RU2093946C1 - Stepping motor - Google Patents

Abstract

FIELD: automatic-control systems and digital-control drives. SUBSTANCE: motor has permeable rings placed in spaces of toothed annular magnetic cores in a spaced relation to their inner surfaces and attached to ends of permanent magnet. EFFECT: improved design.

Description

Изобретение относится к электрическим машинам, преобразующим электрическую энергию в виде импульсов тока в дискретное перемещение вала, и может быть использовано в автоматических системах и в электроприводах с цифровым управлением. The invention relates to electric machines that convert electrical energy in the form of current pulses into discrete shaft movement, and can be used in automatic systems and in digitally controlled electric drives.

Известен шаговый электродвигатель, содержащий статор и ротор с двумя зубчатыми магнитопроводами, неподвижно установленными на валу [1]
Недостатком электродвигателя являются его низкие динамические свойства, поскольку масса магнита, неподвижно закрепленного на роторе, значительно увеличивает момент инерции ротора.Known stepper motor containing a stator and a rotor with two toothed magnetic circuits, fixedly mounted on the shaft [1]
The disadvantage of the electric motor is its low dynamic properties, since the mass of the magnet fixed on the rotor significantly increases the moment of inertia of the rotor.

Известен и менее инерционный шаговый электродвигатель, содержащий статор, ротор с двумя зубчатыми магнитопроводами, неподвижно установленными на валу, и цилиндрический постоянный магнит, размещенный между магнитопроводами и намагниченный в аксиальном направлении. Магнит неподвижно закреплен на статоре с помощью винтов и пластин [2]
Недостатком этого электродвигателя является его конструктивная сложность, что усложняет и удорожает изготовление, увеличивает вес и габариты.A less inertial stepper motor is also known, comprising a stator, a rotor with two toothed magnetic circuits, fixedly mounted on the shaft, and a cylindrical permanent magnet located between the magnetic circuits and magnetized in the axial direction. The magnet is fixed on the stator with screws and plates [2]
The disadvantage of this electric motor is its structural complexity, which complicates and increases the cost of manufacture, increases weight and dimensions.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является принятый за прототип низкоинерционный шаговый электродвигатель, содержащий статор и ротор, включающий два неподвижно установленных на валу зубчатых магнитопровода. Между магнитопроводами размещен аксиально намагниченный цилиндрический постоянный магнит, установленный на валу через подшипники с возможностью свободного вращения. Зубчатые магнитопроводы выполнены в виде полых стаканов, обращенных друг к другу своими внутренними полостями. Дискообразная стенка магнитопровода концентрирует магнитный поток, исходящий из полюса постоянного магнита, и проводит к цилиндрической зубчатой стенке, по которой тот распределяется в осевом и окружном направлениях. Далее поток переходит на статор через радиальный зазор между магнитопроводом и статором и аналогичным путем в обратном направлении замыкается на роторе через второй магнитопровод и второй полюс магнита [3]
Описываемый электродвигатель все же имеет недостаточно низкую инерционность из-за относительно большой инерционной массы зубчатых магнитопроводов, толщина стенок которых, рассчитанная по условиям ненасыщенной магнитной цепи, значительно превышает расчетную по условию прочности. В результате увеличивается время разгона и торможения ротора, а динамические свойства электродвигателя снижаются.Closest to the claimed technical essence and the achieved result is a low-inertia stepper motor adopted as a prototype, comprising a stator and a rotor, including two gear magnetic cores fixed on the shaft. Between the magnetic circuits there is an axially magnetized cylindrical permanent magnet mounted on the shaft through bearings with the possibility of free rotation. Toothed magnetic cores are made in the form of hollow glasses facing each other with their internal cavities. The disk-shaped wall of the magnetic circuit concentrates the magnetic flux emanating from the pole of the permanent magnet and leads to a cylindrical gear wall, along which it is distributed in axial and circumferential directions. Then the flow passes to the stator through the radial clearance between the magnetic circuit and the stator and in a similar way in the opposite direction closes on the rotor through the second magnetic circuit and the second pole of the magnet [3]
The described motor still has a low inertia due to the relatively large inertial mass of the gear magnetic cores, the wall thickness of which, calculated according to the conditions of the unsaturated magnetic circuit, is much higher than the calculated one according to the strength condition. As a result, the acceleration and braking times of the rotor are increased, and the dynamic properties of the electric motor are reduced.

