Шаговый двигатель
STEP MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления дискретным электроприводом.
Основу конструкции значительного количества шаговых двигателей составляют ротор и статор с зубцовыми зонами, при этом на статоре размещены обмотки управления по количеству зубцов (патент RU 2365021 С1, опубл. 20.08.2009). В электродвигателе для часов (авт. свид. SU 815709, опубл. 23.03.1981) статор дополнительно содержит колебательное звено в виде упругой оболочки.
Характерной особенностью шаговых двигателей с магнитным взаимодействием зубцов ротора а статора является низкая технологичность конструкций, которая обусловлена формой элементов и высокими требованиями по точности изготовления. Требования по точности изготовления вытекают от минимизации зазора между ротором и статором, который в значительной степени определяет крутящий момент, удельную мощность и коэффициент полезного действия.
Повышение удельной мощности возможно за счет храпового преобразования. Но известные конструкции (авт. свид. SU 543800, опубл. 25.01.1977; SU 611870, опубл. 25.05.1978; SU 898189, опубл. 15.01.1982) храповых преобразователей имеют сложные нетехнологичные механические цепи.
В качестве прототипа принят шаговый двигатель по патенту RU 2443047 С1, опубл. 20.02.2012, Бюл. №5, содержащий статор с обмоткой, состоящей из отдельных катушек, расположенных на его зубцах, выводы катушек соединены с коммутирующим устройством, подключающим их к источнику напряжения, и ротор, включающий электропроводную часть, выполненную в виде цилиндра, имеющего диаметральную прорезь по всей активной длине, заполненную изолирующим веществом, на зубцах статора в верхних их частях расположены по два витка, выводы которых соединены, например, с контактами герконовых реле, катушки которых соединены с коммутирующим устройством, обеспечивающим возможность одновременного замыкания, по меньшей мере, четырех витков, размещенных на четырех соседних зубцах статора и образующих дугообразный ряд, причем у первых двух зубцов замкнуты витки, экранирующие их правые части в направлении против часовой стрелки, а у последующих двух зубцов замкнуты витки, экранирующие их левые части, причем для начала шага ротора коммутирующее устройство размыкает виток, экранирующий левую часть последнего зубца первоначального ряда, а для завершения шага размыкает виток на первом зубце ряда, размыкает виток, экранирующий левую часть третьего зубца первоначального ряда, и замыкает виток, экранирующий правую его часть, при этом замыкается виток, экранирующий левую часть зубца, следующего за последним зубцом первоначального ряда, при этом центральные части зубцов экранированы короткозамкнутыми витками, размещенными перпендикулярно двум виткам и расположенными в верхних частях зубцов статора.
Этой конструкции свойственны те же недостатки, что и аналогам - низкая технологичность, в частности за счет исполнения обмоток статора.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение технологичности конструкции шагового двигателя.
При этом решаются задачи:
1. Разработка конструкции шагового двигателя на основе деталей простой формы с низкими требованиями по точности изготовления.
2. Блочное исполнение конструкции как залог возможности компенсации погрешностей при юстировке на этапе оборки.
3. Вывод расчетных соотношений, необходимых для проектирования.
Указанный результат достигается тем, что в шаговом двигателе, содержащем статор с обмоткой, состоящей из отдельных катушек, выводы катушек соединены с коммутирующим устройством, подключающим их к источнику напряжения, и ротор, при этом ротор выполнен в форме храпового колеса из магнитопроводного материала, а статор содержит преобразователь электрической энергии в механическую и фиксатор, содержащие катушку преобразователя и катушку фиксатора соответственно, при этом преобразователь электрической энергии в механическую выполнен в виде магнитострикционного стержня, расположенного в плоскости храпового колеса по осевой линии внутри катушки преобразователя, при этом один конец магнитострикционного стержня закреплен неподвижно, а другой содержит толкатель с наконечником, взаимодействующим с зубцами храпового колеса.
В предлагаемом шаговом двигателе фиксатор выполнен в виде поляризованного электромагнита, закрепленного в перпендикулярной храповому колесу плоскости, в составе постоянного магнита, расположенного по осевой линии внутри катушки фиксатора, при этом постоянный магнит снабжен полюсными наконечниками, свободные торцы которых охватывают группу зубцов храпового колеса с образованием воздушных зазоров, а их торцевые сечения соответствуют профилю зубцов храпового колеса, а коммутирующее устройство выполнено на основе RS-триггера, установочный вход которого является управляющим входом коммутирующего устройства, единичный выход RS-триггера подключен к входам двух электронных ключей, выход одного электронного ключа соединен с катушкой преобразователя, а другого - с катушкой фиксатора и входом формирователя, при этом выход формирователя связан со входом сброса RS-триггера.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами: фиг. 1 - конструктивная схема шагового двигателя; фиг. 2 - расчетная схема; фиг. 3 - зависимость площади воздушного зазора фиксатора от угла поворота ротора (храпового колеса), при этом оцифрованные точки графика соответствуют относительному положению ротора по фиг. 2; фиг. 4 - функциональная схема коммутирующего устройства; фиг. 5 - эпюры напряжений.
