ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H02K37/00 H02K17/04 H02P8/42 

Описание патента на изобретение RU2443047C1

Изобретение относится к области электротехники, а точнее - к электроприводам, предназначенным для реализации дискретных линейных перемещений.

Известны шаговые двигатели (ШД), содержащие статоры с обмотками, состоящими из отдельных катушек, расположенных на их зубцах, выводы катушек соединены с коммутирующим устройством (см. например: а.с. СССР 907716, МПК Н02К 37/00, 1982 г., а.с. СССР 917295, МПК Н02К 37/00; Н02Р 8/42, 1982 г; пат. США №3506859, МПК Н02К 37/00, Н02Р 8/42 1970 г.). Данные шаговые двигатели не обеспечивают стабилизации положения ротора относительно статора в осевом (поперечном) направлении.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является шаговый двигатель (ШД), содержащий статор с обмоткой, состоящей из отдельных катушек, расположенных на его зубцах, выводы катушек соединены с коммутирующим устройством, подключающим их к источнику напряжения, и ротор, включающий электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра, имеющего диаметральную прорезь по всей активной длине, заполненную изолирующим веществом, на зубцах статора в верхних их частях расположены по два витка, выводы которых соединены, например, с контактами герконовых реле, катушки которых соединены с коммутирующим устройством, обеспечивающим возможность одновременного замыкания, по меньшей мере, четырех витков, размещенных на четырех соседних зубцах статора и образующих дугообразный ряд, причем у первых двух зубцов замкнуты витки, экранирующие их правые части в направлении против часовой стрелки, а у последующих двух зубцов замкнуты витки, экранирующие их левые части, причем для начала шага ротора коммутирующее устройство размыкает виток, экранирующий левую часть последнего зубца первоначального ряда, а для завершения шага размыкает виток на первом зубце ряда, размыкает виток, экранирующий левую часть третьего зубца первоначального ряда, и замыкает виток, экранирующий правую его часть, при этом замыкается виток, экранирующий левую часть зубца, следующего за последним зубцом первоначального ряда (см. патент РФ №2357350, Н02К 37/00, Н02К 17/04, Н02Р 8/42, 2009 г.).

Данный шаговый двигатель не обеспечивает стабилизации положения ротора относительно статора в осевом (поперечном) направлении. Это недостаток прототипа.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение отмеченного недостатка в разработанной конструкции.

Решение технической задачи достигается тем, что в шаговом двигателе, содержащем статор с обмоткой, состоящей из отдельных катушек, расположенных на его зубцах, выводы катушек соединены с коммутирующим устройством, и ротор, включающий электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра, имеющего диаметральную прорезь по всей активной длине, заполненную изолирующим веществом, на зубцах статора в верхних их частях расположены по два витка, выводы которых соединены, например, с контактами герконовых реле, катушки которых соединены с коммутирующим устройством, обеспечивающим возможность одновременного замыкания, по меньшей мере, четырех витков, размещенных на четырех соседних зубцах статора и образующих дугообразный ряд, причем у первых двух зубцов замкнуты витки, экранирующие их правые части в направлении против часовой стрелки, а у последующих двух зубцов замкнуты витки, экранирующие их левые части, причем для начала шага ротора коммутирующее устройство размыкает виток, экранирующий левую часть последнего зубца первоначального ряда, а для завершения шага размыкает виток на первом зубце ряда, размыкает виток, экранирующий левую часть третьего зубца первоначального ряда, и замыкает виток, экранирующий правую его часть, при этом замыкается виток, экранирующий левую часть зубца, следующего за последним зубцом первоначального ряда. Согласно изобретению центральные части зубцов экранированы короткозамкнутыми витками, размещенными перпендикулярно двум виткам и расположенными в верхних частях зубцов статора.

Выполнение зубцов статора с дополнительными короткозамкнутыми витками, экранирующими их центральные части и размещенными перпендикулярно двум виткам, расположенными в их верхних частях, - эти технические признаки определяют новизну и существенные отличия данного технического решения.

