МЕХАТРОННОЕ УСТРОЙСТВО
MECHATRONIC DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.
Уровень техники
Известны мехатронные устройства, содержащие электродвигатель со статором с сосредоточенными обмотками на полюсах с различным числом фаз и роторами без обмоток и постоянных магнитов. Каждая фаза этих двигателей коммутируется напряжением при помощи электрической схемы, содержащей полупроводниковые элементы и датчики положения [1, 2, 3 и 4]. Недостатками этих устройств являются высокий уровень пульсаций момента, большое число и стоимость полупроводниковых приборов инвертора, коммутирующего обмотки фаз, потребность в датчике положения и небольшой коэффициент редукции. Например, инвертор, коммутирующий обмотки фаз четырехфазного вентильно-индукторного двигателя по [1], содержит восемь силовых транзисторов и восемь силовых диодов и датчик положения.
Сущность изобретения
Наиболее близким по существу к предлагаемому изобретению является механотронное устройство, описанное в [1]. Целью настоящего изобретения является уменьшение уровня пульсации момента, уменьшение стоимости за счет исключения полупроводниковых приборов и датчика положения, увеличение коэффициента редукции, а также расширение функциональных возможностей.
Цель уменьшения уровня пульсации момента, уменьшения стоимости за счет исключения полупроводниковых приборов и датчика положения достигается тем, что питание сосредоточенных обмоток, равномерно распределенных по расточке 2m полюсов (m - число фаз обмотки) статора мехатронного устройства, осуществляется от сети переменного тока. При этом обмотки создают двухполюсное круговое вращающееся магнитное поле в рабочем воздушном зазоре между статором и ротором. Ротор сорвершает движения синхронно с частотой переменного тока.
Увеличение коэффициента редукции и расширение функциональных возможностей мехатронного устройства достигается тем, что статор выполнен составным из двух цилиндрических пакетов магнитопроводов с зубчатой поверхностью, равномерным шагом во внутренней расточке. Количество зубцов в расточке статора нечетное. Между пакетами магнитопроводов статора размещен постоянный магнит с аксиальным намагничиванием, а сами пакеты повернуты друг относительно друга таким образом, что угол сдвига их зубчатых поверхностей составляет 180°. Ротор, составленный также из двух магнитопроводов, установленных на магнитомягком сердечнике, установлен в расточке статора таким образом, что может совершать сложное движение: прецессионное движение относительно оси статора и вращательное движение относительно собственной оси симметрии.
Для передачи вращательного движения на выходной вал в устройстве предусмотрено устройство, способное передавать несоосное вращательное движение, например шарнирное устройство или упругое деформируемое звено. На обращенной к статору поверхности магнитопроводов ротора выполнена зубчатая поверхность с одинаковым равномерным шагом, равным шагу зубчатой поверхности на статоре. Количество зубцов на единицу меньше количества зубцов на статоре.
При подключении обмоток статора к источнику переменного тока ротор совершает сложное движение, взаимодействуя через магнитные поля статора и постоянного магнита с зубчатой поверхностью статора; это взаимодействие вызывает крутящий момент и редукцию вращения ротора. Коэффициент редукции равен числу зубцов на роторе. Одновременно с редукцией скорости достигается большое значения момента вращения из-за взаимодействия большего количества зубчатых пар в активной зоне воздушного зазора.
