ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
STEPPER MOTOR

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);
1
2
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. M и М - 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.
ст1
ст2
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 F и F 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.
1
2
1
2
ст1
ст2
ст1
ст2
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 M, 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 М, созданному при взаимодействии эллиптических магнитных полей третьего и четвертого зубцов статора с токами, ими индуктированными в роторе, и направленному по часовой стрелке. Моменты M и М 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 F и F, действующие на ротор 5 (фиг.4). Так как центральные короткозамкнутые витки 9 всегда замкнуты, то усилия F и F (фиг.4) поперечной стабилизации уравновешивают друг друга при симметричном расположении ротора в поперечном направлении.
1
2
2
1
Для начала шага ротора 5 коммутирующее устройство 12 размыкает контакт 21 герконового реле (фиг.2 и фиг.6). В этом случае суммарный вращающий момент M будет больше суммарного вращающего момента М, т.к. момент М будет создаваться при взаимодействии эллиптического магнитного поля только одного третьего зубца с токами ротора, ими индуктированными. Момент M будет иметь ту же самую величину, что и ранее. Под действием разности моментов ротор начнет поворачиваться против часовой стрелки (фиг.2).
1
2
ст1
ст2
ст2
ст1
ст2
ст1
ст1
ст2
ст1
ст2
ст1
ст2
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 M и М снова становятся равными. В случае осевого (поперечного) смещения якоря 5 относительно статора шагового двигателя (фиг.5) нарушится равновесие усилий F и F. В этом случае усилия F станут меньше усилий F за счет того, что усилия F, создаваемые при взаимодействии эллиптического поля с вихревыми токами, протекающими в электропроводящей части 6 ротора, будут меньше усилий F, создаваемых при взаимодействии эллиптических полей (за счет короткозамкнутых витков 9) (фиг.5) с вихревыми токами ротора 5. Так как в последнем случае усилия F>F за счет того, что над неэкранированной частью зубцов 4 (фиг.5) будет располагаться большая часть поверхности (площади) электропроводящей части 6 ротора и эти усилия F, действующие от неэкранированных частей зубцов 4 к их экранированным частям, будут больше, чем усилия F (т.к. над экранированной частью зубцов 4 будет расположена меньшая площадь электропроводящей части 6 ротора). Под действием разности этих усилий ΣF-ΣF ротор вернется в прежнее положение, как это показано на фиг.4.
ст1
ст2
Усилия F и F 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.