В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 изображает схематично общий вид шагового двигателя (поперечное сечение) с первоначальным рядом экранированных зубцов;

фиг.2 - то же, но с разомкнутым витком, экранирующим левую часть последнего зубца первоначального ряда;

фиг.3 изображает шаговый двигатель, четыре зубца которого образуют новый ряд после совершения шага ротором;

фиг.4 представляет верхнюю часть зубца статора с двумя витками, выводы которых соединены с герконовыми реле, и короткозамкнутым витком, экранирующим центральную часть зубца статора при симметричном расположении ротора в поперечном направлении (направление стабилизирующих усилий показано стрелками);

фиг.5 - то же, что и на фиг.4, но при смещении ротора в поперечном направлении;

фиг.6 изображает упрощенную схему подключения катушек герконовых реле к коммутирующему устройству (причем показаны только контакты герконовых реле, а катушки реле на фиг.6 не изображены);

Шаговый двигатель 1 (фиг.1) содержит статор 2 с обмоткой, состоящей из отдельных катушек 3, расположенных на его зубцах 4. Ротор 5 (на фиг.1 показан штриховыми линиями) содержит электропроводящую часть 6, выполненную в виде цилиндра, имеющего диаметральную прорезь 7 по всей активной длине ротора, и заполненную изолирующим веществом (на фиг.1 не показано), в верхних частях зубцов 4 статора 2 расположены по два витка 8, выводы которых соединены, например, с контактами герконовых реле (на фиг.1 не показаны), катушки которых соединены с коммутирующим устройством (на фиг.1 не показано). Выводы фазных катушек 3 подключены к коммутирующему устройству. Центральные части зубцов 4 экранированы короткозамкнутыми витками 9. M1 и М2 - моменты, действующие на ротор 5.

На фиг.2 показан тот же шаговый двигатель, что и на фиг.1, но при разомкнутом витке 8, экранирующем левую часть последнего зубца 4 первоначального ряда из четырех зубцов (замкнутые герконами витки обозначены полужирно). Все обозначения на фиг.2 те же, что и на фиг.1.

На фиг.3 изображен тот же шаговый двигатель, что и на фиг.2, но после совершения ротором 5 одного шага, равного зубцовому делению статора 2. Остальные обозначения здесь те же, что и на фиг.1.

Один зубец 4 статора шагового двигателя изображен схематически со стороны электропроводящей части 6 ротора на фиг.4. Центральная часть зубца 4 экранирована короткозамкнутым витком 9, расположенным перпендикулярно двум виткам 8, размещенным в верхних частях зубцов 4. Правая и левая стороны верхней части зубца 4 содержат витки 8, выводы которых соединены с герконовыми реле 10, выводы 11 катушек которых связаны с коммутирующим устройством (на фиг.4 оно не показано). Электропроводящая часть 6 ротора здесь симметрично расположена относительно зубца 4 в поперечном направлении. Стрелками Fст1 и Fст2 показаны направления сил поперечной стабилизации, действующих на электропроводящую часть 6 ротора.

На фиг.5 показан тот же зубец 4 статора шагового двигателя, что и на фиг.4, но при поперечном смещении электропроводящей части 6 ротора относительно статора.

Фиг.6 изображает упрощенную схему подключения катушек 3 обмотки шагового двигателя к коммутирующему устройству 12 при помощи контакта 13. Коммутирующее устройство подключено к источнику однофазного напряжения 14. Экранирующие витки 8, размещенные на зубцах статора шагового двигателя, соединены с герконовыми реле (на фиг.6 не показаны), выводы катушек которых соединены с коммутирующим устройством 12. На фиг.6 контакты герконовых реле показаны схематично и обозначены позициями 15-30.

Рассмотрим работу данного шагового двигателя. При замыкании контакта 13 коммутирующего устройства 12 подается переменное напряжение на катушки 3 обмотки статора 2 (фиг.1 и фиг.6). По катушкам 3 потечет однофазный ток, который создает пульсирующее магнитное поле. Далее коммутирующее устройство 12 замыкает контакты герконов 15, 18 и 19, 21. Витки 8, экранирующие правые части двух первых зубцов 4 и следующих за ними (против часовой стрелки) третьего и четвертого зубцов, становятся короткозамкнутыми. В результате магнитные поля четырех зубцов, образующих первоначальный ряд, становятся эллиптическими. При пересечении эллиптическими магнитными полями электропроводящей части 6 ротора 5 в ней индуктируются электродвижущие силы (ЭДС), под действием которых в роторе потекут вихревые токи. В результате взаимодействия эллиптических магнитных полей с токами ротора, ими индуктированными, создаются вращающиеся моменты (фиг.1), которые направлены от неэкранированных частей зубцов статора к экранированным. Суммарный вращающий момент M1, созданный при взаимодействии эллиптических магнитных полей первых двух зубцов с токами, ими индуктированными в роторе, будет действовать против часовой стрелки и будет равен суммарному вращающемуся моменту М2, созданному при взаимодействии эллиптических магнитных полей третьего и четвертого зубцов статора с токами, ими индуктированными в роторе, и направленному по часовой стрелке. Моменты M1 и М2 будут уравновешивать друг друга и ротор будет неподвижен. При экранировании центральных частей зубцов 4 короткозамкнутыми витками 9 (фиг.4) будут создаваться эллиптические магнитные поля, бегущие в поперечном направлении навстречу друг другу от краев зубцов к их центрам. Эти магнитные поля будут пересекать электропроводящую часть ротора 5 и индуктировать в ней электродвижущие силы. Под действием этих электродвижущих сил в электропроводящей части 6 ротора потекут вихревые токи. При взаимодействии эллиптических магнитных полей, в поперечном направлении с вихревыми токами, ими индуктированными, создаются механические встречно направленные поперечные усилия Fст1 и Fст2, действующие на ротор 5 (фиг.4). Так как центральные короткозамкнутые витки 9 всегда замкнуты, то усилия Fст1 и Fст2 (фиг.4) поперечной стабилизации уравновешивают друг друга при симметричном расположении ротора в поперечном направлении.

