ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H02K33/02 

Изобретение относится к электромеханическим исполнительным устройствам, преобразующим электрическую энергию, поданную в виде импульса, в дискретное неограниченное поворотное и винтовое перемещение рабочего органа, и может быть использовано в частности в электроприводах станков, в устройствах автоматической сборки транспортных механизмах и т.п.

Известны электромагнитные шаговые двигатели вращения, включающие электромагнит с системой управления и качающимся якорем, храповой механизм с возвратными пружинами, упорами и собачками /см. а.с. СССР №535677, кл. Н 02 К 33/02, 1976 [1], а.с. СССР №548924, кл. Н 02 К 33/02, 1977 [2]/.

Недостатками известных конструкций являются значительная сложность, низкая надежность, ограниченные функциональные возможности.

Известны также электромагнитные шаговые двигатели поворотного и винтового перемещений, содержащие цилиндрические ферромагнитные якорь и статор, снабженные винтовыми системами зубцов с правой и левой нарезкой и обмотками управления /см. а.с. СССР №1377975, кл. Н 02 К 33/18, 1973 [3]; а.с. СССР №1377976, кл. Н 02 К 33/18, 1973 [4]/.

Недостатками известных устройств являются предельная сложность конструкции и значительные энергозатраты.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является электромагнитный шаговый двигатель, содержащий механизм создания поворотного колебательного движения в виде установленного в корпусе статора с катушками возбуждения и многополюсного якоря, а также механизм преобразования колебательного движения якоря во вращательное движение выходного вала, выполненный в виде двух пружин с разными направлениями навивки, фрикционно связывающих якорь с выходным валом и корпусом /см. а.с. СССР №408427, кл. Н 02 К 3/02, 1974 [5]/, принятый за прототип.

Недостатками устройства прототипа являются сложность конструкции, низкая надежность и ограниченные функциональные возможности. Это объясняется как необходимостью предварительного получения колебательного движения якоря (наличием многополюсных статора и якоря), так и обеспечением однонаправленного вращения выходного вала только за счет переменных фрикционных сил сцепления при натяге и проскальзывании пружин с разными направлениями навивки относительно якоря, выходного вала и корпуса, обуславливающих нестабильность контакта, предельно малые напряжения при контактном взаимодействии, возможность несанкционированного проскальзывания и т.п., а также невозможностью получения линейно-поворотного /винтового/ движения выходного вала.

Сущность изобретения заключается в создании конструкции электромагнитного шагового двигателя, в котором однонаправленное поворотное либо винтовое движения выходного вала создаются за счет использования упругих элементов со специальными магнитными свойствами, обеспечивающих асимметричные линейные и закручивающие воздействия на выходной вал при действии электрических импульсных возмущений.

Технический результат упрощение конструкции, повышение ее надежности и расширение функциональных возможностей.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном электромагнитном шаговом двигателе, содержащем установленные в корпусе катушки возбуждения, подключенные к источнику импульсного электрического сигнала, немагнитный выходной вал, размещенный концентрично в осевых отверстиях катушек и установленный в опорах с возможностью линейного и углового перемещений, а также свободно охватывающую выходной вал винтовую цилиндрическую пружину кручения, особенность заключается в том, что винтовая цилиндрическая пружина кручения выполнена из биметалла, обращенный внутрь к выходному валу слой которого выполнен из упругого ферромагнитного материала, а слой, обращенный наружу, из ферромагнитного материала, обладающего магнитострикционным эффектом, при этом пружина размещена между разнесенными в осевом направлении катушками возбуждения и закреплена своей центральной частью в корпусе с помощью упругого в осевом направлении элемента с возможностью жесткой фиксации, причем, концевые участки пружины свободно введены в крайние части осевых отверстий соответствующих катушек возбуждения.

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

Электромагнитный шаговый двигатель содержит две установленные в корпусе 1 катушки возбуждения 2, 3, подключенные к источнику импульсного электрического сигнала /на чертеже не показан/, немагнитный выходной вал 4, размещенный концентрично в осевых отверстиях 5, 6 катушек 2, 3 и установленный в опорах 7, 8 с возможностью линейного и углового перемещений, а также свободно охватывающую выходной вал 4 винтовую цилиндрическую пружину 9 кручения, выполненную из биметалла, обращенный внутрь к выходному валу 4 слой 10 которого выполнен из упругого ферромагнитного материала, а слой 11, обращенный наружу из ферромагнитного материала, обладающего магнитострикционным эффектом, при этом пружина кручения 9 размещена между разнесенными в осевом направлении катушками возбуждения 2, 3 и закреплена своей центральной частью в корпусе 1 по внешнему контуру с помощью упругой в осевом направлении втулки 1 с возможностью жесткой фиксации в корпусе 1 с помощью фиксатора 13, входящего в отверстие в пружине 9, причем, концевые участки пружины 9 свободно введены в крайние части осевых отверстий 5, 6 соответствующих катушек возбуждения 2, 3. В качестве материала для слоя 10 биметалла использован широко распространенный дисперсионный твердеющий стальной сплав Н36ХТЮ, имеющий высокие упругие свойства. В качестве материала для слоя 11 с магнитострикционным эффектом использован пермалой, являющийся достаточно распространенным сплавом и обеспечивающий при этой максимальный магнитострикционный эффект, максимальную величину относительной деформации при помещении в электромагнитное поле, большую магнитную проницаемость и малую магнитную индукцию при насыщении. Втулка 12 выполнена из упругой пористой резины.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Пусть, например, последовательность электрических импульсов от источника сигнала подается в левую на чертеже катушку возбуждения 2, правая катушка 3 при этом обесточена. Для обеспечения дискретного поворотного /вращательного/ движения выходного вала 4 пружину 9 фиксируют в линейном направлении в корпусе 1, для чего нажимом и поворотом вводят подпружиненный фиксатор 13 в отверстие пружины 9 сквозь упругую втулку 12. При подаче электрического импульса в катушку 2 за счет действия электромагнитного поля последней происходит скачкообразное удлинение наружного слоя 11 биметалла пружины 9, выполненного из материала с магнитострикционным эффектом. В результате этого происходит уменьшение радиусов кривизны витков в левой концевой части пружины 9, входящей в осевое отверстие 5 катушки 2. За счет такой деформации пружина 9 одновременно зажимает выходной вал 4 и поворачивается на шаг /в период действия импульса/ вместе с выходным валом 4 /работа пружины 9 здесь аналогична работе обычной термобиметаллической винтовой пружины кручения при изменении температуры/. Так как жесткость пружины кручения 9 на растяжение-сжатие несоизмеримо выше ее жесткости на кручение и центральная часть пружины 9, а следовательно, и упругая втулка 12 зафиксированы в корпусе 1, под действием электрического импульса левый конец пружины 9 не втягивается в катушку 2 и происходит чистое закручивание левой на чертеже половины пружины 9 относительно места ее фиксации фиксатором 13 в направлении против часовой стрелки при взгляде слева и, соответственно такой же шаговый поворот выходного вала 4.

