×
05.07.2018
218.016.6bec

Шаговый двигатель

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления дискретным электроприводом. Технический результат состоит в повышении технологичности. Ротор шагового двигателя выполнен в форме храпового колеса из магнитопроводного материала. Статор составлен из двух конструктивных блоков - преобразователя и фиксатора. Преобразователь построен на основе магнитострикционного стержня, управляемого магнитным полем катушки. Кинематическая связь стержня с храповым колесом обеспечивается упругим толкателем. Фиксатор представляет собой поляризованный электромагнит, расположенный в перпендикулярной храповому колесу плоскости. Коммутирующее устройство построено на типовых элементах электроники. Управляющим сигналом служит короткий прямоугольный импульс, одинаковый для всех частот вращения ротора. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

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

11. Катушка преобразователя 5 (WП)

12. Магнитострикционный стержень

13. Втулка стержня 12

14. Винты втулки 13

15. Постоянный магнит

16. Полюсные наконечники магнита 15

17. Катушка фиксатора 8 (WФ)

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.

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 Ффм постоянного магнита 17 замыкается через полюсные наконечники 16, два зазора и храповое колесо 3, что обеспечивает фиксацию последнего. Если задать в катушку 17 (Wф) электрический ток такого направления, чтобы создаваемый им магнитный поток Ффэ был противоположен магнитному потоку Ффм, но был бы равен ему по модулю, то силовое взаимодействие с храповым колесом будет ликвидировано.

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 (Wп) и электронного ключа 20 катушки фиксации 17 (Wф). 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

где Hc - коэрцитивная сила;

- рабочая длина магнита 15.

Без учета потоков рассеяния магнитный поток фиксатора составит

где

Rф - магнитное сопротивление фиксатора;

i=4 - количество магнитопроводных участков (два полюсных наконечника, постоянный магнит, храповое колесо);

, Sмi - длины и сечения магнитопроводных участков;

, Sв - суммарный воздушный зазор и сечение воздушного промежутка;

μa=μμo - абсолютная магнитная проницаемость.

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 rH эквидистантной окружности рабочего радиуса rx (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

NX - число зубцов храпового колеса;

dx - толщина храпового колеса.

Эта сила приложена к центру тяжести сечения, т.е. на расстоянии rф от оси вращения

С учетом двух зазоров момент фиксации храпового колеса составит

где Sво - площадь сечения торца магнитного наконечника;

Sвi - 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

где R19 - выходное сопротивление ключа 19;

R11 - активное сопротивление катушки преобразователя;

- постоянная времени цепи;

L11 - индуктивность катушки преобразователя.

Появляется намагничивающая сила

где N11 - число витков катушки 11 преобразователя.

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 t1 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.

Обратимся к фиксатору. Катушка 17 фиксатора подключена таким образом, что создаваемый ее током магнитный поток Ффэ 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;

R20 - выходное сопротивление ключа 20;

R17 - активное сопротивление катушки 17 фиксатора;

L17 - индуктивность катушки фиксатора.

Через время t=3τф ток (14) достигнет асимптотического значения и напряжение на катушке фиксатора составит

На стилизованной эпюре напряжения точка А условно совмещена с моментом t1 начала поворота храпового колеса.

Точке А эпюры соответствует магнитный поток в цепи фиксатора

где ΔIФ - величина превышения тока катушки фиксатора относительно значения тока, соответствующего равенству магнитных потоков

Начиная с момента t1 начала движения храпового колеса уменьшается площадь воздушного зазора Sв (см. фиг. 2), следовательно, магнитный поток (16) становится переменным, что приводит к появлению ЭДС

По мере поворота храпового колеса площадь магнитного зазора будет зависеть от очередного зуба. Начиная с точки В опоры напряжений площадь Sв растет до момента поворота колеса на полный шаг ϕш - 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 ϕш. Нумерация отдельных точек функции сохранена с номерами положения зуба по фиг. 2.

