ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в системах автоматического управления дискретным электроприводом.
Разработчик шагового двигателя преследует цель создать эффективную конструкцию, позволяющую получить конкурентные преимущества. Эффективность конструкции определяется рядом факторов - сложность конструкции, ее технологичность, трудоемкость юстировки, себестоимость, энергетическая эффективность, трудозатраты в эксплуатации. Рассмотрим с этих позиций известные технические решения.
Известны шаговые двигатели с ярко выраженными полюсами статора и ротора, в которых используется магнитное взаимодействие (патент RU 2365021 С1, опубл. 20.08.2009, патент RU 2443047 С1, опубл. 20.02.2012). В электродвигателе для часов (авт. свид. SU 815709, опубл. 23.03.1981) статор дополнительно содержит колебательное звено в виде упругой оболочки. Характерной особенностью шаговых двигателей с магнитным взаимодействием зубцов статора и ротора является низкая технологичность конструкций, которая обусловлена формой деталей и высокими требованиями по точности изготовления. Требования по точности изготовления вытекают от минимизации зазора между ротором и статором, который в значительной степени определяет крутящий момент. Существенные технологические трудности возникают при размещении электрических обмоток на полюсах статора. В рассматриваемых двигателях имеют место весомые по величине магнитные потоки рассеяния. Наличие этих потоков снижает коэффициент полезного действия, т.е. энергетическую эффективность двигателя. С ростом требуемой мощности (крутящего момента) существенно растут габариты шаговых двигателей.
Более высокий коэффициент полезного действия дает механическое преобразование (авт. свид. SU 611870, опубл. 25.06.1978). Представляет интерес техническое решение по патенту CN 102761230 A (FULAIYAO), опубл. 31.10.2012. В этом устройстве зубчатое колесо ротора управляется с помощью двух электромагнитных механизмов - один механизм привода на основе электромагнита 1 (поз. 1 сохранена по патенту), другой механизм фиксатора на основе поляризованного электромагнита 3. Передача движения якоря электромагнита фиксатора на наконечник 5 для взаимодействия с зубчатым колесом ротора осуществляется через специальный механизм (варианты). В этом устройстве имеется большое количество кинематических пар постоянного (Кулонова) трения. Каждая такая пара предполагает высокую точность изготовления и значительные трудозатраты в эксплуатации - чистка, замена смазки (с разборкой механизма).
В качестве прототипа принят шаговый двигатель по патенту на полезную модель RU 170078 U1 МПК Н02К 37/24, опубл. 13.04.2017, Бюл. №11. Шаговый двигатель содержит корпус, ротор в форме плоского зубчатого магнитопроводного колеса и статор, имеющий фиксатор в виде поляризованного электромагнита, закрепленного в перпендикулярной колесу ротора плоскости, в составе постоянного магнита, расположенного по осевой линии внутри катушки фиксатора и снабженного полюсными наконечниками, свободные торцы которых охватывают группу зубцов колеса ротора с образованием воздушных зазоров, а их торцовые сечения соответствуют профилю зубцов колеса ротора, и преобразователь электрической энергии в механическую в виде магнитострикционного стержня, расположенного по осевой линии внутри катушки преобразователя, один конец которого содержит толкатель, а другой закреплен неподвижно, при этом выводы катушек соединены с коммутирующим устройством, подключающим их к источнику напряжения. Основным недостатком рассматриваемого шагового двигателя являются его низкие потребительские свойства из-за отсутствия режима реверса.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение эффективности на всех этапах жизненного цикла шагового двигателя.
При этом решаются задачи:
1. Разработка конструкции шагового двигателя с минимальным количеством кинематических пар трения, обеспечивающей реверсивный режим работы с низкими требованиями по точности изготовления.
2. Реализация агрегатного (блочного) принципа конструирования, как залога высокой технологичности.
3. Обоснование принимаемых решений.
