СФЕРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ РОТОРА

Полезная модель относится к области электрических машин, конкретнее к области многокоординатных электрических двигателей, которые могут применяться в качестве приводов мехатронных протезов суставов, манипуляторах, приводах для инструмента.
Известен магнитосферический гироскоп, предназначенный для использования в качестве двухосного инерциального блока. Гироскоп содержит сферический ротор, двухкоординатные датчики угла и момента, верхний и нижний статоры подвеса ротора с электромагнитными обмотками, резонансные конденсаторы и диодные демпфирующие мосты. Мосты последовательно соединены с электромагнитными обмотками. Гироскоп дополнительно содержит блок выработки составляющих ускорения и электродвигатель. Сферический ротор снабжен токопроводящим пояском. В диагонали диодных демпфирующих мостов включены корректирующие контуры. Блок выработки составляющих ускорения включает сумматоры и усилители-преобразователи. Входы сумматоров подключены параллельно входам корректирующих контуров попарно для каждой из четырех осей подвеса ротора. Входы первого усилителя-преобразователя соединены с выходами первого и третьего сумматоров, входы второго усилителя-преобразователя с выходами второго и четвертого сумматоров, выходы третьего усилителя-преобразователя с выходами всех четырех сумматоров [патент РФ №2126135, G01C 19/24, 10.02.1999].
Недостатками аналога являются высокая масса, возможность применения устройства только в отслеживающих системах, невозможность придания движения сферическому ротору за счет внешнего магнитного поля, невысокая надежность за счет применения сложной многокомпонентной системы управления.
Известен многокоординатный шаговый электродвигатель, содержащий неподвижный плоский зубчатый индуктор и подвижные якоря с зубчатыми магнитопроводами и фазными обмотками управления, укрепленные в общем корпусе с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости индуктора, якоря которого снабжены двумя группами магнитопроводов, симметрично расположенных относительно осей вращения якорей, причем направления нарезки зубцовых групп магнитопроводов взаимно перпендикулярны [патент СССР №1119131, H02K 41/02, 24.07.1983].
Недостатками аналога являются высокие массогабаритные показатели за счет применения двух групп магнитопроводов, невозможность обеспечения плавного перемещения ротора, сложность производства и сборки.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является асинхронный электродвигатель со сферическим полым короткозамкнутым ротором, содержащий корпус, гладкий полый сферический ротор с покрытием и бесконтактным подвесом, дуговые статоры по трем координатам с трехфазными обмотками возбуждения. Дополнительно введены датчики момента, источники света, сравнивающие элементы, задатчики момента, расширяющие элементы, источники питания и световоды, выходы которых обращены к поверхности ротора, а входы соединены с источниками света. Статоры двигателя крепятся к корпусу через датчики момента, выходы которых соединены с первыми входами сравнивающих элементов, вторые входы которых связаны с задатчиками моментов, а выходы регулирующих элементов связаны с источниками света. Использование в асинхронном двигателе фоторезистивного покрытия ротора, источников света, световодов, расположенных в межпакетных пространствах дуговых статоров, позволяет расширить применение двигателя путем регулирования частоты вращения изменением активного сопротивления активного короткозамкнутого ротора.
Недостатком ближайшего аналога являются высокие массогабаритные показатели за счет наличия дуговых статоров по трем координатам, невысокая надежность и невысокое быстродействие за счет применения сложной многокомпонентной системы управления.
Задача полезной модели - снижение массогабаритных показателей электродвигателя со сферическим ротором, за счет применения постоянных магнитов на роторе.
Технический результат предлагаемого сферического электродвигателя с системой управления и контроля ротора - повышение быстродействия электродвигателя со сферическим ротором.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что сферический электродвигатель, содержащий сферический ротор и фазные обмотки, в отличие от прототипа содержит постоянные магниты ротора, постоянный кольцевой магнит, крепления для постоянного кольцевого магнита, каркас, датчики положения ротора и систему управления и контроля положения ротора.
Сущность устройства поясняется чертежами, на которых представлен сферический электродвигатель с системой управления и контроля положения ротора. На фиг. 1 представлен общий вид сферического электродвигателя с системой управления и контроля ротора. На фиг. 2 представлена схема намагниченности постоянных магнитов ротора. На фиг. 3 представлено расположение датчиков положения ротора. На фиг. 4 представлена блок-схема системы управления и контроля положения ротора.
