ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ
ELECTROMAGNETIC STEP PROPELLER

Изобретение относится к области физики и электроники и может быть использовано в качестве модели электромагнитного движителя типа сегнерова колеса, но без выброса наружу реактивных масс.
Известны шаговые двигатели, преобразующие электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала. С помощью электронного коммутатора вырабатываются импульсы напряжения, которые подаются на обмотки управления, расположенные на статоре шагового двигателя. Закон поворота ротора определяется последовательностью, скважностью и частотой управляющих импульсов, а также типом и конструктивными параметрами шагового двигателя [1]. В качестве электронных устройств управления в известных системах с шаговыми двигателями с переменной скоростью вращения вала используют последовательно соединенные генератор импульсов с регулируемой частотой, D-триггер и пару токовых ключей (усилителей мощности), соединенных входами с неинвертирующим и инвертирующим выходами указанного D-триггера, а выходами - с управляющими обмотками статора шагового двигателя. Прототипом заявляемого технического решения является указанное соединение электронных узлов.
Недостатком известного шагового двигателя является относительно большой шаг углового поворота вала при действии каждого импульса, вырабатываемого задающим генератором импульсов, что связано с числом и конструктивным расположением полюсов статора с их обмотками.
Указанный недостаток известных решений устранен в заявляемом устройстве.
Целями изобретения являются снижение шага углового поворота вала для каждого импульса управления, а также расширение функциональных возможностей активного элемента в составе заявляемого устройства.
Указанные цели достигаются в заявляемом электромагнитном шаговом движителе, содержащем последовательно соединенные генератор импульсов с регулируемой частотой, D-триггер и пару токовых ключей, входы которых подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему выходам D-триггера, отличающимся тем, что выходы токовых ключей соединены соответственно с обмотками электромагнитов первого и второго активных элементов, закрепленных на концах коромысла с осью его вращения, а первый и второй активные элементы одинаковой конструкции состоят из немагнитной трубки, внутри которой расположены жестко закрепленные между собой электромагнит и твердотельный звукопроводящий стержень, жестко закрепленный на одном конце немагнитной трубки, на другом конце которой жестко закреплена ферромагнитная пластина, расположенная от магнитных полюсов электромагнита с малым зазором, соизмеримым с удлинением твердотельного звукопроводящего стержня под действием магнитной силы электромагнита, обмотка которого соединена с соответствующим токовым ключом через соответствующую пару кольцевых контактов, установленных на оси вращения, причем первый и второй активные элементы закреплены к коромыслу так, что их ферромагнитные пластины располагаются по разным сторонам коромысла,
Достижение указанных целей объясняется возникновением неуравновешенной силы, действующей со стороны электромагнита на ферромагнитную пластину при подаче на его обмотку импульса тока с длительностью, равной времени задержки импульсного силового возбуждения в твердотельном звукопроводящем стержне, что создает разделение во времени импульса силы, перемещающего активный элемент в направлении действия магнитной силы, и импульса силы противодействия, останавливающего активный элемент, при условии равенства времени задержки импульсного силового возбуждения в твердотельном звукопроводящем стержне заданной длины и периода следования импульсов от генератора импульсов с регулируемой частотой. При этом первый и второй активные элементы работают попеременно с длительностями импульсов тока в обмотках их электромагнитов за счет использования в устройстве электронного управления D-триггера, на выходах которого образуются меандровые импульсные последовательности.
ИМП
1
2
Заявляемое устройство понятно из представленных чертежей. На фиг.1 показан вид сверху на устройство, на фиг.2 - вид сбоку с электронными элементами управления. На фиг.3 дана в разрезе конструкция активного элемента устройства. На фиг.4а дан график импульсов частоты F, образующихся на выходе генератора импульсов с регулируемой частотой, период следования которых равен Т. На фиг.4б и 4в приведены графики токов I и I в обмотках электромагнитов первого и второго активных элементов. На фиг.5 дан график линейных скоростей движения первого и второго активных элементов - разной толщины пунктирными линиями, и, следовательно, совместного движения последних по окружности для концов коромысла - сплошной линией.
На фиг.1 изображены:
1 - первый активный элемент,
2 - второй активный элемент,
3 - коромысло,
4 - ось вращения,
На фиг.2, кроме выше указанных, изображены следующие элементы и блоки:
5а и 5б - подшипники оси вращения 4,
6, 7 и 8 - кольца скользящих электрических контактов на оси вращения,
9 - генератор импульсов с регулируемой частотой,
10 - D-триггер,
11 - токовый ключ первого активного элемента 1,
12 - токовый ключ второго активного элемента 2.
