МНОГОПОЛЮСНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Использование: в многополюсных шаговых двигателях с большим числом пар полюсов. Сущность изобретения: многополюсный ротор намагничен, имеет на одной из своих сто-рон, расположенной против полюсных наконечников чередующиеся полюса N и S, распределенные вдоль его периферии, намагниченные параллельно его оси. Каждый из полюсных наконечников имеет вогнутую внутреннюю кромку, снабженную зубцами, разделенными зубцами промежуточного наконечника. Сердечник, на который установлена катушка, связывает магнитнополюсные наконечники с катушкой. Шаг αs зубцов полюсных наконечников отличен от шага αr полюсов ротора. Это позволяет повысить точность и надежность. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к многополюсным шаговым двигателям с большим числом пар полюсов.
Из патента Швейцарии № 599707 известен многополюсный шаговый двигатель, в одном из вариантов которого ротор выполнен в виде диска и помещен в воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками. Весь узел из этих трех элементов, кроме того, помещен на цилиндрической катушке и на кольцевой детали. Такое выполнение имеет большие габариты и сложный монтаж.
В другом варианте выполнения полюсные наконечники также расположены друг над другом.
Из патента США № 4713565 известен шаговый двигатель, статорные полюсные наконечники которого также размещены с обеих сторон от плоскости магнита, что повы-шает габариты по высоте. Кроме того, плечи внутренних статоров известного двигателя имеют ширину практически такую же, что и толщина полюса ротора. Связь каждого внут-реннего статора с основанием только одним плечом приводит к усложнению изготовле-ния, а также к снижению механической стойкости и магнитному насыщению, если число полюсов ротора велико из-за малой ширины соединительных плеч.
Шаговый многополюсный двигатель, известный из заявки Франции № 2406907, так-же содержит ротор с постоянными магнитами чередующейся полярности, образующими N пар полюсов, распределенных вокруг центральной оси и намагничиваемых параллельно этой оси, и статорную магнитную цепь, содержащую обмотку, установленную на сердеч-ник. Кроме того, он содержит два основных полюсных наконечника, лежащих напротив друг друга в одной плоскости, перпендикулярной указанной оси, каждый из наконечников соединен с одним из концом сердечника и имеет вогнутый край с полюсными зубцами, распределенными вокруг оси, а ротор лежит в плоскости, параллельной плоскости полюс-ных наконечников.
Однако эта конструкция не устраняет недостатков предыдущих конструкций, в част-ности нагрузок на нижний подшипник вала ротора.
Целью изобретения является повышение точности и надежности.
На фиг. 1 показан вид в плане сверху магнитной цепи; на фиг. 2 – разрез А–А на фиг. 1; на фиг. 3 показан вид в плане и спереди с числом пар полюсов 31 и 30; на фиг. 6 показан вид в плане сверху; на фиг. 7 – разрез Б-Б на фиг. 6; на фиг. 8 – разрез В-В на фиг. 6; на фиг. 9 – схема, поясняющая исследование оптимизации конструктивны характеристик двигателя; на фиг. 10 –график, относящийся к исследованию оптимизации характеристик; на фиг. 11 показан схематично частичный вид основных элементов двигателя с 30 парами полюсов.
Однофазный многополюсный шаговый двигатель содержит два основных полюсных наконечника 1 и 2 магнитно соединенных с концами сердечника 3, несущего катушку 4 возбуждения. В схематическом примере фиг. 1 полюсные наконечники 1 и 2 полностью плоские и соединены с сердечником 3 путем наложения с перекрытием. Связь может осу-ществляться сваркой или иным образом. В одном из вариантов можно было бы предусмот-реть, чтобы один из полюсных наконечников был сформирован вырубкой, например в ви-де одной детали с сердечником 3. В этом случае другой полюсный наконечник должен был бы иметь сгиб для того, чтоб его соединительный язычок был вытянут в контакте с одной из передних поверхностей сердечника. Материалом полюсных наконечников 1 и 2 так же как и сердечника 3 является ферромагнитный материал с высоким пределом насыщения и малой остаточной намагниченностью.
Электродное устройство (не показано) периодически посылает импульсы чередую-щейся полярности в катушку 4 так, что каждый из обоих полюсных наконечников 1 и 2 поочередно выполняет функцию северного магнитного полюса и южного магнитного по-люса. Как видно из фиг. 2, оба основных полюсных наконечника 1 и 2 являются компла-нарными. Они расположены напротив друг друга и имеют каждый внутреннюю кромку вогнутого вида, вырубленную с профилем, который имеет определенное число полюсных зубцов 5. в случае, изображенном на фиг. 1, полюсные зубцы 5 имеют трапециевидную форму и разделены промежуточными зонами 6, кромки которых представляют собой сег-менты дуги, сцентрированные на оси, перпендикулярной плоскости полюсных наконеч-ников 1 и 2.
