МОМЕНТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TORQUE MOTOR

Изобретение относится к электрическим двигателям, а именно к моментным электродинамическим двигателям, и может найти применение для создания момента в различных системах коррекции и программного разворота.
В приборных устройствах широко применяются системы коррекции, программного разворота, цепи силовых обратных связей, следящие системы. Исполнительными устройствами этих систем чаще всего являются электрические машины, называемые (в зависимости от их назначения) датчиками момента, двигателями стабилизации, двигателями отработки, моментными двигателями. Требования, предъявляемые к указанным устройствам, как правило, оказываются более жесткими, чем требования, предъявляемые к электрическим машинам общего назначения. Это приводит к необходимости разработки специальных конструкций исполнительных устройств приборов.
К наиболее распространенным типам моментных двигателей следует отнести асинхронные, электромагнитные, магнитоэлектрические и электродинамические [Авиационные моментные двигатели. Л.И.Столов, Б.Н.Зыков, А.Ю.Афанасьев, Ш.С.Галеев. - М.: Машиностроение. 1979. С.7-8, 15-16]. Конструктивные особенности моментных двигателей определяются принципами их работы. Асинхронный моментный двигатель функционирует за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой, с наведенными этим полем токами в обмотке ротора. Электромагнитные моментные двигатели содержат ферромагнитный якорь, притягиваемый к сердечнику с обмоткой, по которой пропускается электрический ток. Магнитоэлектрический моментный двигатель в своем составе имеет обмотку, активные проводники которой находятся в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом; при протекании через обмотку постоянного тока создается момент, пропорциональный этому току.
Перечисленные типы моментных двигателей имеют свои преимущества и недостатки, к числу последних относится малая величина развиваемого момента.
Известен также электродинамический моментный двигатель, выбранный в качестве прототипа [Никитин Б.А., Шестов С.А., Матвеев В.А. Гироскопические системы, ч. III. Элементы гироскопических приборов. Под ред. Д.С.Пельпора. - М.: Высшая школа, 1972. С.410-412]. Конструктивно электродинамический моментный двигатель отличается от магнитоэлектрического тем, что вместо постоянного магнита используется электромагнит. Схемы электродинамических двигателей могут быть выполнены как с внешним, так и с внутренним электромагнитом. Подавая в обмотку электромагнита соответствующий ток, можно получить в рабочем воздушном зазоре значительно большие значения магнитной индукции по сравнению с конструкцией, использующей постоянный магнит. При этом возрастет и развиваемый двигателем момент. Обмотка электромагнита обычно подключается постоянно к сети и является обмоткой возбуждения двигателя; вторая подключается к цепи управления и называется обмоткой управления. Обмотка управления выполняется обмоточным проводом и по характеру расположения на магнитопроводе может быть как кольцевой, так и барабанной. Обмотки возбуждения и управления расположены на разных частях моментного двигателя - статоре и роторе, в зависимости от конструктивных особенностей конкретного двигателя. Однако увеличение индукции в воздушном зазоре с целью увеличения развиваемого момента ограничено допустимым положением рабочей точки на кривой намагничивания материала как сердечника электромагнита, так и материала магнитопровода, на котором расположена обмотка управления. Увеличение числа витков и тока в обмотке управления для создания большего развиваемого двигателем момента приведет к необходимости увеличения воздушного зазора, в котором размещены активные проводники упомянутой обмотки. Следствием увеличения воздушного зазора при неизменных параметрах цепи возбуждения станет уменьшение магнитной индукции в зазоре, что в итоге скомпенсирует положительный эффект, создаваемый увеличением числа витков и тока в обмотке управления.
Недостаток электродинамического моментного двигателя - малая величина развиваемого момента.
Поставлена задача разработать моментный двигатель, обладающий достаточно большим развиваемым моментом при небольшой потребляемой мощности в цепи возбуждения.
Эта задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом моментный двигатель содержит обмотку возбуждения, расположенную на магнитопроводе, смонтированном на подвижной части двигателя, и элементы электрической цепи управления, расположенные на его неподвижной части. Согласно изобретению элементы цепи управления представляют собой пакет четного количества прямоугольных ферромагнитных электропроводящих пластин, поверхности которых разделены электроизоляционным материалом и параллельны поверхностям полюсов электромагнита. В двух диагонально расположенных вершинах углов пластин имеются контакты, которые на нечетных пластинах расположены на диагоналях одного направления, а на четных - на диагоналях другого направления. При этом каждая пластина соединена со смежными в последовательную электрическую цепь с помощью перемычек, причем последние расположены у тех граней пакета, по направлению к которым имеется возможность перемещения магнитопровода, а свободные контакты крайних пластин подсоединены к источнику питания цепи управления.
