МЕХАТРОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2015 года по МПК H02K19/06 H02K21/00 H02K7/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.

Уровень техники

Известны мехатронные устройства, содержащие электродвигатель со статором с сосредоточенными обмотками на полюсах с различным числом фаз и роторами без обмоток и постоянных магнитов. Каждая фаза этих двигателей коммутируется напряжением при помощи электрической схемы, содержащей полупроводниковые элементы и датчики положения [1, 2, 3 и 4]. Недостатками этих устройств являются высокий уровень пульсаций момента, большое число и стоимость полупроводниковых приборов инвертора, коммутирующего обмотки фаз, потребность в датчике положения и небольшой коэффициент редукции. Например, инвертор, коммутирующий обмотки фаз четырехфазного вентильно-индукторного двигателя по [1], содержит восемь силовых транзисторов и восемь силовых диодов и датчик положения.

Сущность изобретения

Наиболее близким по существу к предлагаемому изобретению является механотронное устройство, описанное в [1]. Целью настоящего изобретения является уменьшение уровня пульсации момента, уменьшение стоимости за счет исключения полупроводниковых приборов и датчика положения, увеличение коэффициента редукции, а также расширение функциональных возможностей.

Цель уменьшения уровня пульсации момента, уменьшения стоимости за счет исключения полупроводниковых приборов и датчика положения достигается тем, что питание сосредоточенных обмоток, равномерно распределенных по расточке 2m полюсов (m - число фаз обмотки) статора мехатронного устройства, осуществляется от сети переменного тока. При этом обмотки создают двухполюсное круговое вращающееся магнитное поле в рабочем воздушном зазоре между статором и ротором. Ротор сорвершает движения синхронно с частотой переменного тока.

Увеличение коэффициента редукции и расширение функциональных возможностей мехатронного устройства достигается тем, что статор выполнен составным из двух цилиндрических пакетов магнитопроводов с зубчатой поверхностью, равномерным шагом во внутренней расточке. Количество зубцов в расточке статора нечетное. Между пакетами магнитопроводов статора размещен постоянный магнит с аксиальным намагничиванием, а сами пакеты повернуты друг относительно друга таким образом, что угол сдвига их зубчатых поверхностей составляет 180°. Ротор, составленный также из двух магнитопроводов, установленных на магнитомягком сердечнике, установлен в расточке статора таким образом, что может совершать сложное движение: прецессионное движение относительно оси статора и вращательное движение относительно собственной оси симметрии.

Для передачи вращательного движения на выходной вал в устройстве предусмотрено устройство, способное передавать несоосное вращательное движение, например шарнирное устройство или упругое деформируемое звено. На обращенной к статору поверхности магнитопроводов ротора выполнена зубчатая поверхность с одинаковым равномерным шагом, равным шагу зубчатой поверхности на статоре. Количество зубцов на единицу меньше количества зубцов на статоре.

При подключении обмоток статора к источнику переменного тока ротор совершает сложное движение, взаимодействуя через магнитные поля статора и постоянного магнита с зубчатой поверхностью статора; это взаимодействие вызывает крутящий момент и редукцию вращения ротора. Коэффициент редукции равен числу зубцов на роторе. Одновременно с редукцией скорости достигается большое значения момента вращения из-за взаимодействия большего количества зубчатых пар в активной зоне воздушного зазора.

При отсутствии тока в обмотках статора взаимодействие зубчатых пар статора и ротора в активной зоне воздушного зазора из-за магнитного поля постоянного магнита вызывает появление большого тормозного момента. Таким образом достигается расширение функциональных возможностей мехатронного устройства.

Перечень фигур, чертежей и иных материалов

На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого магнитного мехатронного устройства. На фиг 2. изображен поперечный разрез активной части воздушного зазора мехатронного устройства - схема воздушного зазора между магнитопроводами статора и ротора.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Предлагаемое мехатронное устройство по фиг.1 содержит цилиндрический немагнитный корпус 1 с крышками, внутри которого размещены магнитопроводы 2 статора с сосредоточенными обмотками 3 на полюсах с зубчатыми поверхностями на внутренней поверхности с нечетным числом зубьев Z1 и с одинаковым шагом t_z. Между магнитопроводами статора размещен постоянный магнит 4 с осевым подмагничиванием. Магнитопроводы статора повернуты относительно друг друга на 180°. Ротор, составленный из двух одинаковых магнитопроводов 5 с зубчатой поверхностью из Z2=(Z1-u1) четных зубьев также с одинаковым шагом t_z, установлен на магнитомягком сердечнике 6 в расточке статора с возможностью совершать сложное движение, например, через сферический подшипник 7. Ротор одним из торцов через муфту, упругое деформируемое устройство 8, например сильфон, мембранное устройство и др., связан с выходным валом 9 для передачи вращательного движения. Другой (противоположный) торец ротора опирается на направляющую поверхность в крышке корпуса, обеспечивая гарантированный зазор между зубчатыми поверхностями статора и ротора таким образом, что ось симметрии статора ОО и ось симметрии ротора О₁О₁ в одной из плоскостей (на фиг.1 - в плоскости чертежа) образуют угол θ. Под действием магнитных сил притяжения от поля постоянных магнитов Ф_пм при обесточенных обмотках статора в воздушном зазоре между магнитопроводами статора и ротора диаметрально противоположно и аксиально противоположно образуются зоны с минимальным и максимальным значениями зазоров. При этом зубчатый магнитопровод ротора занимает эксцентрическое положение относительно зубчатого магнитопровода статора, как показано на фиг 2. Основная часть магнитного потока окажется сосредоточенной в зоне минимального воздушного зазора δ_min. Взаимодействие зубчатых поверхностей статора и ротора в этой зоне обуславливает появление тормозного момента на выходном валу мехатронного усройства.