В описанном здесь варианте выполнения полюсные зубцы каждого из обоих нако-нечников 1 и 2 образуют группу из семи зубцов, имеющих полюсный шаг статоров αs.Зубцы 5 полюсного наконечника 1 расположены, как видно на фиг. 1, напротив соответ-ствующего зубца 5 противолежащего полюсного наконечника 2, и каждая из этих пар со-ответствующих зубцов 5 образуют воздушный зазор определенной ширины. Как видно из фиг. 1, оба воздушных зазора, о которых идет речь, неодинаковы по ширине однако такое положение не является критическим для достижения цели. Между обоими полюсными наконечниками 1 и 2 расположен промежуточный полюсный наконечник 7, который так-же представляет собой плоскую пластину такой же толщины, что и наконечники 1 и 2, также из ферромагнитного материала с малой остаточной намагниченностью и с высоким пределом насыщения. Промежуточный наконечник 7 имеет круговую форму и имеет на своей периферийной кромке две группы промежуточных зубцов 8, выполненных с профи-лем, являющимся дополняющим к профилю полюсных зубов 5, и размещенных между по-люсными зубцами 5, так, чтобы образовать между наконечником 7 и каждым из наконеч-ников 1 и 2 извилистые зазоры 9 практически постоянной ширины, но небольшой шири-ны.
Магнитное поле в пространстве по соседству с воздушными зазорами 9 и в момент импульсов взаимодействует с ротором 10, который состоит из диска или полюсного коль-ца, из постоянного магнита, который имеет многополюсное намагничивание с чередую-щимися полюсами 11 N и S, распределёнными по периферии ротора, намагниченными параллельно оси, то есть перпендикулярно плоскости магнитной цепи 1, 7, 3, 2.
На фиг. 2-4 изображено, каким образом ротор 10, который изображён схематично, взаимодействует с полюсными наконечниками 1 и 2. На фиг. 4, 5 видно, что ротор 10 намагничен таким образом, что все полюса 11 видны на одной из поверхностей 12 ротора. Вдоль кромки этой поверхности 12, следовательно, имеет место чередующееся распределе-ние полюсов N и S с полюсным шагом, который имеет значение αR. В изображенном при-мере по фиг. 4 ротор 10 намагничивается с 32 полюсами, то есть шестнадцатью парами по-люсов, вследствие чего полюсный шаг αr равен 2 π / 16. Вид магнитного поля, создаваемого в этом пространстве полюсами 11, схематически изображен на фиг. 5. На примере фиг. 11 показан ротор с 30 парами полюсов.
На фиг. 9 показана возможная характеристика описываемого двигателя. В тоже вре-мя, как угловой шаг пар полюсов ротора 10 равен αr, как это видно на фиг. 4, угловой шаг αs полюсных зубцов каждого из наконечников 1 и 2 немного отличается от полюсного ша-га αr и находится в пределах от 0,8 до 1,2 х αr с тем, чтобы свести до минимума паразитные моменты, которые могли бы нарушить работу двигателя.
При подаче в катушку управления импульса полярности, поляризующей наконечник 2 в северный полюс, а наконечник 1 в южный полюс (фиг. 3), ротор 10 (фиг.4) остановится в таком положении, что магнитная ось ротора, определенная, например, диаметральной линией между двумя противоположно лежащими полюсами N и S, располагается симмет-рично по отношению к магнитной оси статора полюсных наконечников 1 и 2. Как извест-но, в двигателе такого рода надо предусмотреть во время работы в шаговом режиме, чтобы в отсутствие импульса ротор самопроизвольно ориентировался в направлении, отличном от этой ориентации. Для этого предусмотреть, например, в определенных местах наконеч-ников 1, 2 и/или 7 отверстия или элементы 13 асимметричного профиля с тем, чтобы со-общить ротору нерабочее положение, несколько отличное от того, которое изображено н фиг. 3. При последующем импульсе, если наконечник 1 поляризован в северный полюс, ротор будет подвергаться воздействию вращающего момента, который заставит его повер-нуться на один шаг то есть на угол, равный ½ αr = 2π/2N, в результате чего полюс Sb уста-новится симметрично на один из зубцов 5 наконечника 1.
В связи с тем, что угловой шаг зубцов статора немного отличен, в данном случае не-сколько больше, чем угловой шаг пар полюсов ротора, соседние полюса с теми, которые были обозначены Sа и Sb на фиг. 4, не окажутся в положениях, симметричных относитель-но зубцов 5 полюсных наконечников 1 и 2 (фиг.3), которые они перекрывают. Именно та-кое положение приведет к ослаблению или даже устранению некоторых паразитных мо-ментов.
Прежде чем рассматривать более подробно определение условий, позволяющих сдержать эти паразитные моменты, ниже будет вкратце описан со ссылками на фиг. 6-8 пример применения двигателя, описываемого в практическом случае. Оба полюсных наконечника 1 и 2 закреплены посредством винтовых соединений 14 и 15 на опорной пла-стине 16 так, чтобы оказаться в той же самой плоскости, параллельной плоскости пласти-ны 16. Они расположены таким же образом, что и на фиг. 1 и 3, а винтовые соединения 15 также прикрепляют по отношению к пластине 16 сердечник, на который установлена ка-тушка 4 возбуждения. Промежуточный полюсный наконечник 7 прикреплен на крон-штейне 17 в нескольких частях, введенном в центральное отверстие пластины 16, одно-временно выполняя функцию подшипника для вала 18 роторного узла 19 и опорной детали для промежуточной пластины 7. Другой подшипник 20, направляющий вал 18, прикреп-лен к закрывающей пластине 21 прямоугольной формы, которая удерживается на расстоя-нии от опорной пластины 16 с помощью винтовых соединений 14.