Указанный результат достигается тем, что шаговый двигатель, содержащий корпус, ротор в форме плоского зубчатого магнитопроводного колеса и статор, имеющий фиксатор в виде поляризованного электромагнита, закрепленного в перпендикулярной колесу ротора плоскости, в составе постоянного магнита, расположенного по осевой линии внутри катушки фиксатора и снабженного полюсными наконечниками, свободные торцы которых охватывают группу зубцов колеса ротора с образованием воздушных зазоров, а их торцовые сечения соответствуют профилю зубцов колеса ротора, и преобразователь электрической энергии в механическую в виде магнитострикционного стержня, расположенного по осевой линии внутри катушки преобразователя, один конец которого содержит толкатель, а другой закреплен неподвижно, при этом выводы катушек соединены с коммутирующим устройством, подключающим их к источнику напряжения, снабжен кулисным механизмом в составе упрогоподвешенного качающегося рычага, который соединен с толкателем преобразователя электрической энергии в механическую с нормальноразомкнутыми электрическими контактами в его крайних положениях, а по продольной осевой линии на качающемся рычаге установлен подвижный ползун с двумя штифтами, один из которых размещен в эллипсообразном пазу корпуса, а другой установлен с возможностью взаимодействия с зубцами колеса ротора, при этом зубцы колеса ротора выполнены треугольной формы. В шаговом двигателе коммутирующее устройство содержит блок питания, тумблер управления на три положения - среднее положение - О, одно крайнее положение - вращение против часовой стрелки - ПЧ, другое крайнее положение - вращение по часовой стрелке - ЧС, имеющий четыре переключающих и два нормальноразомкнутых контакта с образованием шины сброса, триггер начального положения с двухходовым дизъюнктором сброса, первый вход которого соединен с контактом конечного положения, триггер конечного положения с двухходовым дизьюнктором установки, первый вход которого соединен с контактом начального положения, триггер цикла, коньюктор входа, первый вход которого является входом коммутирующего устройства, а второй соединен с единичным выходом триггера цикла, выход коньюнктора входа связан с общей точкой первого переключающего контакта и входом сброса триггера цикла, при этом вторые входы дизьюнктеров подключены к шине сброса, двухходовой коньюнктор ключа преобразователя, выход которого соединен с катушкой преобразователя, его первый вход связан с общей точкой второго переключающего контакта, а второй вход - с блоком питания, двухходовой коньюнктор ключа фиксатора, выход которого соединен с катушкой фиксатора, его первый вход связан с общей точкой третьего переключающего контакта, а второй вход - с блоком питания, двухходовой коньюнктор вращения ПЧ, выход которого соединен с входом ПЧ третьего переключающего контакта, его первый вход подключен к инверсному выходу триггера начального положения, двухходовой коньюнктор вращения ЧС, выход которого соединен с входом ЧС третьего переключающего контакта, его первый вход подключен к единичному выходу триггера конечного положения, а вторые входы последних двух коньюнкторов соединены с инверсным выходом триггера цикла, вход ПЧ четвертого переключающего контакта связан с контактном начального положения, вход ЧС - с контактом конечного положения, а общая точка подключена к входу установки триггера цикла, при этом контакт ПЧ первого переключающего контакта соединен с входом установки триггера начального положения, а его контакт ЧС - с входом сброса триггера конечного положения.
