МОМЕНТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ERECTION TORQUE MOTOR

Изобретение относится к электрическим двигателям, а именно к моментным магнитоэлектрическим 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 таких 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.
Известны наиболее распространенные типы моментных двигателей: асинхронные, электромагнитные, магнитоэлектрические и электродинамические [Авиационные моментные двигатели / Л.И.Столов, Б.Н.Зыков, А.Ю.Афанасьев, Ш.С.Галеев. - М.: Машиностроение. 1979. С.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. Электродинамический моментный двигатель в своем составе имеет обмотку управления, активные проводники которой находятся в постоянном магнитном поле, создаваемом электромагнитом; при протекании через обмотку управления постоянного тока создается момент, пропорциональный этому току.
Перечисленные типы моментных двигателей имеют свои преимущества и недостатки, к числу последних относится малая величина рабочего диапазона углов относительного разворота ротора и статора, в котором создается достаточная величина развиваемого момента.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому результату является магнитоэлектрический моментный двигатель, выбранный в качестве прототипа [Авиационные моментные двигатели / Л.И.Столов, Б.Н.Зыков, А.Ю.Афанасьев, Ш.С.Галеев. - М.: Машиностроение. 1979. С.14]. Конструктивно магнитоэлектрический моментный двигатель состоит из многополюсного постоянного магнита и статора-магнитопровода, а также обмотки управления, расположенной на немагнитной обойме. Активные проводники обмотки находятся в магнитном поле в зазоре между магнитом и магнитопроводом. При подаче в обмотку управления электрического тока моментный двигатель развивает момент, пропорциональный этому току и имеющий знак, зависящий от направления протекания тока. Для увеличения момента, развиваемого двигателем, постоянный магнит выполнен многополюсным. В зависимости от конструктивного исполнения прибора, в котором используется моментный двигатель, подвижным элементом может быть как магнитная система, включающая в себя постоянный магнит и внешний магнитопровод, так и обойма (немагнитный стакан) с расположенной на ней обмоткой. В последнем случае для передачи тока на подвижную обмотку в приборе предусматриваются специальные токоподводы.
Наряду с положительными качествами такого моментного двигателя (простота конструкции, пропорциональность развиваемого момента от тока), имеются и недостатки, в частности малый рабочий диапазон углов взаимного поворота магнита и обмотки, что характерно для случая использования многополюсного магнита. Рабочий диапазон определяется положением, когда активные проводники обмотки находятся в зоне действия магнитного потока полюсов магнита. При больших углах взаимного поворота проводники обмотки выходят из-под полюса и попадают в зону, где действуют магнитные потоки рассеяния и создаваемый момент резко уменьшается. Одним из приемов расширения рабочего диапазона углов работы моментного двигателя является увеличение длин дуг полюсов магнита. Однако такой прием имеет недостаток, заключающийся в том, что резко увеличивается масса магнитной системы и в итоге растет момент инерции подвижной части прибора, ухудшая динамические характеристики последнего.
Поставлена задача разработать моментный двигатель, обладающий достаточно большим рабочим диапазоном углов взаимного поворота обмотки и магнитной системы, не увеличивая его габариты.
Эта задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом моментный двигатель содержит первичный элемент, выполненный в виде многополюсного магнита и магнитопровода. Магнит и магнитопровод соединены диафрагмой из немагнитного материала. Согласно изобретению вторичный элемент, в отличие от обмотки двигателя-прототипа, выполнен в виде спирально намотанной электропроводящей ленты, покрытой слоем изоляционного материала. Намотка из электропроводящей ленты помещена в зазор между полюсами магнита и магнитопроводом. К концам ленты подключен источник постоянного тока. По боковым краям ленты поочередно с одного и другого края выполнены узкие поперечные вырезы. Расположение этих вырезов выполнено таким образом, что вырезы на каждом витке намотки ленты находятся над и под аналогичными вырезами на нижележащем и вышележащем слоях, образуя пазы во вторичном элементе (в намотке электропроводящей ленты). При этом расстояние между смежными пазами во вторичном элементе (намотке), полученными наложением участков ленты с вырезами, соответствует полюсному делению магнита.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2.
