ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
STEP MOTOR

Изобретение относится к области электротехники, а точнее - 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. СССР 907716, МПК Н02К 37/00, 1982 г.; пат. Японии №60-279572 МПК Н02К 37/00, 1985 г.).
Недостатком данных шаговых электродвигателей (ШЭД) являются ограниченные функциональные возможности.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является шаговый электродвигатель (ШД), содержащий статор с зубцами и пазами и с обмоткой, состоящей из фазных катушек, ротор, включающий электропроводящую и магнитопроводящую части, и коммутирующее устройство, причем 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 совершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения фазной катушки, следующей за последней катушкой первоначального ряда, причем ротор содержит электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра, который имеет диаметральную прорезь, расположенную по всей активной длине ротора и заполненную изолирующим веществом (см. пат. RU №-2301488, МПК Н02К 37/00, Н02Р 8/42, 2007 г.).
Данный шаговый электродвигатель имеет ограниченные функциональные возможности. Это - недостаток прототипа.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение отмеченного недостатка в разработанной конструкции шагового электродвигателя.
Решение технической задачи достигается тем, что шаговый электродвигатель, содержащий статор с зубцами и пазами на внутренней расточке, причем вокруг зубцов намотаны фазные катушки обмотки, выводы которых подключены к контактам 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 предусмотрена возможность отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - возможность одновременного отключения первой фазной катушки 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 имеет диаметральную прорезь, расположенную по всей активной длине ротора и заполненную изолирующим веществом, согласно изобретению на внешней расточке статора также выполнены зубцы и пазы, причем вокруг зубцов намотаны дополнительные фазные катушки обмотки, причем дополнительные катушки соединены с клеммами дополнительного коммутирующего устройства и образуют дугообразный ряд, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, поверх зубцов на внешней расточке статора расположены ролики, на которые опирается дополнительный ротор, содержащий электропроводящую часть в виде цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей длине активной части и заполненной изолирующим веществом, поверх которого расположена магнитопроводящая часть, причем для начала шага дополнительного ротора дополнительное коммутирующее устройство предусматривает возможность отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - возможность одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения катушки, следующей за последней катушкой первоначального ряда.
Выполнение на внешней расточке статора дополнительных зубцов и пазов и выполнение фазных катушек намотанными вокруг зубцов внутренней и внешней расточек статора, установка дополнительного ротора, а также применение дополнительного коммутирующего устройства для осуществления раздельного управления движением внутреннего и внешнего роторов - эти признаки определяют новизну и существенные отличия данного технического решения.
В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного выполнения с ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 изображает общий вид шагового электродвигателя без коммутирующего устройства (фрагмент поперечного сечения);
фиг.2 показывает схематически поперечное сечение шагового электродвигателя с подключенными к источнику трехфазного питания пятью фазными катушками внутреннего ротора, образующими первоначальный ряд (здесь А, В, С - обозначения фаз источника напряжения);
на фиг.3 показан первоначальный ряд фазных катушек внутреннего ротора при отключении последней катушки ряда для начала шага внутреннего ротора и первоначальный ряд фазных катушек внешнего ротора;
фиг.4 показывает фиксацию внутреннего ротора в новом положении при отключенной первой фазной катушке первоначального ряда и подключенной фазной катушке, следующей за последней фазной катушкой первоначального ряда, при этом получается новый дугообразный ряд фазных катушек, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз; для начала шага внешнего ротора отключена последняя катушка первоначального ряда фазных катушек внешнего ротора;
фиг.5 показывает фиксацию обоих роторов в новом положении после завершения шага внешнего ротора при отключенной первой фазной катушке первоначального ряда и подключенной фазной катушке, следующей за последней фазной катушкой первоначального ряда, при этом получается новый дугообразный ряд фазных катушек, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз;
фиг.6 показывает схематически фрагмент коммутирующего устройства для подключения фазных катушек обмотки внутреннего ротора шагового электродвигателя к источнику трехфазного напряжения;
фиг.7 показывает схематически фрагмент коммутирующего устройства для подключения фазных катушек обмотки внешнего ротора шагового электродвигателя к источнику трехфазного напряжения.