Устройство предлагаемого шагового двигателя поясняется чертежами:
Фиг. 1. Кинематическая схема
Фиг. 2. Вид сбоку
Фиг. 3. Вид А (по фиг. 2) на статор. Условно наложены элементы контура колеса ротора
Фиг. 4. Выноска Б по фиг. 3
Фиг. 5. Форма элементов кулисы
Фиг. 6. Расчетная схема
Фиг. 7. Эпюры напряжений
Фиг. 8. Функциональная схема коммутирующего устройства
Принятые обозначения
1. Основание корпуса
2. Плита статора
3. Зубчатое колесо ротора
4. Вал ротора
5. Кронштейн ротора
6. Подшипник ротора
7, 8. Крышки подшипника
9, 10. Винты крышек
11. Преобразователь электрической энергии в механическую
12. Стержень из магнитострикционного материала
13. Каркас катушки преобразователя
14. Катушка преобразователя
15. Втулка заделки стержня 12
16. Винты втулки 15
17. Винт с гайкой крепления толкателя
18. Толкатель
19. Разрезная чашеобразная втулка
20. Поводок толкателя
21. Электроизоляционный штифт поводка 20
22. Винте центральным отверстием
22'. Стопорный винт крепления толкателя на бобышке
23. Винты крепления фиксатора
24. Каркас катушки фиксатора
25. Катушка фиксатора
26. Постоянный магнит
27, 28. Полюсные наконечники фиксатора
29. Рычаг (качающийся) кулисного механизма
30. Накладка качающегося рычага
31. Винты накладки 30
32. Бобышка
33. Плоская пружина подвеса рычага 29
34. Накладка пружины 33 на бобышке
35. Винты накладки 34
36. Накладка пружины 3 на основании 1 корпуса
37. Винты накладки 36
38. Подвижный ползун рычага 29
39. Штифт ползуна для взаимодействия с пазом
40. Штифт ползуна для взаимодействия с зубцами колеса ротора
41. Пуклевки на плоскости рычага 29
42. Электроизоляционная колодка контактных групп
43. Электроконтакт начального положения рычага
44. Электроконтакт конечного положения рычага
45. Профильный кронштейн
46. Паз кронштейна 45
47. Винты кронштейна 45
48. Триггер начального положения
49. Триггер конечного положения
50. Триггер цикла
51. Коньюнктор входа
52. Коньюнктор ключа преобразователя
53. Коньюнктор ключа фиксатора
54. Коньюнктор вращения ПЧ
55. Коньюнктор вращения ЧС
56. Дизъюнктор сброса триггера начального положения
57. Дизъюнктор установки триггера конечного положения
58. Блок питания
Элементы шагового двигателя смонтированы в корпусе, составленном из основания 1 и плиты статора 2.
Ротор двигателя представляет собой плоское магнитопроводное колесо 3 с зубцами треугольной формы, которое посажено на вал 4 посредством завальцовки. Вал установлен в кронштейне 5 с помощью двухрядного шарикоподшипника 6, последний фиксируется крышками 7, 8 с винтами 9, 10.
Статор содержит преобразователь электрической энергии в механическую 11, который выполнен на основе магнитострикционного стержня 12 с положительным коэффициентом магнитострикции. Стержень с зазором помещен в отверстие каркаса 13 электрической катушки 14. Один конец стержня жестко закреплен, например, с помощью клея, во стулке 15, которая винтами 16 крепится к каркасу 13. На консольном конце стержня 12 с помощью соединения винт-гайка 17 закреплена сборочная единица толкатель. Эта сборочная единица содержит собственно толкатель 18 в виде гибкой проволоки, например из закаленной стали, на одном конце которой посредством пайки твердым припоем закреплены разрезная чашеобразная втулка 19 и плоский поводок 20 с электроизоляционным штифтом 21 на консольном конце. Другой конец толкателя 18 предназначен для соединения с кулисным механизмом. Его выполняют следующим образом. Предварительно на толкатель надевают винт 22 с центральным отверстием, затем конец толкателя 18 оплавляют, формируя каплю примерно сферической формы. Фиксируют толкатель на бобышке кулисного механизма стопорным винтом 22'.
На плите 2 статора винтами 23 закреплен фиксатор. На каркасе 24 размещена катушка 25, в центральном отверстии каркаса установлен постоянный магнит 26 осевой намагниченности. На концы постоянного магнита посажены полюсные наконечники 27, 28 из магнитопроводного материала. Полюсные наконечники охватывают ряд зубцов ротора и их торцовые сечения соответствуют форме зубцов. Магнитный поток замыкается через магнитопроводное колесо ротора и двойной зазор с торцами полюсных наконечников.
Намагничивающая сила от постоянного магнита 15 фиксатора равна
c
где H - коэрцитивная сила;
26
l - рабочая длина магнита.
Без учета потоков рассеяния магнитный поток фиксатора составит
где
- магнитное сопротивление фиксатора;
i=4 - количество магнитопроводных участков (два полюсных наконечника, постоянный магнит, колесоротора);
мi
мi
l, S - длины и сечения магнитопроводных участков;
в
в
l, S - суммарный воздушный зазор и сечение воздушного промежутка;
а
0
μ=μμ - абсолютная магнитная проницаемость.