Сферический электродвигатель с системой управления и контроля положения ротора состоит из ротора 1, постоянных магнитов 2, механически прикрепленных к ротору 1, постоянного кольцевого магнита 3, трех креплений для постоянного кольцевого магнита 4, трех каркасов электромагнитов 5, механически соединенных с постоянным кольцевым магнитом 3 посредством креплений для постоянного кольцевого магнита 4, трех фазных обмоток 6, механически закрепленных на трех каркасах электромагнитов 5, каркаса 7, механически прикрепленного к трем каркасам электромагнитов 5, трех датчиков положения ротора 8, механически прикрепленных к креплениям для постоянного кольцевого магнита 4, системы управления и контроля положения ротора 9, электрически соединенной с трехфазными обмотками 6 и датчиками положения ротора 8 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3). Система управления и контроля положения ротора в свою очередь состоит из шунтов 10, преобразователя напряжения 11, драйвера микроконтроллера 12, микроконтроллера 13, трех силовых частей 14, усилителей сигналов от датчиков положения ротора 15, драйверов силовой части 16, усилителей сигналов 17, электрически связанных между собой (фиг. 4).
Ротор 1 механически соединен с шестью постоянными магнитами 2. Ротор 1 выполнен из немагнитопроводящего материала. Пары постоянных магнитов 2, расположенные диаметрально противоположно друг другу, намагничены как показано на фиг. 2 (слева - вид спереди; справа - вид сзади). Постоянный кольцевой магнит 3 механически соединен с тремя каркасами электромагнитов 5 посредством трех креплений для постоянного кольцевого магнита 4. На каждом из трех каркасов электромагнитов 5 механически закреплены три фазные обмотки 6. Крепления для постоянного кольцевого магнита 4 выполнены из немагнитопроводящего материала. Каркасы электромагнитов 5 выполнены из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 5 и закрепленные на каждом из них фазные обмотки 6 находятся в защитном корпусе из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 5 с закрепленными на каждом из них фазными обмотками 6 механически прикреплены к каркасу 7. Каркас 7 выполнен из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 5 с закрепленными на каждом из них фазными обмотками 6 расположены в вершинах правильного треугольника, вписанного в наружную окружность постоянного кольцевого магнита 3. Три датчика положения ротора 8 механически прикреплены к креплениям для постоянного кольцевого магнита 4. Датчики положения ротора 8 расположены в вершинах правильного треугольника, вписанного в наружную окружность постоянного кольцевого магнита 3. Три фазные обмотки 6 и три датчика положения ротора 8 электрически связаны с системой управления и контроля положения ротора 9. Система управления и контроля положения ротора содержит в себе три симметричные части, каждая из которых включает в себя одну из трех фазных обмоток 6 и один датчик положения ротора 8. С каждой из трех фазных обмоток 6 электрически соединен шунт 10. Три фазные обмотки 6 электрически соединены с преобразователем напряжения 11. Драйвер микроконтроллера 12 электрически соединен с микроконтроллером 13. Каждая из трех силовых частей 14 электрически соединена с одной из трех фазных обмоток 6. Каждый из датчиков положения ротора 8 электрически соединен с одним из усилителей сигналов от датчиков положения ротора 15. Каждая из силовых частей 14 электрически соединена с одним из драйверов силовой части 16. Каждый из трех шунтов 10 электрически соединен с одним из усилителей 17. Усилители сигналов от датчиков положения ротора 15, драйверы силовых частей 16 и усилители 17 электрически соединены с микроконтроллером 13.
Сферический электродвигатель с системой управления и контроля положения ротора функционирует следующим образом. Между постоянным кольцевым магнитом 3 и постоянным магнитами 2 ротора 1 есть постоянная составляющая магнитного поля, за счет которой ротор 1 с постоянными магнитами 2 не притягивается к постоянному кольцевому магниту 3. Постоянная составляющая магнитного поля между постоянным магнитами 2 и постоянным кольцевым магнитом 3 участвует в образовании общего магнитного поля, за счет которого ротор 1 с постоянными магнитами 2 левитирует над постоянным кольцевым магнитом 3. На три фазные обмотки 6 подается постоянное напряжение через преобразователь напряжения 11. Преобразователь напряжения 11 преобразует переменное напряжение, получаемое от сети, в постоянное напряжение для питания трех фазных обмоток 6. В результате этого образуется магнитное поле от трех фазных обмоток 6, которое взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов 2 ротора 1. Магнитное поле от трех фазных обмоток 6 является стабилизирующим полем. В результате суммарного воздействия магнитного поля постоянного кольцевого магнита 3 и магнитного поля от трех фазных обмоток 6 на постоянные магниты 2 ротора 1 ротор 1 с постоянными магнитами 2 левитирует над постоянным кольцевым магнитом статора 3. Шунтами 10 совместно с микроконтроллером 