Роторный узел 19 описанного двигателя содержит кольцевой якорь 21, профиль ко-торого виден на фиг. 8, через который проходит вал 18 и в котором фальцовкой закреплено намагничиваемое кольцо 10 ротора. Вал 18 проходит в виде выступа над пластиной 21 и может принимать соединительный элемент, который поддерживает любой элемент, кото-рый должен быть приведен в движение ротором. В крупносерийном производстве ротор-ный узел 19 может изготавливаться полностью или частично с помощью операции инъек-цирования магнитного материала, как, например, пластоферрита.
Двойная шестерня роторного узла содержит две части 23 и 24 различного диаметра, что позволяет приводить в движение вращающиеся органы зубчатого часового механизма, вал 18 обеспечивает вращение ротора в подшипниках и несет секундную стрелку. Кольце-вой якорь 22 ротора установлен на корпусе 25, центральную часть которого образует сред-ство 26.
Обратимся теперь к одной из характеристик описанной конструкции, благодаря ко-торой возможно свободное определение определенных конструктивных параметров в за-висимости от требуемых для получения параметров.
Как видно из фиг. 3, благодаря наличию промежуточного полюсного наконечника 7 магнитный поток, который создается в этом пространстве в момент импульсов, строго направляться извилистым воздушным зазором 9.
На графике фиг. 10 показан вид различных моментов, которые надо учитывать для определения размеров двигателя. Кривая момента Мi обозначает силовой момент, который воздействует на ротор в момент импульса в зависимости от его углового положения отно-сительно статора. Это периодическая кривая, период который равен a S = 2 π/N. Кривая Мр обозначает фиксирующий момент, который обеспечивает позиционирование ротора в те-чение периодов между импульсами. Ее период равен a S / 2, то есть 2π / 2N. Кривая обозна-чаемая М par, обозначает одно из многих паразитных кривых, наличие которых зависит от формы и шага полюсных зубцов 5 наконечников 1, 2. Форма этой кривой может быть из-менена в результате тщательного подбора параметра k, который дает соотношение между шагом полюсных зубцов и шагом полюсов ротора. Эти паразитные моменты представляют собой гармоники высшего ряда момента позиционирования Мi. Можно добиться устране-ния второй и четвертой гармоник в результате точного выбора соотношения. И, наконец, линия Мr обозначает момент сопротивления от трения, вызываемый подшипником. Мо-мент МW обозначает сумму внешних механических моментов, воздействующих на ротор, как, например момента трения в зубчатой передаче, момента дебаланса стрелок и т. д.
Уже были проведены экспериментальные исследования на опытном образце, которые позволили признать, что можно составить для данного образа график изображенный на фиг. 10, который дает форму изменения амплитуд моментов Мri и Мpar в зависимости от значения, которое выбирают для параметра k. На фиг. 10 паразитный момент Мpar пред-ставляет собой момент второй гармоники Мp, и видно, например, что этот паразитный мо-мент может быть устранен с помощью выбора значения 1,04 для коэффициента К. В то время, как этот коэффициент приводит к некоторому уменьшению амплитуды Мi, это уменьшение невелико.
Таким образом, изобретение позволяет легко изготовить двигатель малых размеров и, в частности, мало высоты с высоким числом шагов наоборот и, в частности, с 60 шагами за оборот. Размеры этого двигателя могут быть разработаны таким образом, чтобы условия работы были оптимальными, в частности, с точки зрения расхода тока, максимально све-денного до минимума. Этот двигатель позволяет изготовлять детали для часов, в которых секундная стрелка может быть установлена непосредственно на приводной вал, что значи-тельно снижает значение необходимых зубчатых передач. Как было видно на фиг. 5, в описанном варианте выполнения намагничивание ротора приводит к тому, что все полюса чередующейся полярности выполнены на одной сторон намагниченного кольца. Возможна и иная форма осуществления, где ротор намагничен чисто параллельно к оси, то есть обе его поверхности намагничены, а полюса одной из его сторон всегда прямо противополож-ны полюсам противоположного знака на противолежащей его стороне. Возможен вариант выполнения средства фиксирования ротора в виде ферромагнитных элементов, располо-женных напротив кромки ротора или его передней поверхности, лежащей напротив по-люсных наконечников. Многочисленные варианты описанного осуществления возможны.
Таким образом, изобретение позволяет получить шаговый двигатель с 60 шагами за оборот при простой его конструкции с малой высотой без значительного снижения КПД.

Патент Швейцарии № 599707, кл. Н 02 К 37/00, 1980.
Патент США № 4713565, кл. Н 02 К 37/00, 1980.
Патент Франции № 2406907, кл. Н 02 К 37/00, G 04 C 3/00, 1979