H
x
В предлагаемой конструкции шагового двигателя сечения торцов полюсных наконечников по двум сторонам повторяют форму зуба колеса ротора, а по третьей стороне выполнены по дуге окружности радиуса r эквидистантной окружности впадин r зубчатой зоны колеса ротора
В исходном положении сечения торцов полюсных наконечников находятся напротив соответствующих зубьев колеса ротора. При этом присутствует максимальная сила фиксации
где
X
N - число зубцов колеса;
x
d - толщина колеса.
ф
Эта сила приложена к центру тяжести сечения, т.е. на расстоянии r от оси вращения
С учетом двух зазоров момент фиксации колеса ротора составит
во
где S - площадь сечения торца магнитного наконечника;
вi
S - текущее значение площади перекрытия торца магнитного наконечника зубом колеса ротора.
Функцию преобразования линейного перемещения толкателя во вращательное движение ротора выполняет кулисный механизм. Имеется рычаг 29, который с помощью накладки 30 и винтов 31 закреплен на бобышке 32. Шарнир рычага выполнен в виде упругого подвеса на основе плоской пружины 33, которая одним концом с помощью накладки 34 и винтов 35 закреплена на бобышке 32, а с помощью накладки 36 и винтов 37 - на основании 1 корпуса. Плоскости пружины 33 и рычага 29 развернуты на 90°, поэтому рычаг может совершать качательное движение в параллельной колесу ротора плоскости. На рычаге по его осевой линии установлен подвижный ползун 38 с двумя штифтами 39 и 40. Формы рычага и ползуна показаны на фиг. 5. Рычаг изготавливается гибочной операцией из тонколистовой заготовки, после чего ребра шлифуются обеспечивая их параллельность. На плоскости рычага выполняют сферические пуклевки 41, за счет которых снижается трение с ползуном.
Из соображений наглядности на фиг. 3 рычаг изображен в промежуточном положении. При обесточенном преобразователе рычаг находится в правом отклоненном положении (здесь и далее ориентация чертежа). Для индикации положения предусмотрена контактная группа из двух нормальноразомкнутых контактов. Элементы контактных групп выполнены по типу релейных и закреплены на электроизоляционной колодке 42. В начальном положении штифтом 21 поводка 20 замкнут контакт 43, а в другом (конечном) положении замкнут контакт 44.
К кулисному механизму относится кронштейн 45, на котором выполнен глухой эллипсообразный паз 46. Кронштейн закреплен на плите 2 винтами 47. При сборке в паз 46 помещается штифт 39 ползуна 38. Учитывая кинематику механизма, зазор между штифтом 39 и стенками паза 46 может быть достаточно большим.
Работает кулисный механизм следующим образом. При обесточенном шаговом двигателе качающийся рычаг 29 находится в начальном положении - правое по фиг. 6. Номинальное положение штифта 39 обозначено 1'. В момент подачи электропитания на катушку 14 появляется ее магнитное поле, под действием которого магнитострикционный стержень 12 получает удлинение и толкатель 18 поворачивает рычаг 29. После выборки зазора штифт 39 коснется внутренней поверхности эллипсообразного паза 46 - положение 2'. Сила взаимодействия направлена по нормали n-n, составляющая этой силы приложена к штифту 39 вниз по рычагу. Но штифт закреплен на подвижном ползуне, поэтому штифт будет продолжать движение, смещая ползун вдоль по рычагу вниз. Начиная с положения 3', штифт переходит на восходящий участок паза и ползун меняет направление - начинает движение вверх. В конечном положении 4' скорость V штифта направлена вверх, соответственно составляющая этой скорости вверх по рычагу 29, при этом ползун набрал кинетическую энергию. Если в этот момент времени отключить ток в катушке 14 преобразователя, то стержень 12 начнет сокращаться, а штифт перейдет на верхнюю часть траектории. В положении 5' штифт вместе с ползуном меняют направление движения и возвращаются в начальное положение 1', соответственно рычаг 29 занял начальное положение. Цикл работы кулисного механизма завершен.