При подключении обмоток статора к источнику переменного тока в рабочем воздушном зазоре появляется двухполюсное вращающееся магнитное поле Ф_ст, которое вращается синхронно с частотой переменного тока, т.е. электродвигатель мехатронного устройства является синхронным электродвигателем. Это магнитное поле, складываясь с магнитным полем постоянного магнита, создает результирующее магнитное поле с максимальным магнитным потоком в зонах минимального зазора и с минимальным магнитным потоком в зоне максимальных зазоров. Под действием магнитных сил притяжения ротор будет совершать сложное движение: прецессионное движение со скоростью вращающегося поля статора с углом прецессии θ относительно оси симметрии статора (ось симметрии ротора О₁О₁ совершает прецессионное перемещение относительно оси симметрии статора ОО с углом прецессии θ); из-за разности чисел зубьев на статоре и роторе последний будет поворачиваться относительно собственной оси симметрии ОО на одно зубцовое деление за один оборот вращения поля статора, передавая это движение на выходной вал. Угол прецессии составляет 2-4°.

Значение крутящего момента зависит от магнитного потока результирующего магнитного поля, который не изменяется во времени и в воздушном зазоре. Крутящий момент не имеет пульсаций.

В предлагаемой конструктивной схеме мехатронного устройства достигается высокое значение коэффициента редукции, равное количеству зубцов на роторе.

В схеме управления предлагаемого мехатронного устройства не используются полупроводниковые элементы и не требуется наличия датчика положения ротора.

В предлагаемом мехатронном устройстве расширены функциональные возможности: в обесточенном состоянии он выполняет функции активного тормоза.

Таким образом, в предлагаемом мехатронном устройстве обеспечивается достижение цели изобретения - уменьшение уровня пульсации момента, увеличение коэффициента редукции, расширение функциональных возможностей и уменьшение стоимости за счет исключения полупроводниковых приборов и датчика положения.

С целью улучшения энергетических характеристик возможно выполнение активных частей статора и ротора коническими, например, с углами половины значения угла прецессии θ.

Литература

1. Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003, с.10-21.

2. Плах Г.К., Лозитский О.Е., Луговенц В.А., Протасов Д.А., Мустафаев P.P. Низкооборотный высокомоментный вентильный индукторный реактивный двигатель для автоматизированных электроприводов. Пятая международная (четырнадцатая всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу. - СПб.: АЭП-2007, 18-21 сентября.

3. Описание изобретения к патенту РФ 2426211.

4. Описание изобретения к патенту РФ 2439769.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем. Технический результат - уменьшение уровня пульсации момента, увеличение коэффициента редукции и расширение функциональных возможностей. Мехатронное устройство содержит синхронный электродвигатель с сосредоточенными обмотками на полюсах статора, с числом полюсов, кратным числу фаз переменного тока, безобмоточный ротор. Статор и ротор выполнены составными из двух цилиндрических пакетов магнитопроводов с зубчатой поверхностью с равномерным шагом. Число зубцов на роторе меньше числа зубцов на статоре. Пакеты статора повернуты друг относительно друга, при этом угол сдвига их зубчатых поверхностей составляет 180°. Между пакетами магнитопроводов статора размещен постоянный магнит с аксиальным намагничиванием. Ротор установлен в расточке статора и может совершать сложное движение: прецессионное относительно оси статора и вращательное относительно собственной оси симметрии. Для передачи вращательного движения ротора к выходному валу предусмотрено устройство, передающее несоосное вращательное движение, например шарнирное устройство или упругое деформируемое звено. 2 ил.

Мехатронное устройство, содержащее синхронный электродвигатель с сосредоточенными обмотками на полюсах статора, который имеет число полюсов, кратное числу фаз переменного тока, безобмоточный ротор, отличающееся тем, что статор и ротор выполнены составными из двух цилиндрических пакетов магнитопроводов с зубчатой поверхностью с равномерным шагом, число зубцов на роторе меньше числа зубцов на статоре, между пакетами магнитопроводов статора размещен постоянный магнит с аксиальным намагничиванием, а сами пакеты повернуты друг относительно друга таким образом, что угол сдвига их зубчатых поверхностей составляет 180°, ротор установлен в расточке статора таким образом, что может совершать сложное движение: прецессионное движение относительно оси статора и вращательное движение относительно собственной оси симметрии и связан с выходным валом через устройство, способное передавать несоосное вращательное движение, например через шарнирное устройство или упругое деформируемое звено.