ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
STEPPER MOTOR

Изобретение относится к области электротехники, а более точно к шаговым электродвигателям, предназначенным для использования в дискретных электроприводах.
Известны шаговые электродвигатели (ШЭД), содержащие статоры с катушками обмотки, расположенными на его зубцах, роторы, включающие электропроводящие части, и коммутирующие устройства (см., например, а.с. СССР 907716, МГЖ Н02К 37/00, 1982 г.; патент Японии 60 - 279572, МПК Н02К 37/00, 1985 г.; патент США 3506859, 1970 г.).
Данные ШЭД имеют ограниченные функциональные возможности.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является шаговый электродвигатель, содержащий статор с обмоткой, состоящий из фазных катушек, расположенных на его зубцах, ротор, включающий электропроводящую часть, и коммутирующее устройство, при этом фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, причем 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 ряда 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 фазной катушкой первоначального ряда, причем ротор содержит электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей активной длине ротора и заполненной изолирующим веществом, при этом шаговый электродвигатель содержит дополнительные статоры, расположенные соосно с основным и образующие продольный ряд, причем фазные катушки дополнительных статоров соединены с коммутирующим устройством, а ротор размещен внутри всех статоров, при этом управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора в продольном направлении пяти фазных катушек, образующих продольные ряды, у которых до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора в продольном направлении - с возможностью отключения последней фазной катушки каждого продольного ряда, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения последней фазной катушки в каждом продольном ряду и фазной катушки, следующей за последней катушкой каждого первоначального ряда (см. патент РФ №2474947, МПК Н02К 37/00, 2011 г.).
Данный ШЭД имеет ограниченные функциональные возможности.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка шагового электродвигателя с расширенными функциональными возможностями, способного одновременно реализовать одновременное дискретное перемещение гладкого ротора не только по окружности, но и в продольном направлении.
Решение данной 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, при этом фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, причем 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 ряда 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 фазной катушкой первоначального ряда, причем ротор содержит электропроводящую часть, выполненную в вид цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей активной длине ротора и заполненной изолирующим веществом, шаговый электродвигатель содержит дополнительные статоры, расположенные соосно с основным и образующие продольный ряд, причем фазные катушки дополнительных статоров соединены с коммутирующим устройством, а ротор размещен внутри всех статоров, при этом управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора в продольном направлении пяти фазных катушек, образующих продольные ряды, у которых до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора в продольном направлении - с возможностью отключения последней фазной катушки в каждом продольном ряду, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения последней фазной катушки в каждом продольном ряду и фазной катушки, следующей за последней катушкой каждого первоначального ряда, согласно изобретению для одновременного начала шагов ротора по окружности и в продольном направлении коммутирующее устройство выполнено с возможностью отключения последних фазных катушек первоначальных рядов, расположенных на окружности, и отключения последних фазных катушек у дополнительных статоров, образующих продольные ряды, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первых фазных катушек в рядах, расположенных как по окружности, так и в продольном направлении, и одновременного подключения последних фазных катушек и фазных катушек, следующих за последними фазными катушками первоначальных рядов, расположенных как по окружности, так и в продольном направлении.
Выполнение коммутирующего устройства шагового электродвигателя с возможностью отключения последних фазных катушек первоначальных рядов, расположенных на окружности, и отключения последних фазных катушек у дополнительных статоров, образующих продольные ряды, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первых фазных катушек в рядах, расположенных как по окружности, так и в продольном направлении, и одновременного подключения последних фазных катушек и фазных катушек, следующих за последними фазными катушками первоначальных рядов, расположенных как по окружности, так и в продольном направлении - эти признаки определяют новизну и существенные отличия данного изобретения.
