к упорам, соединенным через осевую прорезь в корпусе с механизмами их фиксированного осевого смещения.