ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H02K37/04 H02K41/02 H02K1/16 H02P8/42 

Изобретение относится к области электротехники, а более точно - к шаговым электродвигателям (ШЭД), предназначенным для применения в дискретных электроприводах.

Известен шаговый электродвигатель, содержащий статор, на внутренней расточке которого выполнены чередующиеся зубцы и пазы, обмотка статора состоит из фазных катушек, размещенных на зубцах сердечника статора, и ротор, включающий электропроводящую часть и коммутирующее устройство (см. пат. США №3506839, МПК HO2K, 1970 г.).

Данный шаговый электродвигатель имеет ограниченные возможности.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является ШЭД, содержащий статор, на внутренней расточке которого выполнены чередующиеся по окружности зубцы и пазы, обмотка статора состоит из фазных катушек, ротор, включающий электропроводящую часть в виде цилиндра с продольной прорезью, и коммутирующее устройство, причем фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы каждой фазной катушки соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения соответствующих фаз источника питания, причем управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора пяти фазных катушек, образующий дугообразный ряд, у которого до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения последней фазной катушки ряда и фазной катушки, следующей за последней фазной катушкой первоначального ряда (см. пат. РФ №2301488, МПК HO2K, HO2P, 2005 г.). Этот ШЭД выбран в качестве прототипа.

Данный ШЭД не способен реализовать дискретное перемещение ротора в продольном (осевом) направлении и имеет ограниченные функциональные возможности. Это - недостаток прототипа.

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

Решение данной технической задачи достигается тем, что шаговый двигатель, содержащий статор, на внутренней расточке которого выполнены чередующиеся по окружности зубцы и пазы, обмотка статора состоит из фазных катушек, размещенных на зубцах сердечника статора, ротор, включающий электропроводящую часть в виде цилиндра с продольной прорезью, и коммутирующее устройство, причем фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы каждой фазной катушки соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения соответствующих фаз источника питания, причем управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора пятифазных катушек, образующих дугообразный ряд, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения последней фазной катушки ряда и фазной катушки, следующей за последней фазной катушкой первоначального ряда, согласно изобретению статор имеет дополнительные зубцы и пазы, чередующиеся в осевом направлении, на дополнительных зубцах расположены дополнительные фазные катушки, причем начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы их соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения фаз источника питания, при этом управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора в осевом (продольном) направлении пяти фазных катушек, образующих продольный ряд, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора в продольном направлении - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - с возможностью отключения первой фазной катушки продольного ряда и подключения последней фазной катушки ряда и фазной катушки, следующей за последней фазной катушкой первоначального продольного ряда.

Выполнение в статоре в продольном направлении чередующихся зубцов и пазов и размещение на зубцах дополнительных фазных катушек, причем начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы их соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения фаз источника питания, при этом управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора в осевом (продольном) направлении пяти фазных катушек, образующих продольный ряд, у которого до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора в продольном направлении - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - с возможностью отключения первой фазной катушки продольного ряда и подключения последней фазной катушки ряда и фазной катушки, следующей за последней фазной катушкой первоначального ряда - эти признаки составляют новизну и существенные отличия заявляемого шагового электродвигателя.

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

фиг.1 изображает поперечный разрез ШЭД (схематично);

фиг.2 - продольный разрез ШЭД (схематично);

фиг.3 показывает схематично сердечник статора ШЭД в аксонометрии (схематично);

фиг.4 - поперечный разрез ШЭД, где коммутирующим устройством (на фиг.4 не показано) подключены пять фазных катушек, образующих дугообразный первоначальный ряд;

фиг.5 изображает ШЭД при отключении последней фазной катушки ряда;

фиг.6 - ШЭД после завершения шага ротора;

фиг.7 представляет продольный разрез ШЭД, где коммутирующим устройством (на фиг.7 не показано) подключены к источнику питания пять фазных катушек, образующих продольный первоначальный ряд;

фиг.8 показывает ШЭД, при отключении последней фазной катушки продольного ряда;

фиг.9 - ШЭД после завершения шага ротора в продольном направлении;

фиг.10 изображает фрагмент коммутирующего устройства, замыкающие контакты которого подключают концы фазных катушек к фазам A, B и C источника питания.

Шаговый электродвигатель (фиг.1) содержит статор 1, на внутренней расточке сердечника 2 которого выполнены чередующиеся зубцы 3 и пазы. Обмотка статора состоит из фазных катушек 4, размещенных на зубцах 3. Ротор 5 включает электропроводящую часть 6, выполненную в виде цилиндра с прорезью 7.

На продольном разрезе ШЭД (фиг.2) видно, что зубцы и пазы сердечника 2 статора 1 чередуются в осевом (продольном) направлении. Обозначения здесь те же, что и на фиг.1.