Вернемся к функциональной схеме коммутирующего устройства - фиг. 4. Формирователь 21 вырабатывает прямоугольный импульс UF по уровню ограничения UFO (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 ϕш. На фиг. 5 эпюры напряжений входного импульса Uвх, выходных импульсов формирователя U21 и триггера U18 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;

ϕ3 - угловая частота вращения храпового колеса в момент времени t3.

За счет указанных моментов вращения храповое колесо пройдет участок угла ϕ3ш за время t3-tш.

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.


Шаговый двигатель
Шаговый двигатель
Шаговый двигатель
Шаговый двигатель
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 21-30 of 108 items.
14.06.2018
№218.016.61b5

Способ формирования плазмонных импульсов при коллективном распаде возбуждений в ансамбле полупроводниковых квантовых точек

Изобретение относится к способу формирования плазмонных импульсов при коллективном распаде возбуждений в ансамбле полупроводниковых квантовых точек. Может быть использовано при разработке прототипа задающего плазмонного генератора тактовых импульсов с характерными размерами меньше длины волны...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657344
Дата охранного документа: 13.06.2018
16.06.2018
№218.016.62ee

Композиция для теплоизоляционного огнестойкого покрытия

Изобретение относится к строительным материалам и может применяться для теплоизоляции и огнезащиты бетонных и металлических поверхностей различных строительных конструкций и промышленного оборудования. Описана композиция для теплоизоляционного огнестойкого покрытия, содержащая, мас.ч.:...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657507
Дата охранного документа: 14.06.2018
16.06.2018
№218.016.632b

Способ управления процессом кристаллизации алюминиевых сплавов при литье под давлением

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении отливок из алюминиевых сплавов литьем под давлением. Способ включает нагрев металла до температуры выше ликвидуса, заливку жидкого металла в вакуумируемую полость формы из заливочной чаши после подрыва...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657668
Дата охранного документа: 14.06.2018
16.06.2018
№218.016.632e

Захватный корректирующий модуль

Изобретение относится к области машиностроения, роботостроения и может использоваться при выполнении сборочных операций для устранения рассогласования взаимного расположения сопрягаемых осесимметричных изделий. Захватный корректирующий модуль содержит привод линейного перемещения подвижного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657672
Дата охранного документа: 14.06.2018
20.06.2018
№218.016.641e

Шихта для изготовления термостойких керамических изделий

Изобретение относится к области производства технической керамики и огнеупоров, преимущественно огнеупорного и клинкерного кирпича, термостойких плиток для футеровки тепловых агрегатов в химической, стекольной и металлургической отраслях промышленности, для использования в дымовых трубах и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657878
Дата охранного документа: 18.06.2018
20.06.2018
№218.016.6421

Автоматизированный ортопедический аппарат внешней фиксации

Изобретение относится к медицинской технике. Автоматизированный ортопедический аппарат внешней фиксации содержит электромеханический привод с самотормозящимся планетарным роликовинтовым исполнительным механизмом, шток которого соосно соединен со сменным ходовым цилиндром, два кронштейна для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657937
Дата охранного документа: 18.06.2018
20.06.2018
№218.016.6441

Устройство для измерения крутящего момента

Изобретение относится к машиностроению, а именно к оборудованию для испытания, и может быть использовано для измерения крутящего момента в силовых установках, например в двигателях внутреннего сгорания. Заявленное устройство для измерения крутящего момента содержит вал со сменной торсионной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658142
Дата охранного документа: 19.06.2018
20.06.2018
№218.016.64ae

Способ и установка для определения вариативности передаточного отношения редуктора

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к испытательной технике для исследования и испытания редукторов. Способ определения вариативности передаточного отношения редуктора заключается в том, что обеспечивают исходные значения частоты вращения входного вала, момента торможения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658138
Дата охранного документа: 19.06.2018
25.06.2018
№218.016.669b