На фиг.3 представлена конструкция активного элемента 1 (или 2) из элементов:
13 - твердотельного звукопроводящего стержня,
14 - концентрически-цилиндрического электромагнита,
15 - обмотки электромагнита,
16 - ферромагнитной пластины,
17 - немагнитной трубки, например, алюминиевой,
18 - изолирующей шайбы, закрепленной в немагнитной трубке 17,
19 - подшипника скольжения для стержня 13 вдоль его оси симметрии.
ИМП
На фиг.4а дан график периодической последовательности импульсов генератора импульсов с регулируемой частотой F=1/Т.
1
2
На фиг.4б и 4в - даны графики токов I и I в обмотках 15 электромагнитов 14 соответственно первого и второго активных элементов 1 и 2.
На фиг.5 тонкой пунктирной линией 20 дан график скорости первого активного элемента 1, толстой пунктирной линией 21 - график скорости второго активного элемента 2, а сплошной линией изображен график линейной скорости конца коромысла 3, являющийся суперпозицией первых двух графиков скоростей 20 и 21.
Рассмотрим действие заявляемого устройства,
ИМП
1
2
Импульсная последовательность (фиг.4а) с генератора импульсов с регулируемой частотой 9 поступает на счетный вход D-триггера 10, и на его неинвертирующем и инвертирующем выходах образуются импульсные меандры (со скважностью, равной двум) с половинной частотой F /2, Каждая из этих последовательностей открывает поочередно токовые ключи 11 и 12 (фиг.3) первого и второго активных элементов 1 и 2, что приводит к импульсному намагничиванию электромагнитов 14 токами I и I (фиг.4б и 4в) в их обмотках 15.
уск
уск
уск
торм
уск
зад
зад
зв
зв
зад
Сначала рассмотрим процесс микросмещений активных элементов 1 и 2 вдоль осей их симметрии при импульсно-магнитном возбуждении электромагнитов 14 указанными токовьми импульсами (фиг.3). Под действием импульса тока в обмотке электромагнита последний намагничивается и создает силу притяжения F ферромагнитной пластины 16 к полюсам электромагнита 14 (эта сила указана на фиг.3 стрелками) в течение всего времени действия импульса Т. Возникший импульс силы ускорения активного элемента массы m равен р= F·Т гасится импульсом торможения р = - р в соответствии с законом сохранения импульса, равным по величине и противоположным по направлению действия вектора. Однако действие импульсов ускорения и торможения происходит в разные интервалы времени Т, следующие друг за другом, если время задержки Δt в твердотельном звукопроводящем стержне 13 выбрано по условию Δt = L / V, где L - длина твердотельного звукопроводящего стержня, V - скорость распространения продольных колебаний (ударной волны) в материале стержня 13, так что выполняется Δt = Т.
уск
уск
0
0
уск
0
уск
2
Если рассматривать движение (в первом приближении, в отсутствие трения) только самого активного элемента 1 (или 2), то при действии импульса ускорения р = F·Т в силу равенства импульса силы количеству движения m·V в конце действия импульса ускорения получим конечную линейную скорость активного элемента V=р·Т/m, и при равноускоренном движении смещение активного элемента ΔS=V Т/2 = F·Т/2m.
имп
уск
имп
0
0
уск
зад
0
уск
зв
0
уск
зв
уск
зв
уск
2
2
2
2
2
Такой же сдвиг будет от действия второго активного элемента, следовательно, конец коромысла 3 будет непрерывно вращаться с линейной скоростью V* = ΔS F= (F·Т/2m)F=V; если пренебречь массой вращающегося коромысла 3 с осью вращения 4. При радиусе коромысла R его угловая скорость ω=V*/R=F·Т/2 m·R. При подстановке условия Δt = Т получим ω = F·L/2 m·R·V. Таким образом, угловая скорость ω оси вращения 4 пропорциональна магнитной силе F и длине L твердотельного звукопроводящего стержня 13 и обратно пропорциональна полной приведенной массе 2 m устройства (с дополнительным учетом иной присоединенной массы), радиусу R коромысла 3 и скорости V звуковой волны в материале твердотельного звукопроводящего стержня 13. Кинетическая энергия системы W=m (V*)=(F·L/2·V) /m = F ·Т/4 m.
зад
Интересно отметить, что масса твердотельного звукопроводящего стрежня 13 растет пропорционально его длине, то есть величине задержки Δt = Т, поэтому для увеличения кинетической энергии системы W целесообразно увеличивать длину L звукопровода, передающего ударную волну, образованную магнитным полем в электромагните 14.