в
у
Предлагаемая схема моментного двигателя поясняется фиг.1. Сердечник электромагнита 1 с обмоткой возбуждения 2 закреплены на валу 3, что дает возможность электромагниту вместе с нагрузкой 4 вращаться относительно корпуса. В зазоре сердечника электромагнита находится пакет 5 электропроводящих пластин, жестко связанный с корпусом прибора. Пакет состоит из четного количества пластин, поверхности которых параллельны поверхностям полюсов электромагнита. Между пластинами находятся слои электроизолирующего материала. Пластины соединены последовательно в электрическую цепь управления при помощи перемычек 6, которые соединяют контакты смежных пластин, находящиеся в противоположных углах упомянутых пластин. При пропускании по обмотке электромагнита тока возбуждения I и по пакету пластин тока управления I возникает сила F, которая на плече R создает момент M=FR.
i
iх
iу
х
у
х
y
у
x
y
х
x
у
x
y
Работа предлагаемого моментного двигателя поясняется следующим образом. Рассмотрим однородную электропроводящую пластину прямоугольной формы, подключенную к электрической цепи таким образом, что точки подключения находятся в вершинах двух ее диагонально расположенных углов (фиг.2). При этом можно утверждать, что отдельные токи I, составляющие распределенный по пластине ток, в каждой точке будут иметь две компоненты I и I. Пластину по нормали пересекает магнитный поток с индукцией В, зона действия которого выделена пунктиром. Если просуммировать компоненты всех токов, протекающих в зоне действия магнитного потока, получим, что в этой зоне протекают две составляющие полного тока I и I. Соотношение между этими компонентами определяется геометрией проводящей пластины. Ток I, взаимодействуя с магнитным полем, создает силу F, направленную по оси Y, а ток I - силу F, направленную по оси X. Эти силы будут действовать между пластиной и источником магнитного потока, вызывая их взаимное перемещение. Предположим, что пластина неподвижна, а источник магнитного поля может перемещаться вдоль оси X. При этом действие силы F, создаваемой током I, будет компенсироваться в опорах подвеса источника магнитного потока, а сила F, вызванная током I, будет создавать необходимый момент. Создаваемая сила увеличивается последовательным электрическим подключением еще одной аналогичной пластаны, которая монтируется над (или под) первой таким образом, чтобы их поверхности были параллельны и разделены изолятором. Точки подсоединения (контакты) второй пластины к электрической цепи находятся в вершинах ее углов, связываемых другой диагональю получаемого пакета пластин (фиг.3). В этом случае силы F, создаваемые токами обеих пластин, суммируются, a F вычитаются. Дальнейшее увеличение силы, направленной вдоль оси Х и создающей необходимый момент двигателя, осуществляется дополнительным монтажом и последовательным подключением к полученной цепи дополнительных пар аналогично связанных между собой пластин, которые окончательно в конструктивном отношении представляют единый пакет.
Увеличение количества пластин приведет к необходимости увеличения зазора магнитопровода, в котором устанавливается пакет пластин. Увеличение зазора приведет в свою очередь к увеличению сопротивления прохождению магнитного потока возбуждения, что уменьшает индукцию. Поддержание индукции на прежнем уровне требует существенного увеличения потребляемого электромагнитом тока. Чтобы избежать этого увеличения, предлагается в качестве материала пластин использовать электропроводящий ферромагнетик, например электротехническую сталь. При этом зазор электромагнита, на преодоление которого затрачивается основная часть магнитодвижущей силы возбуждения, будет состоять только из суммы толщин слоев изолятора, размещенного между пластинами, и воздушных промежутков по обе стороны пакета, гарантирующих отсутствие механического контакта между пакетом и электромагнитом в процессе работы двигателя. Магнитное сопротивление полученного участка цепи между полюсами электромагнита будет уменьшено, а необходимая индукция поля достигается при меньшем токе возбуждения.
Пример технической реализации поясняется фиг.1. Обмотка возбуждения моментного двигателя расположена на сердечнике электромагнита, который в свою очередь крепится на рычаге, вращающемся на валу, с которым связана нагрузка. Упомянутые элементы в совокупности представляют собой ротор моментного двигателя. Так как диапазон взаимного перемещения ротора и статора ограничен, то подвод питания к обмотке возбуждения может быть осуществлен при помощи гибких проводников. Неподвижная часть моментного двигателя - пакет пластин - помещен в зазор электромагнита и жестко закреплен на корпусе прибора. Пластины изготовлены из листового материала - электротехнической стали, покрытой лаком. Пластины собраны в пакет, склеены и обжаты так, чтобы получился монолитный элемент. Перемычки выполняются из монтажного провода и привариваются к контактам, имеющимся на пластинах. Предлагаемая технология выполнения пакета не ограничивает возможные варианты его изготовления. Технический результат изобретения: повышение момента, развиваемого двигателем, увеличение числа вариантов конструктивного исполнения приборов, в состав которых входят моментные двигатели.