Приняты обозначения
1. Корпус
Ротор
2. Вал
3. Храповое колесо
4. Подшипник
Статор
5. Преобразователь электрической энергии в механическую
6. Толкатель
7. Наконечник толкателя
8. Фиксатор
9. Коммутирующее устройство (электронный блок)
10. Каркас катушки преобразователя 5
П
11. Катушка преобразователя 5 (W)
12. Магнитострикционный стержень
13. Втулка стержня 12
14. Винты втулки 13
15. Постоянный магнит
16. Полюсные наконечники магнита 15
Ф
17. Катушка фиксатора 8 (W)
Коммутирующее устройство
18. RS-триггер
19. Электронный ключ катушки преобразователя
20. Электронный ключ катушки фиксатора
21. Формирователь уровня
22. Генератор
Монтажной основой шагового двигателя является корпус 1.
Ротор представлен валом 2, на котором закреплено храповое колесо 3 из магнитопроводного материала. Вал ротора установлен в подшипниках 4.
Статор выполнен из отдельных сборочных единиц:
- преобразователь электрической энергии в механическую 5, содержащий толкатель 6 с наконечником 7;
- фиксатор 8 храпового колеса ротора;
- коммутирующее устройство (электронный блок) 9.
Преобразователь содержит каркас 10 с электрической катушкой 11. Внутри каркаса по его осевой линии помещен магнитострикционный стержень 12 с положительным коэффициентом магнитострикции, например из материала марки ДТЖ-1. Форма сечения стержня выбирается из технологических соображений, это может быть квадрат или круг. Один конец стержня защемлен во втулке 13, например, с помощью клея. Втулка 13 присоединена к каркасу 10 винтами 14. Второй конец стержня жестко связан с толкателем 6. Толкатель по основному варианту выполнен из плоской упругой ленты и закреплен в пазу стержня с помощью заклепок или клея. Аналогично выполнено соединение толкателя с наконечником 7. Таким образом, если задать в катушку 11 электрический ток, то стержень 12 получит удлинение, это удлинение толкателем будет передано зубу храпового колеса, что обеспечит момент вращения, и храповое колесо повернется на один шаг.
фм
ф
фэ
фм
Фиксатор выполнен на основе магнитной системы, составленной из постоянного магнита 15, магнитных наконечников 16 из магнитомягкого материала и электрической катушки 17. Магнитная система фиксатора расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости храпового колеса 3. Торцы магнитных наконечников охватывают группу зубцов храпового колеса и образуют с ним некоторый зазор . Таким образом, в исходном положении магнитный поток Ф постоянного магнита 17 замыкается через полюсные наконечники 16, два зазора  и храповое колесо 3, что обеспечивает фиксацию последнего. Если задать в катушку 17 (W) электрический ток такого направления, чтобы создаваемый им магнитный поток Ф был противоположен магнитному потоку Ф, но был бы равен ему по модулю, то силовое взаимодействие с храповым колесом будет ликвидировано.
п
ф
Коммутирующее устройство (фиг. 4) построено на типовых функциональных элементах электроники. Управляющим входом устройства является установочный вход RS-триггера 18. Единичный выход этого триггера подсоединен к входам электронного ключа 19 катушки привода 11 (W) и электронного ключа 20 катушки фиксации 17 (W). К входу ключа 20 также подключен вход формирователя (ограничителя) уровня 21. Срез (задний фронт) выходного импульса формирователя является импульсом сброса триггера 18. В частных случаях исполнения коммутирующее устройство может содержать встроенный регулируемый по частоте генератор 22 коротких прямоугольных импульсов. В отдельных случаях элементом управления может служить кнопка, подключающая на установочной вход триггера 18 напряжение питания. Исходное состояние триггера 18 устанавливается типовым образом по фронту включения электропитания. Блок питания на фиг. 4 не показан.
В исходном положении торцы полюсных наконечников 16 расположены напротив соответствующих зубцов храпового колеса 3, наконечник 7 толкателя 6 находится во впадине зуба храпового колеса.
Намагничивающая сила от постоянного магнита 15 фиксатора равна
c
где H - коэрцитивная сила;
- рабочая длина магнита 15.
Без учета потоков рассеяния магнитный поток фиксатора составит
где
ф
R - магнитное сопротивление фиксатора;
i=4 - количество магнитопроводных участков (два полюсных наконечника, постоянный магнит, храповое колесо);
мi
, S - длины и сечения магнитопроводных участков;
в
, S - суммарный воздушный зазор и сечение воздушного промежутка;
a
o
μ=μμ - абсолютная магнитная проницаемость.
H
x
В предлагаемой конструкции шагового двигателя сечения торцов полюсных наконечников по двум сторонам повторяют форму зуба храпового колеса, а по третьей стороне выполнены по дуге окружности радиуса r эквидистантной окружности рабочего радиуса r (см. фиг. 2), при этом
В исходном положении (положение 0 на фиг. 2) сечения торцов полюсных наконечников находятся напротив соответствующих зубьев храпового колеса. При этом присутствует максимальная сила фиксации
где
X
N - число зубцов храпового колеса;
x
d - толщина храпового колеса.