Задача изобретения состоит в том, чтобы уменьшить инерционную массу зубчатых магнитопроводов. Тем самым снизить инерционность ротора, сократить время его разгона и торможения и, как следствие, повысить динамические свойства электродвигателя. The objective of the invention is to reduce the inertial mass of the gear magnetic cores. Thus, to reduce the inertia of the rotor, reduce the time of its acceleration and braking, and, as a result, increase the dynamic properties of the electric motor.

Поставленная задача решается тем, что шаговый электродвигатель, содержащий статор, ротор, включающий аксиально намагниченный цилиндрический постоянный магнит, установленный на валу с возможностью вращения, и два неподвижно закрепленных на валу кольцевых зубчатых магнитопровода, согласно изобретения снабжен магнитопроводящими кольцами, которые размещены в полостях кольцевых зубчатых магнитопроводов с зазором относительно их внутренней поверхности и прикреплены к торцам постоянного магнита. The problem is solved in that the stepper motor containing a stator, a rotor comprising an axially magnetized cylindrical permanent magnet mounted on a shaft rotatably, and two annular gear magnetic circuits fixedly mounted on the shaft, according to the invention is equipped with magnetically conducting rings that are located in the cavities of the ring gear magnetic circuits with a gap relative to their inner surface and are attached to the ends of the permanent magnet.

Целесообразно магнитопроводящие кольца выполнять высотой в пределах 0,9-1,1 от высоты полости кольцевых зубчатых магнитопроводов или высотой, близкой к указанному диапазону, что позволяет повысить динамические свойства двигателя. It is advisable to conduct magnetic rings with a height in the range of 0.9-1.1 from the height of the cavity of the ring gear magnetic circuits or with a height close to the specified range, which allows to increase the dynamic properties of the engine.

Благодаря установке магнитопроводящих колец в полости кольцевых зубчатых магнитопроводов обеспечена возможность пропускания магнитного потока между полюсами магнита и статора только через цилиндрическую стенку кольцевого магнитопровода, минуя его дискообразную стенку. При этом основная часть магнитного потока может быть пропущена через цилиндрическую стенку в радиальном направлении, в котором площадь поперечного сечения имеет максимальную величину. Это позволяет значительно уменьшить плотность магнитного потока в кольцевом магнитопроводе и рассчитывать его минимальные размеры по условию прочности, а не магнитного насыщения. Thanks to the installation of magnetic rings in the cavity of the ring gear magnetic circuits, it is possible to pass magnetic flux between the poles of the magnet and the stator only through the cylindrical wall of the ring magnetic circuit, bypassing its disk-shaped wall. In this case, the main part of the magnetic flux can be passed through the cylindrical wall in the radial direction, in which the cross-sectional area has a maximum value. This allows you to significantly reduce the density of the magnetic flux in the annular magnetic circuit and calculate its minimum size according to the condition of strength, and not magnetic saturation.

Другие технические решения, содержащие признаки, изложенные в формуле изобретения в качестве отличительных, не известны, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". Other technical solutions containing the features set forth in the claims as distinctive are not known, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of "novelty" and "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен шаговый электродвигатель в разрезе. The invention is illustrated in the drawing, which shows a stepwise electric motor in section.

Электродвигатель имеет корпус 1, с установленным в нем зубчатым статором 2, на явновыраженных полюсах которого расположена обмотка 3, и ротор, включающий в себя вал 4, свободно вращающийся на нем цилиндрический постоянный магнит 5, намагниченный в аксиальном направлении, и два кольцевых зубчатых магнитопровода 6 и 7, неподвижно закрепленных на валу 4. Каждый из магнитопроводов 6 и 7 имеет цилиндрическую 8 и дискообразную 9 стенки. К торцам постоянного магнита 4 прикреплены магнитопроводящие кольца 10 и 11, опирающиеся на подшипники 12 и 13 и размещенные в полостях кольцевых зубчатых магнитопроводов 6 и 7 с зазорами 14 и 15 относительно стенок 8 и 9. The electric motor has a housing 1, with a gear stator 2 installed in it, on a clearly defined poles of which a winding 3 is located, and a rotor including a shaft 4, a cylindrical permanent magnet 5 magnetized in the axial direction, and two ring gear magnetic circuits 6 freely rotating on it and 7, fixedly mounted on the shaft 4. Each of the magnetic circuits 6 and 7 has a cylindrical 8 and disk-shaped 9 walls. Magnetically conducting rings 10 and 11 are attached to the ends of the permanent magnet 4, which are supported by bearings 12 and 13 and are located in the cavities of the ring gear magnetic circuits 6 and 7 with gaps 14 and 15 relative to the walls 8 and 9.