13 измеряется ток трех фазных обмоток 6. Драйвер микроконтроллера 12 создает сигнал для работы микроконтроллера 13 от сети. Питание подводится отдельно к преобразователю напряжения 11, отдельно к драйверу микроконтроллера 12, микроконтроллеру 13 и драйверам силовой части 16, отдельно к датчикам положения ротора 8. При отклонении ротора 1 с постоянными магнитами 2 от устойчивого положения левитации изменяется сигнал от датчиков положения ротора 8, который усиливается усилителями сигналов от датчиков положения ротора 15 и поступает на микроконтроллер 13. В случае нахождения ротора 1 с постоянными магнитами 2 в устойчивом положении левитации от трех датчиков положения ротора 8 поступают одинаковые сигналы на микроконтроллер 13. Если на микроконтроллер 8 поступают различные сигналы от трех датчиков положения ротора 8, то микроконтроллер формирует сигнал управления, который поступает на драйвер силовой части 16. Драйвер силовой части 16 преобразует сигнал управления от микроконтроллера в электрическое воздействие, которое подается на силовую часть 14. Под электрическими воздействиями от драйвера силовой части 16 срабатывают транзисторы в силовых частях 14, за счет чего изменяется ток одной или нескольких фазных обмотках 6. Токи в трех фазных обмотках 6 при этом регулярно измеряются посредством шунтов 10, сигнал от которых усиливается в усилителях 17 и поступает для обработки на микроконтроллер 13. Таким образом, формируются необходимые для устойчивой левитации ротора 1 и постоянных магнитов 2 над постоянным кольцевым 3. При этом сигналы от датчиков положения ротора 3 становятся одинаковыми, что регистрируется микроконтроллером 13. Измерение токов трех фазных обмоток 6 также отвечает за энергоэффективность сферического электродвигателя с системой управления и контроля положения ротора, так как микроконтроллер 13 не позволяет протекать токам через три фазные обмотки 6, которые по значению больше чем необходимые для обеспечения левитации ротора 1 и постоянных магнитов 2 токов трех фазных обмоток 6. После того, как ротор 1 с постоянными магнитами 2 принял устойчивое положение левитации над постоянным кольцевым магнитом 3, система управления и контроля положения ротора 9 отвечает за необходимые плавные перемещения ротора 1 с постоянными магнитами 2. Отклонение ротора 1 с постоянными магнитами 2 от текущего положения в необходимое осуществляется следующим образом. От датчиков положения ротора 8 на микроконтроллер 13 подается информация о текущем положении ротора 1 с постоянными магнитами 2. Информация о текущем положении ротора 1 с постоянными магнитами 2 сравнивается с необходимым положением ротора 1. Если необходимое положение ротора 1 с постоянными магнитами 2 отличается от текущего положения ротора 1 с постоянными магнитами 2, то микроконтроллером 13 формируется сигнал управления, который поступает на необходимый или необходимые драйверы силовых частей 16. Выбор необходимого или необходимых драйверов силовых частей 16 осуществляется посредством микроконтроллера 13 в зависимости от того, в каком направлении необходимо осуществить плавное перемещение ротора 1 с постоянными магнитами 2. Необходимым или необходимыми драйверами силовых частей управляющий сигнал от микроконтроллера 13 преобразуется в электрическое воздействие, которое воспринимается необходимой или необходимыми силовыми частями 14 для формирования магнитного поля необходимой или необходимых фазных обмоток 6 таким образом, чтобы осуществить необходимое перемещение ротора 1 с постоянными магнитами 2. При этом микроконтроллером 13 также контролируются токи трех фазных обмоток 6 посредством шунтов 10. Перемещение ротора 1 с постоянными магнитами 2 осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей, необходимой или необходимых фазных обмоток 6 с магнитными полями постоянных магнитов 2. Постоянные магниты 2 ротора 1 намагничены таким образом, что при взаимодействии магнитных полей необходимой или необходимых фазных обмоток 6 создается магнитная сила, перемещающая ротор 1 с постоянными магнитами 2 из текущего положения в необходимое положение. После того, как от датчиков положения ротора 8 на микроконтроллер поступили сигналы, соответствующие необходимому положению ротора 1 с постоянными магнитами 2, микроконтроллер подает сигнал управления на драйверы силовых частей 16, который преобразуется в электрические воздействия на силовые 14, такие, что магнитное поле фазных обмоток 6 формируется таким образом, что ротор 1 с постоянными магнитами 2 фиксируется в необходимом положении. Ротор 1 с постоянными магнитами 2 стабилизируется в устойчивом положении левитации над постоянным кольцевым магнитом 3 после совершения необходимого перемещения.
Заявляемая полезная модель позволяет повысить быстродействие электродвигателя со сферическим ротором. Кроме того, заявляемая полезная модель позволяет снизить массу и габариты электродвигателя со сферическим ротором за счет применения постоянных магнитов на роторе и цифровой системы управления и контроля положения ротора.