Второй вариант цикла - движение рычага 29 от конечного положения 4'. Предварительно под действием преобразователя 11 рычаг переводится в конечное положение, а штифт 39, как было описано выше проходит путь 1'-4'. В этот момент времени все элементы кинематической цепи неподвижны. Если теперь отключить электропитание преобразователя 11, то штифт 39 выбрав зазор в пазу 46, аналогично началу движения от положения 1', перейдет на нижнюю траекторию и в момент возврата рычага в начальное положение 1', также как в предыдущем цикле, будет иметь вектор скорости вверх. Если в этот момент времени включить электропитание преобразователя 11, то рычаг начнет поворачиваться влево, а штифт перемещаться по траектории 1'-5'-4'. Таким образом, по второму варианту цикла штифт от начала движения проходит замкнутую траекторию в обратном направлении.
Рассмотрим взаимодействие штифта 40 с зубцами колеса ротора. На фиг. 6 зубцы показаны сплошной линией. Пусть кулисный механизм реализует первый вариант цикла. В исходном положении колесо 3 ротора неподвижно и удерживается моментом фиксации, а рычаг 29 занимает правое начальное положение, что соответствует положению 1'' штифта 40. Траектория движения штифта 40 подобна траектории штифта 39. По первому циклу штифт 40 проходит путь 1''-2''-3''-4'' свободно. В положении 4'' штифт встречает зуб колеса 3. С этого момента начинается поворот колеса против часовой стрелки. Взаимодействие заканчивается в положении 5'', участок 5''-1'' штифт снова проходит свободно. В положении 5'' зуб колеса, находящийся во взаимодействии со штифтом 40, занял положение, обозначенное на фиг. 6 пунктиром. К этому моменту времени ротор набрал определенную угловую скорость. Следовательно, оставшийся до полного углового шага зубцовой зоны колеса 3 ротор, пройдет за счет полученной кинетической энергии. Для снижения ударного импульса в момент 4'' на время движения на участке 3''-1'' момент фиксации следует исключить (включив электропитание на катушке 25 фиксатора).
По второму варианту цикла кулисного механизма рычаг 29 в качестве исходного занимает конечное (левое) положение, что соответствует положению 3'' штифта 40. На первом полуцикле штифт 40 пройдет свободно участок 3''-2''-6''. Начиная с момента 6'', штифт начнет поворачивать колесо 3 по часовой стрелке. Цикл завершается в положении 3''. На рабочем участке 1''-7''-3'' также необходимо снять момент фиксации.
Реализацию пошагового вращения ротора обеспечивает коммутирующее устройство - фиг. 8. Функциональная схема коммутирующего устройства построена на трех асинхронных RS триггерах:
48 - начального положения;
49 - конечного положения;
50 - цикла;
на пяти конъюнкторах:
51 - входа;
52 - ключа преобразователя;
53 - ключа фиксатора;
54 - вращения ПЧ;
55 - вращения ЧС;
двух дизъюнкторах:
56 - сброса триггера начального положения;
57 - установки триггера конечного положения.
Управление коммутирующим устройством осуществляется тумблером управления натри положения:
О - среднее положение;
ПЧ - вращение против часовой стрелки;
ЧС - вращение по часовой стрелке.
Тумблер управления имеет четыре перекидных (переключающих) контакта П1…П4 и два нормальнозамкнутых - для положений ПЧ и ЧС.
Управляющими сигналами являются:
н
короткий импульс входа, который может быть создан генератором импульсов G или кнопкой К;
импульсы фронта питания Е микросхем при замыкании контактов:
замыкание контакта 43 - импульс Н;
замыкание контакта 44 - импульс К;
замыкание нормальноразомкнутых контактов тумблера управления - импульс С.
Работа коммутирующего устройства.