Для начала шага ротора 5 коммутирующее устройство 12 размыкает контакт 21 герконового реле (фиг.2 и фиг.6). В этом случае суммарный вращающий момент M1 будет больше суммарного вращающего момента М2, т.к. момент М2 будет создаваться при взаимодействии эллиптического магнитного поля только одного третьего зубца с токами ротора, ими индуктированными. Момент M1 будет иметь ту же самую величину, что и ранее. Под действием разности моментов ротор начнет поворачиваться против часовой стрелки (фиг.2).

Для завершения шага ротора на одно зубцовое деление и фиксации ротора в новом положении коммутирующее устройство 12 размыкает контакт 16 и виток 8, экранирующий правую часть первого зубца 4, перестает быть короткозамкнутым, одновременно коммутирующее устройство размыкает контакт 19 и замыкает контакт 20, при этом на третьем зубце становится короткозамкнутым виток 8, экранирующий правую часть третьего зубца 4. Одновременно коммутирующее устройство замыкает контакт 23 и образуется новый ряд из четырех зубцов (фиг.3 и фиг.6). Ротор 5 поворачивается на одно зубцовое деление и фиксируется в новом положении. Вращающие моменты M1 и М2 снова становятся равными. В случае осевого (поперечного) смещения якоря 5 относительно статора шагового двигателя (фиг.5) нарушится равновесие усилий Fст1 и Fст2. В этом случае усилия Fст2 станут меньше усилий Fст1 за счет того, что усилия Fст2, создаваемые при взаимодействии эллиптического поля с вихревыми токами, протекающими в электропроводящей части 6 ротора, будут меньше усилий Fст1, создаваемых при взаимодействии эллиптических полей (за счет короткозамкнутых витков 9) (фиг.5) с вихревыми токами ротора 5. Так как в последнем случае усилия Fст1>Fст2 за счет того, что над неэкранированной частью зубцов 4 (фиг.5) будет располагаться большая часть поверхности (площади) электропроводящей части 6 ротора и эти усилия Fст1, действующие от неэкранированных частей зубцов 4 к их экранированным частям, будут больше, чем усилия Fст2 (т.к. над экранированной частью зубцов 4 будет расположена меньшая площадь электропроводящей части 6 ротора). Под действием разности этих усилий ΣFст1-ΣFст2 ротор вернется в прежнее положение, как это показано на фиг.4.

Усилия Fст1 и Fст2 становятся равными. Ротор будет снова располагаться симметрично относительно статора в поперечном направлении. И так далее.

По сравнению с прототипом расширены функциональные возможности шагового двигателя: получена возможность стабилизировать ротор в осевом (поперечном) относительно статора направлении.

Похожие патенты RU2443047C1

название год авторы номер документа
ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 2008
  • Соломин Владимир Александрович
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Шульга Антон Александрович
  • Вишин Алексей Андреевич
  • Платонов Игорь Александрович
RU2357350C1
ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 2008
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Туровская Елена Александровна
RU2377707C1
ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 2011
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Корнев Артем Сергеевич
  • Тынянова Татьяна Владимировна
RU2472275C1
ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 2009
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Замшин Вадим Владимирович
RU2389125C1
ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 2012
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Алиев Рза Вилаятович
  • Звягинцев Алексей Владимирович
  • Рамазанов Максим Абдулнасирович
RU2494522C1
ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 2011
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Замшин Владимир Александрович
RU2461114C1
ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ 2008
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
RU2358373C1
ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ 2009
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Замшин Вадим Владимирович
RU2393617C1
ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ 2008
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Есин Сергей Сергеевич
  • Хрульков Андрей Анатольевич
RU2357349C1
ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 2005
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
RU2279752C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 443 047 C1

