ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
STEPPING MOTOR

Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к шаговым электродвигателям с дискретным вращением, и может быть использовано в качестве исполнительного двигателя с большим вращающим моментом в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, например, в системах без датчика угла.
7
Известен шаговый электродвигатель, содержащий корпус, магнитопровод ротора с зубцами на валу, пакет статора с многофазной обмоткой и с полюсами, имеющими зубцы, причем зубцы на соседних полюсах сдвинуты относительно друг друга на 1/m зубцового деления, где m - число фаз, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с магнитопроводом ротора, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы полюсов и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода ротора и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения (Афанасьев А.Ю., Давыдов Н.В. Шаговый электродвигатель. Патент РФ №2321144, МПК H02К 37/02, Опубл. 2008.03.27, Бюл. №9) - [1].
Его недостатком является наличие тонкостенных полых цилиндров с консольным креплением, что усложняет технологию изготовления, ограничивает скорость вращения и снижает надежность при работе на подвижном основании.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является шаговый электродвигатель, содержащий корпус, вал с подшипниками, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, чередующиеся диски статора и ротора выполнены из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками, установленными на торцевой поверхности магнитопровода статора, на поверхности зубцов и на другом магнитопроводе имеются клиновидные выступы, при этом выступы зубцов, магнитопровода и ферромагнитные элементы дисков статора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, на соседних зубцах выступы сдвинуты относительно друг друга на 1/m зубцового деления, где m - число фаз (Афанасьев А.Ю., Милосердое В.Ф., Завгороднев М.Ю. Заявка №2013139394/07 от 23.08.2013, решение о выдаче патента от 29.10.2014) - [2].
Его недостатком является наличие ферромагнитных и немагнитных элементов дисков ротора, что усложняет технологию изготовления и уменьшает энергетические показатели из-за реактивной природы момента.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в улучшении технологичности конструкции и энергетических показателей.
Технический результат достигается тем, что в шаговом электродвигателе, содержащем корпус, вал с подшипниками, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, чередующиеся диски ротора и статора, диски статора выполнены из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками, установленными на торцевой поверхности магнитопровода статора, на поверхности зубцов и на другом магнитопроводе имеются клиновидные выступы, при этом выступы зубцов, магнитопровода и ферромагнитные элементы дисков статора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, новым является то, что диски ротора выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующейся полярности, равномерно расположенными по окружности, причем намагниченные сектора дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры, совпадающие с размерами ферромагнитных элементов дисков статора, на соседних зубцах выступы сдвинуты по отношению друг к другу на 1/m полюсного деления ротора относительно равномерного распределения, где m - число фаз.
Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1 - Фиг. 8, где:
Фиг.1 - продольное сечение шагового электродвигателя с одной обмоткой статора;
Фиг. 2 - продольное сечение шагового электродвигателя с двумя обмотками статора;
Фиг. 3 - зубцы с катушками; Фиг. 4 - диск статора; Фиг. 5 - диск ротора;
Фиг. 6 - развертка сечения цилиндрической поверхностью; Фиг. 7 - графики фазных напряжений;
Фиг. 8 - форма листов шихтованного ферромагнитного элемента.
Шаговый электродвигатель по фиг. 1 имеет: 1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4, 5 - магнитопроводы статора; 6 - зубец; 7 - катушка; 8 - диски статора; 9 - втулка статора; 10 - диски ротора; 11 - втулка ротора; 12 - вал; 13, 14 - подшипники.
Корпус 1 жестко связан с подшипниковыми щитами 2, 3. На них установлены кольцевые магнитопроводы 4, 5 статора. На магнитопроводе 4 имеются шесть зубцов 6 с катушками 7.
Диски 8 статора закреплены на втулке 9 статора, установленной на корпусе 1. Диски 10 ротора установлены на втулке 11 ротора. Вал 12 опирается на подшипники 13, 14, установленные в подшипниковых щитах 2, 3.
Магнитопроводы 4, 5 и зубцы 6 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки. Диски 8 статора выполнены из чередующихся элементов из магнитомягкого (на фиг. 4 показаны светлым цветом) и немагнитного материалов (на фиг. 4 показаны темным цветом), образующие шесть групп по числу зубцов статора. Магнитные элементы имеют форму секторов и выполнены из шихтованной электротехнической стали, причем ферромагнитные элементы соседних групп сдвинуты относительно друг друга на 1/3 угла намагниченного сектора ротора.
Диски 10 ротора выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующийся полярности, расположенные равномерно по окружности, имеющие с одной стороны северные полюса (на фиг. 5 показаны светлыми) и южные полюса (на фиг. 5 темными).
c
p
Числа элементов дисков статора и намагниченных секторов ротора на полюс отличаются на единицу. На фиг. 4, 5 показан случай, когда р=1, число секторов диска статора z=36, диска ротора z=52.
Зубцы 6 имеют вид секторов из электротехнической стали и содержат коронки (показаны на фиг. 3 слева). Они установлены на магнитопроводе 4 статора. На поверхности зубцов и на другом магнитопроводе имеются клиновидные выступы, на соседних зубцах выступы сдвинуты по отношению к друг другу на 1/m полюсного деления ротора относительно равномерного распределения, где m - число фаз. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно согласно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С. На фиг. 3 буквами Χ, Υ, Ζ обозначены зубцы с катушками, создающими магнитные потоки, направленные противоположно потокам зубцов А, В, С. Число пар полюсов здесь p=1. Например, если зубец А создает полюс Ν, то зубец Х - полюс S.
Все ферромагнитные элементы и выступы зубцов, а также намагниченные сектора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения.
Шаговый электродвигатель работает следующим образом. При подаче на фазу А статора импульса напряжения (см. фиг. 7) ротор поворачивается в положение, при котором соответствующие намагниченные сектора ротора располагаются напротив выступов на зубцах фазы А и соответствующих ферромагнитных элементов дисков статора.
p
p
p
При подаче на фазу В статора импульса напряжения ротор поворачивается на треть зубцового деления в положение, при котором соответствующие намагниченные сектора на каждом диске ротора располагаются напротив выступов на зубцах фазы В и соответствующих ферромагнитных элементов дисков статора и т.д. В данном случае каждый импульс вызывает поворот ротора на угол 2π/3z=π/39. Если импульсы имеют частоту f, то ротор вращается с угловой скоростью ω=2πf/3z.
У шагового электродвигателя по фиг. 2 имеются две обмотки, расположенные на двух кольцах 4, 5 пакета статора, что облегчает охлаждение и делает симметричным магнитное поле в рабочей зоне.
Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.
На торцевой поверхности магнитопровода 5 статора, обращенной к активной зоне, имеются клиновидные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.
На фиг. 6 показана цилиндрическая развертка сечения шагового электродвигателя при нулевом моменте нагрузки и подаче импульса на фазу В.
Ферромагнитные элементы статора выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется. На фиг. 8 показана форма листов шихтованного ферромагнитного элемента, выполняемого из электротехнической стали. А сектора ротора представляют собой аксиально намагниченные сектора чередующейся полярности, расположенные равномерно по окружности.
Передача момента редуктора является упругой. При увеличении момента нагрузки на валу медленного вращения он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.
Благодаря выполнению дисков ротора из магнитотвердого материала он имеет однородную структуру и более технологичен в изготовлении. Диски ротора имеют свое магнитное поле, взаимодействующее с токами обмотки статора и создающее активный электромагнитный момент. За счет этого электродвигатель имеет повышенные энергетические показатели.