В положении тумблера управления О шаговый двигатель обесточен, рычаг 29 находится в крайнем правом положении.
o
При перебросе тумблера управления в положение ПЧ включается электропитание, фронтом питания через нормальноразомкнутый контакт тумблера (импульс С) триггер 48 начального положения устанавливается в нулевое состояние, а импульсом Н триггер 50 цикла в единичное. По эпюре напряжений фиг. 7-а это момент времени t
1
вх
п
п
2
ф
4
вх
В некоторый момент времени t на вход конъюнктора входа 51 подают импульс шага U. Этот импульс переводит триггер 48 начального положения в единичное состояние, что приводит к появлению логической единицы на входе конъюнктора 52 ключа преобразователя и катушка 14 (W) преобразователя запитывается напряжением U блока питания. Магнитострикционный стержень 12 получает удлинение и рычаг 29 поворачивается. При достижении конечного положения (момент времени t) импульс К опрокидывает триггер 48 в исходное положение - отключается катушка 14 преобразователя и включается катушка 25 (W) фиксатора. Рычаг начинает поворачиваться к начальному положению, при достижении которого импульсом Н триггер 50 цикла устанавливается в единичное состояние, что приводит к закрытию конъюнктора 54 вращения ПЧ и катушка 25 фиксатора обесточивается. Цикл отработки поворота ротора на один шаг зубцовой зоны колеса 3 завершен. Коммутирующее устройство готово к поступлению в момент времени t очередного входного импульса U.
0
вх
1
2
2
3
4
вх
При перебросе тумблера управления в положение ЧС - момент времени t - см. эпюры б) по фиг. 7, перекидным контактом П2 подключается электропитание на катушку 14 преобразователя и рычаг 29 занимает конечное положение. Импульсом сброса триггер 49 конечного положения устанавливается в единичное состояние, триггер 50 импульсом Н также в единичное состояние. При поступлении входного импульса U в момент времени t оба триггера сбрасываются, сброс триггера 49 конечного положения приводит к закрытию конъюнктора 52 ключа преобразователя и катушка 14 обесточивается. Рычаг 29 поворачивается к начальному положению, штифт 40 проходит участок траектории по нижнему полуэллипсу. При достижении начального положения - момент времени t - импульсом Н триггер 49 возвращается в единичное состояние, при этом триггер 49 открывает конъюнктор 52, это приводит к запитыванию катушки 14 преобразователя, одновременно конъюнктор 55 обеспечивает подключение катушки 25 фиксатора. Начиная с момента времени t рычаг 29 вращается к конечному положению, штифт 40 движется по траектории верхнего полуэллипса. На этом участке траектории штифт 40 поворачивает за зуб колесо 3 ротора на один шаг по часовой стрелке. При достижении рычагом конечного положения (момент времени t) срабатывает контакт 44 и импульсом К триггер 50 цикла возвращается в единичное состояние. Коммутирующее устройство готово в произвольный момент времени t к приему очередного входного (шагового) импульса U.
Пользуются шаговым двигателем следующим образом. Тумблером «Сеть» на блоке питания 58 подключаются к силовой сети.
Выбирают источник входного (пошагового) сигнала - либо генератор импульсов, либо кнопку - и подключают его к входному гнезду коммутирующего устройства. Выбирают необходимое направление вращения ротора и переводят тумблер управления из среднего положения О либо в положение ПЧ - вращение против часовой стрелки - либо в положение ЧС - вращение по часовой стрелке. При поступлении входного импульса шаговый двигатель отрабатывает один цикл и поворачивает ротор на один шаг. Заметим, что цепь обратной связи: единичный выход триггера 50 цикла - вход конъюнктора 51 входа блокирует случайный входной импульс на время цикла двигателя.
Таким образом, предлагаемый реверсивный шаговый двигатель обладает высокой эффективностью. Конструкция достаточно проста, содержит минимальное количество кинематических пар трения, что реализует малую трудоемкость в эксплуатации. Блочное положение, наряду с низкими требованиями по точности изготовления, предполагает высокую технологичность. Малые магнитные потоки рассеяния и оригинальная кинематика обеспечивают высокий коэффициент полезного действия, т.е. энергетическую эффективность. Шаговый двигатель имеет блокировку, исключающую сбой в его работе.