Шаговый электродвигатель 1 (фиг.1) содержит статор 2 с зубцами 3 и 4, расположенными на внутренней и внешней расточках статора, и пазами 5 и 6, расположенными между ними. В пазах 5 размещены фазные катушки обмотки 7, а в пазах 6 - фазные катушки 8 дополнительной обмотки. Внутренний ротор содержит электропроводящую часть 9 и магнитопроводящую часть 10, размещенные на валу 11. Электропроводящая часть содержит диаметральную прорезь 12, расположенную по всей активной длине внутреннего ротора и заполненную изолирующим веществом. На зубцах 4 на внешней расточке статора установлены ролики 13, на которые опирается электропроводящая часть 14 внешнего ротора, выполненная в виде цилиндра и имеющая диаметральную прорезь 15, расположенную по всей активной длине внешнего ротора и заполненную изолирующим веществом. Поверх электропроводящей части 15 установлена магнитопроводящая часть 16 внешнего ротора.
1
2
На фиг.2 изображено схематически поперечное сечение шагового электродвигателя с подключенными к источнику трехфазного питания пятью катушками 7 на внутренней расточке статора, образующими первоначальный ряд. Стрелками M и M обозначены направления моментов, действующих на внутренний ротор двигателя (А, В, С - обозначения фаз источника питания). Остальные обозначения те же, что и на фиг.1.
3
4
На фиг.3 показан первоначальный ряд фазных катушек 7 на внутренней расточке статора при отключенной последней катушке ряда для начала шага ротора. Пять катушек 8 на внешней расточке статора подключены к источнику трехфазного питания и образуют первоначальный ряд. Стрелками М и M обозначены направления моментов, действующих на внешний ротор электродвигателя. Остальные обозначения те же, что и на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.4 показана фиксация внутреннего ротора в новом положении после совершения одного шага на одно зубцовое деление при отключенной первой фазной катушке первоначального ряда на внутренней расточке статора и подключенной катушке, следующей за последней катушкой первоначального ряда. При этом получается новый дугообразный ряд фазных катушек, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз. В обмотке на внешней расточке ротора для начала шага отключена последняя катушка 8 первоначального ряда.
На фиг.5 показана фиксация внешнего ротора в новом положении после совершения одного шага на одно зубцовое деление при отключенной первой фазной катушке 8 первоначального ряда и подключенной катушке 8, следующей за последней катушкой 8 первоначального ряда. При этом получается новый дугообразный ряд фазных катушек, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз. Положение внутреннего ротора не изменилось и соответствует фиг.4.
На фиг.6 показан схематически фрагмент коммутирующего устройства 17 для подключения фазных катушек 7 на внутренней расточке статора шагового электродвигателя к источнику трехфазного напряжения. Контакты 18-50 коммутирующего устройства 17 предназначены для подключения фазных катушек 7 обмотки к источнику трехфазного напряжения.
На фиг.7 показан схематически фрагмент дополнительного коммутирующего устройства 51 для подключения фазных катушек 8 на внешней расточке статора шагового электродвигателя к источнику трехфазного напряжения. Контакты 52-83 дополнительного коммутирующего устройства 51 предназначены для подключения фазных катушек 8 обмотки к источнику трехфазного напряжения.