уск
уск
уск
зв
уск
·
зад
зв
имп
зад
уск
уск
уск
0
0
2
2
11
2
3
11
-6
-5
3
6
-5
2
2
4
-10
-5
-5
6
Для увеличения магнитной ускоряющей силы F следует увеличить импульс тока в его обмотке и снизить зазор h (фиг.3) между полюсами электромагнита 14 и ферромагнитной пластиной 16, выполненной, например, из магнитомягкого железа с малой постоянной магнитной вязкости. Величина зазора h должна быть несколько большей величины удлинения твердого звукопроводящего стержня 13 с диаметром d и длиной L. По закону Гука удлинение круглого стержня под действием силы F электромагнита вычисляется по формуле ΔL=F L/Е·S, где E - модуль сдвига [Н/м], S=πd/4 - поперечное сечение круглого стержня. Так, для латунного стержня имеем Е=1,03·10 Н/м и скорость звуковой волны V=3,48·10 м/с при температуре 20°С. При диаметре стержня d=5 мм и его длине L=150 мм удлинение его ΔL под действием силы F=100 н будет равно ΔL=4·100·0,15/1,0310·3,14·25·10=0,742·10 м=7,42 мкм, следовательно, зазор h между ферромагнитной пластиной 16 и полюсами электромагнита 14 должен быть не менее 10 мкм, а соответствующие поверхности должны быть прекрасно отполированы и параллельны друг другу. Задержка Δt = Т = L / V=0,15/3,48·10=43,1 мкс, то есть частота следования импульсов F = 1/Т=10/43,1=23,2 кГц. Это значение частоты следования импульсов в генераторе импульсов с регулируемой частотой 9 (фиг.2) выбирают с учетом равенства Δt = Т и дополнительной задержки ударной волны в теле электромагнита 14. Можно считать, что это значение частоты будет иметь порядок 20 кГц (Т=5·10с). Тогда при F=100 Н и m=0,15 кг получим кинетическую энергию в системе W=F  Т/4 m=10·25·10 / 0,6=41,7 мкДж и линейную скорость конца коромысла 3, равную V* = F Т/2 m=100·5·10/0,3=16,7 мм/с. При радиусе коромысла R=0,25 м угловая скорость вращения вала 3 будет равна ω=V·/R=0,067 рад/с или 0,0107 об/с (один оборот вала за 93,74 с=1 мин 33,74 с). Следовательно, шаг угла поворота Δβ оси вращения 4, приходящийся на каждый импульс генератора импульсов с регулируемой частотой 9, составляет всего Δβ=ω Т=0,067·5·10=3,35 мкрад=192 микроградуса. Это на много порядков меньше шага всех известных шаговых двигателей. В данном случае полная окружность разбивается на 2 π/Δβ=1,875·10 частей, и с такой точностью можно выставить ось вращения 4, воздействовав на устройство заданным числом импульсов от генератора 9,
Активные элементы 1 и 2 могут быть установлены на легкую подвижную платформу параллельно друг другу одноименными концами в одном каком-либо направлении. При этом такая платформа сможет двигаться поступательно вдоль осей симметрии активных элементов, Для рассмотренного выше примера скорость такой платформы будет порядка 15 мм/с с учетом дополнительной массы платформы. Это свидетельствует о расширении функциональных возможностей заявляемого устройства. Соответственно изменяя параметры устройства, можно существенно влиять на скорость движения платформы. Поворот во время движения платформы осуществляется поворотом параллельно расположенных на ней активных элементов и соответствующим управлением углового положения колес платформы.
Возможность осуществления перемещения активного элемента (фиг.3) связана с разделением во времени действия импульсов ускорения и торможения массы активного элемента, то есть на неодновременности действия этих импульсов, прикладываемых к противоположным концам корпуса активного элемента (ферромагнитной пластины 16 и донной части немагнитной трубки 17, с которой жестко закреплен твердотельный звукопроводящий стержень 13). При работе устройства соблюдаются законы сохранения импульса и энергии, то есть не нарушаются фундаментальные законы физики.
Отметим, что в силу третьего закона Ньютона силы действия и противодействия, равные по величине и противоположные по направлению (что согласуется с законом сохранения импульса), рассматриваются в механической системе с идеальными связями, то есть без запаздывания одного импульса относительно другого. В рассматриваемой системе имеет место запаздывающая обратная связь: импульсы ускорения активного элемента и импульсы его торможения действуют в разные интервалы времени, что и вызывает движение активного элемента.
Литература
Справочник по средствам автоматики, под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. М.: Энергоатомиздат, с.360-361, фиг.10.39.