В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет соосный ряд одинаковых статоров ШЭД (схематично), фазные катушки которых образуют продольные первоначальные ряды для фиксации ротора в продольном направлении;
фиг. 2 - поперечное сечение ШЭД с обозначением подключенных катушек дугообразного первоначального ряда символами А, В, С;
фиг. 3 - поперечное сечение ШЭД с отключенной последней катушкой первоначального дугообразного ряда для начала шага ротора по окружности;
фиг. 4 - поперечное сечение ШЭД после совершения шага по окружности;
фиг. 5 показывает схематично поперечное сечение шагового электродвигателя при устойчивой фиксации ротора после совершения одного шага по окружности с образованием нового ряда подключенных фазных катушек;
фиг. 6 показывает схематически продольный разрез ШЭД, на котором показан только один продольный первоначальный ряд подключенных фазных катушек для фиксации ротора в продольном направлении;
фиг. 7 - продольный разрез ШЭД, на котором для начала шага ротора в продольном направлении отключена последняя фазная катушка первоначального продольного ряда;
фиг. 8 - продольный разрез ШЭД после совершения шага ротора в продольном направлении;
фиг. 9 - продольный разрез ШЭД при устойчивой фиксации ротора после совершения шага в продольном направлении с образованием нового ряда подключенных фазных катушек, идентичного первоначальному продольному ряду;
фиг. 10 изображает схематично фрагмент коммутирующего устройства, подключающего выводы фазных катушек статоров ШЭД к фазам А, В и С источника трехфазного напряжения.
Статоры 1 ШЭД расположены соосно (фиг. 1). На зубцах сердечников статоров 1 расположены фазные катушки 2. Подключенные к источнику трехфазного напряжения катушки 2 дополнительно обозначены А, В и С.
1
2
1
2
На фиг. 2 показано сечение ШЭД. Цилиндрический ротор 3 из электропроводящего материала имеет прорезь 4 по всей длине ротора. Остальные обозначения те же, что и на фиг. 1. Показан первоначальный ряд из пяти фазных катушек 2, обеспечивающий фиксацию ротора 3 в исходном положении. M и М - механические моменты, действующие на ротор 3. Здесь М=М.
1
2
На фиг. 3 показано то же, что и на фиг.2, но при отключенной последней фазной катушке первоначального дугообразного ряда для начала шага ротора 3 по окружности. Здесь M>М.
1
2
Положение ротора 3 после совершения шага представлено на фиг. 4. Здесь моменты, действующие на ротор, снова равны: M=М.
1
2
То же самое положение ротора 3 после совершения одного шага по окружности изображено на фиг. 5. Здесь для более надежной фиксации ротора 3 в новом положении образован новый дугообразный ряд из пяти фазных катушек, идентичный первоначальному. Все обозначения те же, что и на фиг. 1-4. Моменты равны друг другу: M=М.
Продольные ряды, содержащие по пять фазных катушек 2 и размещенные на разных статорах 1, показаны схематично на фиг. 1.
1
2
1
2
Продольный разрез ШЭД представлен схематично на фиг. 6, где показан только один продольный первоначальный ряд из пяти фазных катушек 2, расположенных на разных статорах 1 шагового электродвигателя, обеспечивающий фиксацию ротора 3 в продольном направлении. F и F - механические усилия, действующие на ротор в продольном направлении. Здесь F=F.
1
2
На фиг. 7 показано то же, что и на фиг. 6, но при отключенной последней катушке 2 первоначального ряда для начала шага ротора 3 в продольном направлении. Здесь F>F.
1
2
Положение ротора после совершения шага в продольном направлении представлено на фиг. 8. Здесь механические усилия равны: F=F.
1
2
То же положение ротора 3 после совершения шага в продольном направлении показано на фиг. 9. Для более надежной фиксации ротора 3 в новом положении образован новый ряд из пяти фазных катушек 2, расположенных на разных статорах 1 ШЭД, идентичный первоначальному. Механические усилия равны друг другу: F=F.
На фиг. 10 показано схематически подключение фазных катушек 2, один из выводов которых соединен с нулевой точкой источника напряжения, коммутирующим устройством 5 к фазам трехфазного напряжения при помощи, например, замыкающих контактов 6.
Шаговый электродвигатель работает следующим образом.
1
2
При подключении пяти катушек обмотки ШЭД (фиг. 1 и фиг. 2) 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 подключены первые пять катушек дугообразного ряда. Токи, протекающие по катушкам, образующим ряд, создают два бегущих навстречу друг другу магнитных поля, пересекающих электропроводящий ротор 3, и индуцируют в нем электродвижущие силы (ЭДС) и токи. Токи в роторе 3 будут взаимодействовать с бегущими навстречу друг другу магнитными полями. В результате этого взаимодействия создаются вращающиеся моменты M и М (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 от источника питания отключается последняя катушка первоначального дугообразного ряда (фиг. 3).
