ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
STEPPING MOTOR

Изобретение относится к области электротехники, а точнее - к шаговым электродвигателям, предназначенным для использования в дискретных электроприводах.
Известен шаговый электродвигатель, содержащий статор с обмотками, расположенными на его зубцах, ротор, включающий электропроводящую часть, и коммутирующее устройство (см., например, а.с. 907716, СССР МПК Н02К 37/00, 1982 г.; пат. Японии №60-279572 МПК Н02К 37/00, 1985 г.).
Недостатком данных шаговых электродвигателей является отсутствие магнитного подвешивания роторов в их собственном магнитном поле.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является шаговый электродвигатель (ШД), содержащий статор с обмоткой, состоящей из фазных катушек, расположенных на его зубцах, ротор, включающий электропроводящую часть, и коммутирующее устройство, фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, при этом 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 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, следующей за последней фазной катушкой первоначального ряда, причем ротор содержит диаметральную прорезь, заполненную изолирующим веществом (см. пат. RU №2301488, МПК Н02К 37/00, Н02Р 8/42, 2007 г.).
Данный шаговый электродвигатель не обеспечивает магнитного подвешивания ротора в собственном магнитном поле двигателя. Это - недостаток прототипа.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение отмеченного недостатка в разработанной конструкции шагового электродвигателя.
Решение технической задачи достигается тем, что в шаговом электродвигателе, содержащем статор с обмоткой, состоящей из фазных катушек, расположенных на его зубцах, ротор, включающий электропроводящую часть, и коммутирующее устройство, фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, причем начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы каждой 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 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 катушкой первоначального ряда, причем ротор содержит диаметральную прорезь, заполненную изолирующим веществом, согласно изобретению зубцы статора расположены в торцевой его части, а электропроводящая часть ротора выполнена в форме диска.
Выполнение зубцов статора на его торце, а электропроводящей части ротора в форме диска - эти 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 вид сверху шагового электродвигателя без коммутирующего устройства;
фиг.2 показывает схематично вид сверху при подключении к источнику питания пяти фазных катушек для фиксации электропроводящей части;
на фиг.3 то же, но при отключенной последней фазной катушке от источника питания (начало шага);
фиг.4 показывает положение электропроводящей части после завершения шага и фиксацию ротора в новом положении на виде сверху и новый дугообразный ряд, состоящий из пяти подключенных к источнику питания фазных катушек;
фиг.5 показывает фазные катушки статора ШЭД и замыкающие контакты коммутирующего устройства (схематично).
Шаговый электродвигатель 1 (фиг.1) содержит статор 2, с обмоткой, состоящей из фазных катушек 3, расположенных на его зубцах 4. Ротор 5 содержит электропроводящую часть. Выводы фазных катушек 3 подключены к коммутирующему устройству (на фиг.1 оно не показано). Ротор 5 содержит диаметральную прорезь 6, заполненную изолирующим веществом. Статор 2 имеет зубцы 4, размешенные на его торце, а ротор 5 имеет форму диска и расположен над зубцами 4 статора 2 (ротор 5 на фиг.1 показан штриховыми линиями).
1
2
На фиг.2 показан вид сверху ШЭД. Все обозначения на фиг.2 те же, что и на фиг.1. Символами А, В и С обозначены фазные катушки 3, подключенные к источнику питания. М и М - моменты, действующие на ротор 5. Пять фазных катушек 3 образуют дугообразный ряд: А; В; С; В; А.
На фиг.3 изображено то же, что и на фиг.2, но с отключенной от источника питания последней катушкой дугообразного ряда для начала шага ротора 5.
На фиг.4 показано то же, что и на фиг.2 и фиг 3, но с отключенной первой фазной катушкой дугообразного ряда и подключенной к источнику питания фазной катушки 3, следующей за последней фазной катушкой первоначального дугообразного ряда. Здесь ротор 5 сделал шаг на одно зубцовое деление и зафиксирован в новом положении.
На фиг.5 показан схематически фрагмент коммутирующего устройства 8 и его замыкающие контакты 9-44, подключающие выводы фазных катушек 3 к фазам А, В, С источника трехфазного напряжения (не показан). Начальные выводы всех фазных катушек 3 соединены с нулевым проводом источника питания.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Рассмотрим принцип работы данного шагового электродвигателя. При подключении пяти фазных катушек 3 обмотки ШЭД (фиг.1, фиг.2 и фиг.5) образуется дугообразный ряд катушек, у которого до середины ряда один (А, В, С), а после середины - противоположный (С, В, А) порядок следования фаз. При этом коммутирующим устройством 8 подключены первые пять катушек слева направо. Замыкаются контакты 9, 10, 11, 12, 13 (фиг.5). Токи, протекающие по катушкам, образующим дугообразный ряд, создают два бегущих навстречу друг другу магнитных поля, пересекающих дисковый ротор 5, включающий электропроводящую часть, и индуктирующие в нем электродвижущие силы (ЭДС) и токи. Токи в электропроводящей части ротора 5 будут взаимодействовать с бегущими навстречу друг другу магнитными полями. В результате этого взаимодействия между статором 2 и ротором 5 возникнут усилия магнитного отталкивания (подвеса) и электропроводящий ротор 5 будет подвешен в собственном магнитном поле ШЭД. Кроме того, при взаимодействии бегущих навстречу друг другу магнитных полей с токами ротора 5 создаются вращающие моменты M; M (фиг.2), которые одинаковы по величине и направлены встречно друг другу. Они будут уравновешивать друг друга и точно фиксировать ротор в положении, указанном на фиг.2. Для совершения первого шага ротора от источника питания отключается последняя катушка первоначального дугообразного ряда (фиг.3 и фиг.5), для этого коммутирующим устройством 8 размыкается контакт 13 (фиг.5). В этом случае одно из бегущих магнитных полей создается токами трех катушек (А, В, С), другое бегущее поле - токами двух катушек (В и С). Эти бегущие магнитные поля, пересекая ротор 5, включающий электропроводящую часть, индуктируют в нем ЭДС и токи. Токи в роторе при взаимодействии с бегущими магнитными полями будут создавать усилия магнитного отталкивания и моменты M; M. Момент M создается в результате взаимодействия кругового бегущего магнитного поля с токами ротора, им индуктированными, и будет больше, чем момент M, который создается при взаимодействии бегущего эллиптического магнитного поля с токами ротора, им индуктированными. Под действием разности моментов M и М ротор 5 начнет поворачиваться против часовой стрелки (фиг.3, вид сверху). Для завершения шага и точной фиксации ротора в новом положении коммутирующим устройством 8 отключают от источника питания первую катушку первоначального дугообразного ряда, для чего размыкают контакт 9 (фиг.5). Затем к источнику питания подключается катушка, следующая за последней катушкой первоначального дугообразного ряда, для чего замыкается контакт 14. При этом будут замкнуты контакты 14, 15, 16, 17, 18 коммутирующего устройства 8 (фиг.4 и фиг.5). Остальные контакты коммутирующего устройства разомкнуты. При этом получаем новый дугообразный ряд из пяти катушек, у которых до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз. В этом случае моменты М и М, действующие на ротор 5, подвешенный в магнитном поле, снова становятся равными и фиксируют ротор в новом положении (после шага на одно зубцовое деление) и т.д.
По сравнению с прототипом достигнута возможность реализации точного шагового перемещения электропроводящего дискового ротора при его магнитном подвешивании в собственном магнитном поле ШЭД.