Реферат патента 2012 года ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электротехнике, к дискретным электроприводам. Технический результат состоит в стабилизации ротора в осевом (поперечном) направлении. Шаговый двигатель (1) содержит статор (2) с обмоткой, состоящей из отдельных катушек (3), расположенных на его зубцах (4). Ротор (5) содержит электропроводящую часть (6), выполненную в виде цилиндра, имеющего диаметральную прорезь (7) по всей активной длине ротора, и заполненную изолирующим веществом. В верхних частях зубцов (4) статора (2) расположены по два витка (8), выводы которых соединены, например, с контактами герконовых реле, катушки которых соединены с коммутирующим устройством. Центральные части зубцов экранированы короткозамкнутыми витками (9), размещенными перпендикулярно двум виткам и расположенными в верхних частях зубцов статора. Для начала шага ротора коммутирующее устройство размыкает виток, экранирующий левую часть последнего зубца первоначального ряда, а для завершения шага размыкает виток на первом зубце ряда, размыкает виток, экранирующий левую часть третьего зубца первоначального ряда, и замыкает виток, экранирующий правую его часть, при этом замыкается виток, экранирующий левую часть зубца, следующего за последним зубцом первоначального ряда. 6 ил.

Формула изобретения RU 2 443 047 C1

Шаговый двигатель, содержащий статор с обмоткой, состоящей из отдельных катушек, расположенных на его зубцах, выводы катушек соединены с коммутирующим устройством, подключающим их к источнику напряжения, и ротор, включающий электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра, имеющего диаметральную прорезь по всей активной длине, заполненную изолирующим веществом, на зубцах статора в верхних их частях расположены по два витка, выводы которых соединены, например, с контактами герконовых реле, катушки которых соединены с коммутирующим устройством, обеспечивающим возможность одновременного замыкания, по меньшей мере, четырех витков, размещенных на четырех соседних зубцах статора и образующих дугообразный ряд, причем у первых двух зубцов замкнуты витки, экранирующие их правые части в направлении против часовой стрелки, а у последующих двух зубцов замкнуты витки, экранирующие их левые части, причем для начала шага ротора коммутирующее устройство размыкает виток, экранирующий левую часть последнего зубца первоначального ряда, а для завершения шага размыкает виток на первом зубце ряда, размыкает виток, экранирующий левую часть третьего зубца первоначального ряда, и замыкает виток, экранирующий правую его часть, при этом замыкается виток, экранирующий левую часть зубца, следующего за последним зубцом первоначального ряда, отличающийся тем, что центральные части зубцов экранированы короткозамкнутыми витками, размещенными перпендикулярно двум виткам и расположенными в верхних частях зубцов статора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2443047C1

ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 2008
  • Соломин Владимир Александрович
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Шульга Антон Александрович
  • Вишин Алексей Андреевич
  • Платонов Игорь Александрович
RU2357350C1
ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ 2008
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Есин Сергей Сергеевич
  • Хрульков Андрей Анатольевич
RU2357349C1
ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ 2008
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
RU2358373C1
ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ 2009
  • Соломин Владимир Александрович
  • Замшина Лариса Леонидовна
  • Соломин Андрей Владимирович
  • Замшин Вадим Владимирович
RU2393617C1
ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ 2005
  • Соломин Владимир Александрович
  • Бородин Виктор Георгиевич
  • Скачков Николай Игоревич
  • Титова Елена Викторовна
  • Соломина Анна Серафимовна
RU2301488C1
АСИНХРОННЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ ЭКРАНИРОВАННЫЙ РЕВЕРСИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 2000
  • Охапкин В.В.
  • Ахунов Т.А.
RU2172548C1
Однофазный асинхронный двигатель 1987
  • Забора Игорь Георгиевич
  • Акопян Акоп Гогикович
SU1617533A1
Однофазный асинхронный электродвигатель 1980
  • Гелашвили Гурам Арчилович
  • Прангулайшвили Генри Давидович
SU930511A1
Способ циклического управления шаговым двигателем 1991
  • Бабенко Евгений Валерьевич
SU1820475A1
Устройство для управления реверсивным @ -фазным шаговым электродвигателем 1979
  • Нижанковский Вадим Игнатьевич
  • Калашников Анатолий Сергеевич
  • Бердников Александр Никитич
  • Федоров Вячеслав Юрьевич
  • Никешин Геннадий Сергеевич
SU917295A1
Шаговый реверсивный электродвигатель 1958
  • Ивоботенко Б.А.
  • Цаценкин В.К.
SU120863A1
ИНДУКЦИОННЫЙ РЕВЕРСИВНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 0
  • А. Ф. Валуев
SU164344A1
US 3975654 А, 17.04.1976
US 3506859 А, 14.04.1970.

RU 2 443 047 C1

Авторы

Соломин Владимир Александрович

Замшина Лариса Леонидовна

Соломин Андрей Владимирович

Матвеева Анна Владимировна

Даты

2012-02-20Публикация

2010-11-15Подача