Спортивный снаряд для подготовки бойцов ударных стилей

Изобретение относится к спортивным тренажерам, к спортивным тренировочным устройствам и принадлежностям и предназначено для занятий боевыми искусствами, в частности боксом, рукопашным боем, кикбоксингом, в общем случае для подготовки бойцов ударных стилей и т.п. Снаряд содержит установленный на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658810
Дата охранного документа: 22.06.2018
25.06.2018
№218.016.669d

Тандем тренажер для развития плечевого пояса

Изобретение относится к спортивным тренажерам и предназначено для тренировки спортсменов на увеличение скорости движения рук и наработки скоростной выносливости. Тандем-тренажер для развития плечевого пояса содержит установленную с возможностью горизонтального возвратно-поступательного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658802
Дата охранного документа: 22.06.2018
Showing 1-9 of 9 items.
10.12.2014
№216.013.0dd6

Автономная система пожарной сигнализации

Изобретение относится к пожарно-охранной сигнализации. Технический результат заключается в упрощении конструкции и снижении электропотребления. Автономная система пожарной сигнализации содержит пожарные извещатели с тепловыми датчиками, которые соединены с приемным прибором двухпроводной линией...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002534959
Дата охранного документа: 10.12.2014
10.08.2015
№216.013.6e0b

Дымовой пожарный извещатель

Изобретение относится к области пожарной безопасности. Техническим результатом является повышение метрологической надежности и упрощение конструкции. Имеются излучатель, приемник дымности и приемник запыленности. Оптические каналы дымности и запыленности конструктивно образуют съемную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559729
Дата охранного документа: 10.08.2015
27.03.2016
№216.014.c63c

Система подачи топлива в камеру сгорания газодизеля

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложена система топливоподачи, содержащая источник дизельного топлива 1, источник сжиженного нефтяного газа (пропан-бутан) 2 и источник природного газа (метан) 3. Соотношение жидких фракций...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578770
Дата охранного документа: 27.03.2016
25.08.2017
№217.015.bbea

Датчик крутильных колебаний

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутильных колебаний валов. Датчик крутильных колебаний содержит установленный в корпусе на упругом шарнире чувствительный элемент с магнитоэлектрическим преобразователем, при этом чувствительный элемент...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615915
Дата охранного документа: 11.04.2017
20.06.2018
№218.016.6441

Устройство для измерения крутящего момента

Изобретение относится к машиностроению, а именно к оборудованию для испытания, и может быть использовано для измерения крутящего момента в силовых установках, например в двигателях внутреннего сгорания. Заявленное устройство для измерения крутящего момента содержит вал со сменной торсионной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658142
Дата охранного документа: 19.06.2018
20.06.2018
№218.016.64ae

Способ и установка для определения вариативности передаточного отношения редуктора

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к испытательной технике для исследования и испытания редукторов. Способ определения вариативности передаточного отношения редуктора заключается в том, что обеспечивают исходные значения частоты вращения входного вала, момента торможения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658138
Дата охранного документа: 19.06.2018
29.06.2018
№218.016.68be

Моментомер для статических измерений

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения статических или медленно меняющихся крутящих моментов. Заявленный моментомер для статических измерений содержит корпус, в котором с помощью подшипников размещен вал с преобразователем крутящего момента в угол поворота и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659180
Дата охранного документа: 28.06.2018
29.06.2018
№218.016.68cd

Установка для определения коэффициента трения

Изобретение относится к измерительной технике для машиностроения, а именно к установкам для определения параметров трения кинематических пар. Установка для определения коэффициента трения содержит каретку с расположенной на ней исследуемой кинематической парой трения. Исследуемая пара трения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659179
Дата охранного документа: 28.06.2018
29.06.2018
№218.016.6915

Способ определения момента трения в подшипниках качения

Изобретение относится к машиностроению, а именно к подшипниковой промышленности, и может быть использовано для приемных испытаний подшипников качения. По способу определения момента трения в подшипниках качения выявляют аналоговую функцию выбега, выбирают на этой функции два одинаковых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659101
Дата охранного документа: 28.06.2018
+ добавить свой РИД