На фиг.3 сердечника 2 статора ШЭД схематично показан в аксонометрии. Обозначения те же, что и на фиг.1.

Схематично на фиг.4 показан поперечный разрез ШЭД. Коммутирующим устройством (на фиг.4 не показано) пять фазных катушек 4 подключены к фазам А, В и С источника питания и образуют первоначальный дугообразный ряд. M₁ и M₂ - вращающие моменты, действующие на ротор шагового электродвигателя. Обозначения здесь те же, что и на фиг.1-фиг.3.

Фиг.5 изображает схематично ШЭД после отключения последней фазной катушки первоначального ряда для начала шага ротора по дуге окружности. Все обозначения здесь те же, что и на фиг.1-фиг.4.

Шаговый электродвигатель (схематично поперечное сечение) представлен после завершения шага (фиг.6) ротора. Видно, что образован новый дугообразный ряд из пяти фазных катушек 4 после завершения шага. Все обозначения те же, что и на фиг.1-фиг.5.

Продольный схематичный разрез ШЭД (фиг.7) показывает, что в осевом (продольном) направлении коммутирующим устройством (на фиг.1, 7 не показано) фазные катушки подключены к фазам (А, В и С) источника напряжения и образуют первоначальный продольный ряд.

F₁ и F₂ - силы, действующие на ротор.

Обозначения на фиг.7 те же, что и на фиг.1-фиг.6.

На продольном разрезе ШЭД (фиг.8) показано подключение фазных катушек к фазам источника напряжения после отключения последней катушки первоначального продольного ряда для начала шага ротора в продольном направлении. Здесь все обозначения те же, что и на фиг.1-фиг.7.

После завершения шага ротора и фиксации его в новом положении продольный разрез ШЭД изображен на фиг.9. На фиг.9 обозначения позиций те же, что и на фиг.1-фиг.8.

Фрагмент коммутирующего устройства с замыкающими контактами 8, которые подключают начала фазных катушек 4 к нулевому проводу источника напряжения, а их концы - к фазам A, B и C, представлен на фиг.10. Здесь O обозначает нулевой провод источника питания.

Рассмотрим принцип действия разработанного шагового электродвигателя.

Коммутирующее устройство подключает пять фазных катушек 4 к источнику трехфазного напряжения. При этом образуется дугообразный первоначальный ряд (фиг.1 и фиг.4), у которого до середины ряда один (А, В, С), а после середины - противоположный порядок (С, В, А) следования фаз. По фазным катушкам (фиг.4) протекают токи, которые создают бегущие навстречу друг другу магнитные поля, пересекающие электропроводящую часть ротора и наводящие в ней электродвижущие силы (ЭДС) и токи. При взаимодействии бегущих навстречу друг другу магнитных полей с токами, ими индуктированными в электропроводящей части ротора, создаются вращающие моменты M₁ и M₂, направления действия которых на фиг.4 обозначены стрелками. Эти моменты равны по величине и направлены навстречу друг другу. Они взаимно уравновешиваются и фиксируют ротор ШЭД в положении, изображенном на фиг.1.

Для начала шага ротора по окружности коммутирующее устройство одновременно отключает последнюю фазную катушку первоначального ряда от источника напряжения (фиг.5). В этом случае симметрия встречно бегущих магнитных полей нарушается: магнитное поле, бегущее против часовой стрелки, создается токами трех фазных катушек (А, В, С) и является круговым, а магнитное поле, бегущее по часовой стрелке, создается токами двух фазных катушек (В и С) и является эллиптическим. Вращающий момент M₁ создается, как и в предыдущем случае, при взаимодействии кругового бегущего магнитного поля с токами, им индуктированными в электропроводящей части ротора, а момент M₂ создается в результате взаимодействия эллиптического магнитного поля с токами, им индуктированными в электропроводящей части ротора, и будет меньше момента M₁. Под действием разности моментов M₁ и M₂, ротор начнет поворачиваться против часовой стрелки.

Для завершения шага ротора против часовой стрелки и фиксации его в новом положении коммутирующее устройство отключает от источника питания первую фазную катушку первоначального дугообразного ряда от источника питания и подключает к источнику питания последнюю фазную катушку и фазную катушку, следующую за последней фазной катушкой первоначального ряда (фиг.6). Образуется новый ряд из пяти фазных катушек (фиг.6), аналогичный первоначальному. Вращающие моменты M₁ и M₂ снова становятся равными и фиксируют ротор ШЭД в новом положении (фиг.6) после завершения шага.