ф
Эта сила приложена к центру тяжести сечения, т.е. на расстоянии r от оси вращения
С учетом двух зазоров момент фиксации храпового колеса составит
во
где S - площадь сечения торца магнитного наконечника;
вi
S - текущее значение площади перекрытия торца магнитного наконечника зубом храпового колеса (см. фиг. 2).
При подаче на вход коммутирующего устройства короткого импульса срабатывает триггер 18 и своим единичным выходом открывает ключи 19 катушки 14 преобразователя и 20 катушки фиксатора.
Ток в катушке преобразователя нарастает по экспоненте
19
где R - выходное сопротивление ключа 19;
11
R - активное сопротивление катушки преобразователя;
- постоянная времени цепи;
11
L - индуктивность катушки преобразователя.
Появляется намагничивающая сила
11
где N - число витков катушки 11 преобразователя.
1
Намагничивающая сила (11) обеспечит удлинение магнитострикционного стержня 12, сила которого будет через толкатель 6 и наконечник 7 передаваться на зуб храпового колеса 3. В момент времени t колесо 3 начнет поворачиваться. Параметры преобразователя выбраны таким образом, что номинальному току катушки 11 - асимптота функции (10) - соответствует удлинение  магнитострикционного стержня, равное шагу зубцовой зоны храпового колеса.
фэ
Обратимся к фиксатору. Катушка 17 фиксатора подключена таким образом, что создаваемый ее током магнитный поток Ф противоположен магнитному потоку постоянного магнита - формула (2). Кроме того, напряжение питания ключа 20 выбрано таким, что по модулю магнитный поток, создаваемый током катушки, превышает магнитный поток постоянного магнита
При открытии ключа 20 ток катушки фиксатора нарастает по экспоненте
где  - постоянная времени цепи;
20
R - выходное сопротивление ключа 20;
17
R - активное сопротивление катушки 17 фиксатора;
17
L - индуктивность катушки фиксатора.
ф
Через время t=3τ ток (14) достигнет асимптотического значения и напряжение на катушке фиксатора составит
1
На стилизованной эпюре напряжения  точка А условно совмещена с моментом t начала поворота храпового колеса.
Точке А эпюры  соответствует магнитный поток в цепи фиксатора
Ф
где ΔI - величина превышения тока катушки фиксатора относительно значения тока, соответствующего равенству магнитных потоков
1
в
Начиная с момента t начала движения храпового колеса уменьшается площадь воздушного зазора S (см. фиг. 2), следовательно, магнитный поток (16) становится переменным, что приводит к появлению ЭДС
в
ш
ш
По мере поворота храпового колеса площадь магнитного зазора будет зависеть от очередного зуба. Начиная с точки В опоры напряжений площадь S растет до момента поворота колеса на полный шаг ϕ - точка С. На том участке движения знак ЭДС (17) изменяется. На фиг. 3 приведена зависимость площади воздушного промежутка от угла поворота ϕ храпового колеса в пределах шага ϕ. Нумерация отдельных точек функции  сохранена с номерами положения зуба по фиг. 2.
F
FO
ш
вх
21
18
Вернемся к функциональной схеме коммутирующего устройства - фиг. 4. Формирователь 21 вырабатывает прямоугольный импульс U по уровню ограничения U (фиг. 5) и срезом импульса (задним фронтом) обеспечивает установку триггера 18 в исходное состояние, что приводит к закрытию ключей 19, 20. Токи катушек 11, 17 будут падать до нуля по соответствующим экспонентам, пропорционально будут уменьшаться напряжения на катушках. Применительно к эпюре  нулевое напряжение (точка Q) условно совмещено с окончанием поворота колеса на шаг ϕ. На фиг. 5 эпюры напряжений входного импульса U, выходных импульсов формирователя U и триггера U совмещены с фазовыми точками эпюры .
После срабатывания триггера 18 и отключения катушек храповое колесо окажется под действием двух моментов:
- момента фиксации (9);
- инерционного момента, обусловленного кинетической энергией
где Y - суммарный момент инерции вращающихся элементов шагового двигателя и нагрузки;
3
3
ϕ - угловая частота вращения храпового колеса в момент времени t.
3
ш
3
ш
За счет указанных моментов вращения храповое колесо пройдет участок угла ϕ-ϕ за время t-t.
Таким образом, предлагаемая конструкция шагового двигателя отличается высокой технологичностью, которая обусловлена:
- простой формой деталей;
- исполнением статора в виде отдельных блоков: преобразователя и фиксатора.
Блочное исполнение позволяет снизить требования по точности изготовления деталей, поскольку на этапе сборки появляется возможность регулирования относительного положения храпового колеса ротора, преобразователя и фиксатора, т.е. реализуется функция компенсатора погрешностей.