Многополюсный постоянный магнит 1 соединен с магнитопроводом 2 немагнитной диафрагмой 3 в единый узел - первичный элемент. В зазор между полюсами магнита и магнитопроводом помещается вторичный элемент 4, который представляет собой спирально намотанную ленту из электропроводящего материала, преимущественно немагнитного для исключения моментов тяжения при работе двигателя. Лента покрыта слоем изоляционного материала. На фиг.2 элемент крепления вторичного элемента (намотки) обозначен как 5. По боковым краям ленты имеются поперечные вырезы, которые при намотке образуют во вторичном элементе боковые пазы. Расстояние между центрами получившихся боковых пазов равно полюсному делению магнита. Если к началу и концу ленты подключить источник постоянного тока, то характер протекания тока определяется наличием в ленте поперечных вырезов. Поперечные составляющие этого тока, взаимодействуя с полем постоянного магнита, вызывают появление сил, создающих момент относительно оси вращения подвижного элемента моментного двигателя - магнитной системы или вторичного элемента (намотки ленты).
n
o
o
n
Работа предлагаемого моментного двигателя поясняется следующим образом. На фиг.3 представлен элемент ленты, из которой выполняется намотка вторичного элемента. Поперечные вырезы, выполненные на боковых сторонах ленты, заставляют ток J протекать по диагоналям участков ленты, лежащих между вырезами. При этом ток J имеет две компоненты: J- продольную, направленную вдоль ленты, и J - поперечную (осевую), направленную поперек ленты в направлении, совпадающем с осью вращения подвижной части моментного двигателя. Полюсы магнита на фиг.3 отображены прямоугольниками N и S. Предполагается, что полюсы находятся над плоскостью рисунка и силовые линии магнитного поля, создаваемого полюсом N, входят в плоскость рисунка, а силовые линии полюса S выходят из него. Взаимодействие компонент тока J с магнитным полем приводит к появлению сил F, действующих на магнит - источник магнитного поля. Суммарное действие этих сил приводит к появлению вращающего момента, который стремится повернуть магнитную систему относительно неподвижной намотки из ленты. Продольные составляющие тока J вызывают появление сил Р, которые действуют со стороны магнита на опоры его подвеса. В том случае, если магнит имеет одну пару полюсов, то эти силы создают момент, перпендикулярный оси вращения моментного двигателя, и вызывают радиальную нагрузку на опоры. Если число пар полюсов магнита больше одной, то силы в осевом направлении взаимно компенсируются и в радиальном направлении нагрузки на опоры не создают. Величина полезного момента, создаваемого силами F, будет тем больше, чем больше выполнено витков в намотке, так как под действием магнитного потока полюса будут находиться участки ленты с одним и тем же характером протекания тока.
Пример технической реализации изобретения поясняется фиг.2. Постоянный магнит 1 и магнитопровод 2 монтируют на немагнитной диафрагме 3, которую, в свою очередь, крепят к подвижной части прибора. Вторичный элемент-намотку 4 крепят на оправке 5, которую, в свою очередь, монтируют на неподвижном элементе прибора. Вторичный элемент (намотка) выполнен из тонкой ленты фольги, которую наматывают на тонкую трубчатую основу. На ленте, как минимум с одной стороны, нанесен слой изоляционного материала. Вырезы на боковых краях ленты могут быть выполнены в процессе ее намотки лучом лазера. Трубчатая основа для намотки выполнена из материала с высокой теплопроводностью, что позволит при повышенной плотности тока в ленте отводить тепло на корпус прибора. Предлагаемая технология выполнения вторичного элемента не ограничивает возможные варианты его изготовления.
Технический результат изобретения: расширение рабочего диапазона углов взаимного поворота ротора и статора моментного двигателя, при котором величина развиваемого момента достаточна для нормальной работы прибора.