Для фиксации ротора в продольном направлении коммутирующее устройство подключает пять фазных катушек 4 в каждом продольном ряду к источнику напряжения (фиг.7) и образуются продольные ряды, имеющие до середины ряда один, а после середины ряда - противоположный порядок следования фаз. Токи в фазных катушках создают бегущие навстречу друг другу магнитные поля. Магнитное поле, бегущее слева направо, создается токами трех фазных катушек A, B и C, и магнитное поле, бегущее справа налево, создается также токами трех фазных катушек A, B и C. Эти магнитные поля пересекают электропроводящую часть 6 ротора и индуктируют в ней ЭДС и токи. В результате взаимодействия встречно бегущих магнитных полей с токами ротора, ими индуктированными, создаются одинаковые по величине силы F₁ и F₂, направленные навстречу друг другу. Силы F₁ и F₂ фиксируют ротор ШЭД в положении, показанном на фиг.7.

Для начала шага ротора ШЭД в продольном направлении коммутирующее устройство отключает от источника питания последнюю фазную катушку продольного ряда (фиг.8). В этом случае магнитные поля, бегущие слева направо, создаются токами трех фазных катушек 4 и остаются, как и в предыдущем случае (фиг.7), круговыми. Магнитные поля, бегущие справа налево, создаются токами двух фазных катушек (B и C) и становятся эллиптическими. Силы F₁ и F₂ создаются при взаимодействии бегущих магнитных полей с токами, ими индуктированными в электропроводящей части ротора. При этом сила F₁ будет больше силы F₂, так как F₁ создается в результате взаимодействия кругового магнитного поля с токами ротора, а сила F₂ - в результате взаимодействия эллиптического бегущего магнитного поля с токами ротора. Под действием разности сил F₁-F₂ ротор начнет совершать шаг в продольном направлении, перемещаясь слева направо (фиг.8). Для завершения шага ротора и фиксации его в новом положении (фиг.9) коммутирующее устройство отключает от источника напряжения первую фазную катушку 4 и подключает к источнику напряжения последнюю фазную катушку ряда и фазную катушку, следующую за последней фазной катушкой первоначального продольного ряда. В этом случае токами фазных катушек снова будут созданы одинаковые бегущие навстречу друг другу круговые магнитные поля, пересекающие электропроводящую часть ротора и наводящие в ней ЭДС и токи. Силы F₁ и F₂, создаваемые при взаимодействии бегущих магнитных полей с токами, ими индуктированными в электропроводящей части ротора, снова становятся равными и фиксируют ротор в новом положении после совершения им шага в продольном направлении (фиг.9).

Управляющий блок коммутирующего устройства, фрагмент которого показан на фиг.10, управляет работой замыкающих контактов 8, которые подключают и отключают от трехфазного источника питания фазные катушки 4 для совершения ротором ШЭД шагов и фиксации его в новых положениях.

По сравнению с прототипом расширены функциональные возможности ШЭД за счет возможности реализации дополнительно шагов в продольном направлении.

Изобретение относится к электротехнике, точнее к шаговым электродвигателям, предназначенным для дискретных электроприводов. Технический результат состоит в обеспечении шагового и продольного перемещения гладкого ротора. Шаговый электродвигатель содержит статор, на внутренней расточке которого выполнены зубцы и пазы, чередующиеся по окружности и осевом направлении. На зубцах размещены фазные катушки, начала которых соединены с нулевым проводом источника питания, а концы фазных катушек подключены к коммутирующему устройству для подключения соответствующих фаз источника питания. Управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора пяти фазных катушек, образующих или дугообразный ряд, или продольный ряд, у которого до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз. Ротор шагового электродвигателя содержит электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра с прорезью по всей длине. 10 ил.

Шаговый электродвигатель, содержащий статор, на внутренней расточке которого выполнены чередующиеся по окружности зубцы и пазы, обмотка статора состоит из фазных катушек, размещенных на зубцах сердечника статора, ротор, включающий электропроводящую часть и выполненную в виде цилиндра с продольной прорезью, и коммутирующее устройство, причем фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы каждой фазной катушки соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения соответствующих фаз источника питания, причем управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора пяти фазных катушек, образующих дугообразный ряд, у которого до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения последней фазной катушки ряда и фазной катушки, следующей за последней фазной катушкой первоначального ряда, отличающийся тем, что статор имеет дополнительные зубцы и пазы, чередующиеся в осевом направлении, на дополнительных зубцах размещены дополнительные фазные катушки, причем начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы их соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения фаз источника питания, при этом управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора в осевом (продольном) направлении пяти фазных катушек, образующих продольный ряд, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора в продольном направлении - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - с возможностью отключения первой фазной катушки продольного ряда и подключения последней фазной катушки ряда и фазной катушки, следующей за последней фазной катушкой первоначального продольного ряда.