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
В этом случае одно из магнитных полей создается токами трех катушек (А, В, С), а второе бегущее поле - токами двух катушек (В и С). Это бегущее поле будет эллиптическим. Эти бегущие поля, пересекая ротор 3, индуцируют в нем ЭДС и токи, которые будут взаимодействовать с бегущими магнитными полями. В результате создаются моменты M и М. Момент M создается в результате взаимодействия кругового магнитного поля с токами ротора, им индуктированными, и будет больше, чем момент М, который создается при взаимодействии эллиптического поля с токами ротора, им индуктированными. Под действием разности моментов M и М ротор начнет поворачиваться против часовой стрелки. Ротор 3 будет поворачиваться до тех пор, пока не повернется на одно зубцовое деление (фиг. 4), и моменты M и М снова станут равными по величине, так как каждый вращающий момент M и М создается при взаимодействии бегущих навстречу одинаковых эллиптических магнитных полей с токами ротора, им индуктированными.
Для более надежной фиксации ротора 3 в новом положении коммутирующее устройство отключает первую фазную катушку 2 первоначального дугообразного ряда и подключает последнюю фазную катушку 2 первоначального ряда и следующую за ней (против часовой стрелки) катушку 2 к источнику трехфазного напряжения. Снова образуется дугообразный ряд фазных катушек 2, идентичный первоначальному (фиг. 5).
Одновременно с этим, при подключении пяти фазных катушек 2 разных статоров 1 ШЭД к источнику трехфазного напряжения образуется продольный ряд катушек 2, у которого до середины ряда один (А, В, С), а после середины - противоположный порядок следования фаз (С, В, А) (фиг. 1 и фиг. 6).
1
2
Токи фазных катушек создают два одинаковых бегущих навстречу друг другу магнитных поля, пересекающих электропроводящий ротор 3 и индуктирующих в нем ЭДС и токи. При взаимодействии токов ротора 3 с бегущими магнитными полями создаются одинаковые механические усилия F и F, которые взаимно уравновешиваются и фиксируют ротор 3 в положении, показанном на фиг. 6.
Для совершения шага ротора 3 в продольном (осевом) направлении коммутирующее устройство отключает последнюю фазную катушку 2 первоначального ряда (фиг. 7).
1
2
1
2
2
1
1
2
Теперь магнитное поле, бегущее слева направо, создается токами трех катушек как и прежде и будет круговым, а магнитное поле, бегущее справа налево, создается токами двух катушек (В, С) и станет эллиптическим. Эти магнитные поля, пересекая ротор 3, индуктируют в нем ЭДС и токи. Токи ротора при взаимодействии с бегущими магнитными полями создают механические усилия F и F. Усилие F будет больше усилия F, так как оно создается при взаимодействии кругового бегущего магнитного поля с токами ротора. Усилие F создается при взаимодействии токов ротора с эллиптическим бегущим магнитным полем. Поэтому оно меньше, чем F. Под действием разности этих усилий ротор начнет движение в продольном направлении и будет перемещаться до тех пор, пока усилия F и F снова не станут равными (фиг. 8). Ротор сделает при этом шаг на одно зубцовое деление ШЭД в продольном направлении, равное ширине одного статора 1 плюс расстояние между отдельными статорами (фиг. 8).
1
2
Для более устойчивой (надежной) фиксации ротора в новом положении коммутирующее устройство 5 (фиг. 10) отключает первую фазную катушку 2 первоначального продольного ряда и подключает последнюю фазную катушку 2 и следующую за последней фазной катушкой первоначального ряда при помощи контактов 6 к источнику трехфазного напряжения. При этом образуется новый продольный ряд из пяти фазных катушек 2, идентичный первоначальному (фиг. 9). При этом токи фазных катушек 2 создают снова два одинаковых бегущих навстречу круговых магнитных поля, пересекающих ротор и индуктирующих в нем одинаковые соответственно ЭДС и токи. Усилия F и F снова равны друг другу (фиг. 9) и имеют величину такую же, как и в случае, показанном на фиг.6.
По сравнению с прототипом расширены функциональные возможности ШЭД за счет реализации одновременного перемещения ротора как по окружности, так и в продольном направлении.