1
2
1
2
1
2
1
2
3
4
Рассмотрим принцип работы данного шагового электродвигателя. При подключении пяти катушек 7 на внутренней расточке статора ШЭД (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 17 подключены первые пять катушек слева направо. Замыкаются контакты 18, 19, 20, 21, 22 (фиг.6). Токи, протекающие по катушкам, образующим ряд, создают два бегущих навстречу друг другу магнитных поля, пересекающих электропроводящую часть 9 внутреннего ротора и индуктирующих в ней электродвижущие силы (ЭДС) и токи. Токи в электропроводящей части 9 будут взаимодействовать с бегущими навстречу друг другу магнитными полями. В результате этого взаимодействия создаются вращающие моменты M и М (фиг.2), которые одинаковы по величине и направлены встречно друг другу. Они будут уравновешивать друг друга и точно фиксировать внутренний ротор в положении, указанном на фиг.2. Для совершения первого шага внутреннего ротора от источника питания отключается последняя катушка 7 первоначального дугообразного ряда (фиг.3 и фиг.6), для этого коммутирующим устройством 17 размыкается контакт 22 (фиг.6). 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 электропроводящую часть 9 внутреннего ротора, индуктируют в ней ЭДС и токи, которые будут взаимодействовать с бегущими магнитными полями. В результате создадутся моменты M и М. Момент M создается в результате взаимодействия кругового магнитного поля с токами внутреннего 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. В это же время независимо от внутреннего ротора дополнительным коммутирующим устройством 51 подключаются первые пять фазных катушек 8 на внешней расточке статора слева направо. При этом также образуется первоначальный дугообразный ряд катушек, у которого до середины ряда один (А, В, С), а после середины - противоположный (С, В, А) порядок следования фаз. Замкнуты контакты дополнительного коммутирующего устройства 52, 53, 54, 55, 56. Аналогично процессам во внутреннем роторе образуются два бегущих навстречу друг другу магнитных поля, пересекающих электропроводящую часть 14 внешнего ротора и индуктирующих в ней электродвижущие силы (ЭДС) и токи. В результате взаимодействия их с бегущими полями создаются вращающие моменты М и М (фиг.3), которые одинаковы по величине и направлены встречно друг другу. Они будут уравновешивать друг друга и точно фиксировать внешний ротор в положении, указанном на фиг.3.
1
2
Для завершения шага и точной фиксации внутреннего ротора в новом положении коммутирующим устройством 17 отключают от источника питания первую катушку первоначального ряда, для чего размыкают контакт 18. Затем подключают к источнику питания катушку, следующую за последней катушкой первоначального ряда, для чего замыкают контакт 23. При этом будут замкнуты контакты 24, 25, 26, 27, 23 (фиг.4 и фиг.6). Остальные контакты коммутирующего устройства 17 разомкнуты. При этом получаем новый дугообразный ряд катушек, имеющий до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз. В этом случае моменты M и М, действующие на электропроводящую часть 9 внутреннего ротора, снова становятся равными и фиксируют его в новом положении.
3
4
3
4
3
4
3
4
Аналогично для начала шага внешнего ротора отключается последняя катушка 8 первоначального ряда на внешней расточке статора, для чего размыкается контакт 56 дополнительного коммутирующего устройства 51 (фиг.7). В этом случае одно из магнитных полей будет создаваться токами трех катушек (А, В, С), а второе бегущее поле - токами двух катушек (В и С), и это бегущее поле будет эллиптическим. Эти бегущие поля, пересекая электропроводящую часть 14 внешнего ротора, индуктируют в ней ЭДС и токи, которые будут взаимодействовать с бегущими магнитными полями. В результате создадутся моменты М и M, причем момент М создается в результате взаимодействия кругового магнитного поля с токами внешнего ротора, им индуктированными, и будет больше, чем момент М, который создается при взаимодействии эллиптического поля с токами ротора, им индуктированными. Под действием разности моментов М и М ротор начнет поворачиваться против часовой стрелки (фиг.4). Для завершения шага и точной фиксации внешнего ротора в новом положении дополнительным коммутирующим устройством 51 отключают от источника питания первую катушку 8 первоначального ряда, для чего размыкают контакт 52. Затем подключают к источнику питания катушку, следующую за последней катушкой первоначального ряда, для чего замыкают контакт 57. При этом будут замкнуты контакты 58, 59, 60, 61, 57 (фиг.5 и фиг.7). Остальные контакты коммутирующего устройства 51 разомкнуты. При этом получаем новый дугообразный ряд катушек 8, имеющий до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз. В этом случае моменты М и M, действующие на электропроводящую часть 14 внутреннего ротора, снова становятся равными и фиксируют его в новом положении. Таким образом, каждым ротором в итоге сделан шаг на одно зубцовое деление и так далее.
По сравнению с прототипом расширены функциональные возможности шагового электродвигателя за счет реализации независимого управления шагами внутреннего и внешнего роторов.