При отсутствии тока в обмотках статора взаимодействие зубчатых пар статора и ротора в активной зоне воздушного зазора из-за магнитного поля постоянного магнита вызывает появление большого тормозного момента. Таким образом достигается расширение функциональных возможностей мехатронного устройства.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого магнитного мехатронного устройства. На фиг 2. изображен поперечный разрез активной части воздушного зазора мехатронного устройства - схема воздушного зазора между магнитопроводами статора и ротора.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
z
z
1
1
пм
min
Предлагаемое мехатронное устройство по фиг.1 содержит цилиндрический немагнитный корпус 1 с крышками, внутри которого размещены магнитопроводы 2 статора с сосредоточенными обмотками 3 на полюсах с зубчатыми поверхностями на внутренней поверхности с нечетным числом зубьев Z1 и с одинаковым шагом t. Между магнитопроводами статора размещен постоянный магнит 4 с осевым подмагничиванием. Магнитопроводы статора повернуты относительно друг друга на 180°. Ротор, составленный из двух одинаковых магнитопроводов 5 с зубчатой поверхностью из Z2=(Z1-u1) четных зубьев также с одинаковым шагом t, установлен на магнитомягком сердечнике 6 в расточке статора с возможностью совершать сложное движение, например, через сферический подшипник 7. Ротор одним из торцов через муфту, упругое деформируемое устройство 8, например сильфон, мембранное устройство и др., связан с выходным валом 9 для передачи вращательного движения. Другой (противоположный) торец ротора опирается на направляющую поверхность в крышке корпуса, обеспечивая гарантированный зазор между зубчатыми поверхностями статора и ротора таким образом, что ось симметрии статора ОО и ось симметрии ротора ОО в одной из плоскостей (на фиг.1 - в плоскости чертежа) образуют угол θ. Под действием магнитных сил притяжения от поля постоянных магнитов Ф при обесточенных обмотках статора в воздушном зазоре между магнитопроводами статора и ротора диаметрально противоположно и аксиально противоположно образуются зоны с минимальным и максимальным значениями зазоров. При этом зубчатый магнитопровод ротора занимает эксцентрическое положение относительно зубчатого магнитопровода статора, как показано на фиг 2. Основная часть магнитного потока окажется сосредоточенной в зоне минимального воздушного зазора δ. Взаимодействие зубчатых поверхностей статора и ротора в этой зоне обуславливает появление тормозного момента на выходном валу мехатронного усройства.
ст
1
1
При подключении обмоток статора к источнику переменного тока в рабочем воздушном зазоре появляется двухполюсное вращающееся магнитное поле Ф, которое вращается синхронно с частотой переменного тока, т.е. электродвигатель мехатронного устройства является синхронным электродвигателем. Это магнитное поле, складываясь с магнитным полем постоянного магнита, создает результирующее магнитное поле с максимальным магнитным потоком в зонах минимального зазора и с минимальным магнитным потоком в зоне максимальных зазоров. Под действием магнитных сил притяжения ротор будет совершать сложное движение: прецессионное движение со скоростью вращающегося поля статора с углом прецессии θ относительно оси симметрии статора (ось симметрии ротора ОО совершает прецессионное перемещение относительно оси симметрии статора ОО с углом прецессии θ); из-за разности чисел зубьев на статоре и роторе последний будет поворачиваться относительно собственной оси симметрии ОО на одно зубцовое деление за один оборот вращения поля статора, передавая это движение на выходной вал. Угол прецессии составляет 2-4°.
Значение крутящего момента зависит от магнитного потока результирующего магнитного поля, который не изменяется во времени и в воздушном зазоре. Крутящий момент не имеет пульсаций.
В предлагаемой конструктивной схеме мехатронного устройства достигается высокое значение коэффициента редукции, равное количеству зубцов на роторе.
В схеме управления предлагаемого мехатронного устройства не используются полупроводниковые элементы и не требуется наличия датчика положения ротора.
В предлагаемом мехатронном устройстве расширены функциональные возможности: в обесточенном состоянии он выполняет функции активного тормоза.
Таким образом, в предлагаемом мехатронном устройстве обеспечивается достижение цели изобретения - уменьшение уровня пульсации момента, увеличение коэффициента редукции, расширение функциональных возможностей и уменьшение стоимости за счет исключения полупроводниковых приборов и датчика положения.
С целью улучшения энергетических характеристик возможно выполнение активных частей статора и ротора коническими, например, с углами половины значения угла прецессии θ.
Литература
1. Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003, с.10-21.
2. Плах Г.К., Лозитский О.Е., Луговенц В.А., Протасов Д.А., Мустафаев P.P. Низкооборотный высокомоментный вентильный индукторный реактивный двигатель для автоматизированных электроприводов. Пятая международная (четырнадцатая всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу. - СПб.: АЭП-2007, 18-21 сентября.
3. Описание изобретения к патенту РФ 2426211.
4. Описание изобретения к патенту РФ 2439769.