После прекращения действия импульса пружина 9 так же скачком освобождает выходной вал 4 и раскручивается в исходное положение, вал 4 естественно остается в повернутом на шаг состоянии. Очевидно, что при непрерывной подаче последовательности импульсов происходит однонаправленное угловое смещение выходного вала 4 в опорах 7, 8 с заранее заданной дискретностью позиционирования. При необходимости реверса последовательность импульсов подается в правую на чертеже катушку возбуждения 3, а левая катушка 2 обесточивается. При этом будет происходить импульсное закручивание правой на чертеже части пружины 9 в противоположную сторону /по часовой стрелке при взгляде слева/ и, естественно, соответствующий шаговый поворот выходного вала 4. При необходимости получения винтового движения /линейного перемещения с одновременным поворотом/ входного вала 4 выводят поворотом подпружиненный фиксатор 13 из отверстия в пружине 9. В этом случае при подаче импульсов, например, в левую катушку возбуждения 2 левый конец пружины 9 закручивается, зажимая при этом выходной вал 4 и поворачиваясь вместе с последним /вследствие магнитострикционного эффекта/, и одновременно втягиваясь в катушку 2, смещается линейно на шаг влево за счет продольной деформации выпучивания освобожденной от фиксатора 13 упругой втулки 12. В результате этого при непрерывной подаче импульсов тока в катушку 2 выходной вал 4 будет совершать дискретное винтовое движение. При подаче импульсов в катушку 3 изменятся на противоположные как линейная, так и угловая составляющие релейного винтового движения, то есть произойдет полный реверс такого движения.

Очевидно, что предлагаемый электромагнитный шаговый двигатель имеет сравнительно простую конструкцию, характеризуется малыми энергозатратами, здесь нет необходимости преобразования электрического сигнала сначала в угловое колебательное движение, а затем в угловое однонаправленное, а сразу происходит преобразование электромагнитной энергии во вращательное и винтовое движения. Устройство характеризуется высокой надежностью за счет исключения возможности несанкционированного проскакивания /проскальзывания/ пружины относительно зажатого ей вала. Если в устройстве-прототипе такое зажатие происходит просто за счет некоторого натяга, характерного для закручиваемой пружины, то в предлагаемом устройстве за счет магнитострикционного эффекта происходит специальное зажатие с заранее заданной величиной сжимающих усилий. Кроме того, предложенное устройство характеризуется расширенными функциональными возможностями за счет обеспечения раздельных углового и винтового перемещений выходного вала.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромагнитным шаговым двигателям. Технический результат изобретения, заключающийся в упрощении конструкции и повышении надежности, достигается путем того, что в электромагнитном шаговом двигателе винтовая цилиндрическая пружина кручения выполнена из биметалла, обращенный внутрь к выходному валу слой которого выполнен из упругого ферромагнитного материала, а слой, обращенный наружу, из ферромагнитного материала, обладающего магнитострикционным эффектом, при этом пружина размещена между разнесенными в осевом направлении катушками возбуждения и закреплена своей центральной частью в корпусе с помощью упругого в осевом направлении элемента с возможностью жесткой фиксации, причем, концевые участки пружины свободно введены в крайние части осевых отверстий соответствующих катушек возбуждения. 1 ил.

Электромагнитный шаговый двигатель, содержащий установленные в корпусе катушки возбуждения, подключенные к источнику импульсного электрического сигнала, немагнитный выходной вал, размещенный концентрично в осевых отверстиях катушек и установленный в опорах с возможностью линейного и углового перемещений, а также свободно охватывающую выходной вал винтовую цилиндрическую пружину кручения, отличающийся тем, что винтовая цилиндрическая пружина кручения выполнена из биметалла, обращенный внутрь к выходному валу слой которого выполнен из упругого ферромагнитного материала, а слой, обращенный наружу, из ферромагнитного материала, обладающего магнитострикционным эффектом, при этом пружина размещена между разнесенными в осевом направлении катушками возбуждения и закреплена своей центральной частью в корпусе с помощью упругого в осевом направлении элемента с возможностью жесткой фиксации, причем, концевые участки пружины свободно введены в крайние части осевых отверстий соответствующих катушек возбуждения.