Электродвигатель работает следующим образом. The electric motor operates as follows.

При подаче питания к обмотке 3 благодаря зубчатости статора 2 и магнитопроводов 6 и 7 на последние действует вращающий момент, приводящий вал 4 во вращение. Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 5, входит в магнитопроводящее кольцо 10, равномерно распределяется по его внешней цилиндрической поверхности и входит в радиальном направлении в цилиндрическую стенку 8 магнитопровода 6 через кольцевой зазор 14. В цилиндрической стенке 8 магнитный поток распределяется в тангенциальном направлении в соответствии с полярностью полюсов статора, создаваемой током, протекающим по обмотке 3 статора 2. Затем магнитный поток входит в статор 2 и корпус 1, смещается в аксиальном направлении и аналогичным путем в обратном направлении замыкается на второй полюс постоянного магнита 5. При этом магнитный поток проходит в радиальном направлении через статор 2, цилиндрическую стенку 8 магнитопровода 7, кольцевой зазор 15 и магнитопроводящее кольцо 11. Дискообразные стенки 9 магнитопроводов 6 и 7 находятся за пределами траектории движения основного магнитного потока и разгружены от него, вследствие чего могут иметь минимальную толщину, определяемую только по условию прочности и, следовательно, имеет минимальную инерционную массу. Цилиндрическая стенка 8 пропускает основную часть магнитного потока в радиальном направлении через максимальное по площади сечение, равное произведению длины ее окружности на высоту, что позволяет выполнить ее минимальной по толщине и инерционной массе. При разгоне ротора магнитное поле статора 2, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита 5, приводит во вращение зубчатые магнитопроводы 6 и 7 вместе с валом 4. Магнит 5 с магнитопроводящими кольцами 10 и 11 в начале разгона ротора магнит 5 остается неподвижным и разгоняется под действием полей рассеяния после того, как вал 4 приобретет устойчивую скорость вращения. При торможении двигателя первым останавливается вал 4 вместе с магнитопроводами 6 и 7, а магнит 5 с магнитопроводящими кольцами 10 и 11, продолжая свободно вращаться на подшипниках 12 и 13, останавливается после остановки вала 4. When applying power to the winding 3 due to the gearing of the stator 2 and the magnetic circuits 6 and 7, the latter are affected by the torque that drives the shaft 4 into rotation. The magnetic flux generated by the permanent magnet 5 enters the magnetically conducting ring 10, is evenly distributed over its outer cylindrical surface and enters radially into the cylindrical wall 8 of the magnetic circuit 6 through the annular gap 14. In the cylindrical wall 8, the magnetic flux is distributed in the tangential direction in accordance with the polarity of the stator poles created by the current flowing through the winding 3 of the stator 2. Then the magnetic flux enters the stator 2 and the housing 1, is shifted in the axial direction and is similar In the opposite direction, it closes to the second pole of the permanent magnet 5. In this case, the magnetic flux passes radially through the stator 2, the cylindrical wall 8 of the magnetic circuit 7, the annular gap 15 and the magnetic conductive ring 11. The disk-shaped walls 9 of the magnetic circuits 6 and 7 are outside the path the motion of the main magnetic flux and unloaded from it, as a result of which they can have a minimum thickness, determined only by the condition of strength and, therefore, has a minimum inertial mass. A cylindrical wall 8 passes the main part of the magnetic flux in the radial direction through the maximum cross-sectional area equal to the product of the length of its circumference by height, which allows it to be minimal in thickness and inertial mass. When the rotor accelerates, the magnetic field of the stator 2, interacting with the magnetic field of the permanent magnet 5, rotates the toothed magnetic circuits 6 and 7 together with the shaft 4. Magnet 5 with magnetic rings 10 and 11 at the beginning of the acceleration of the rotor, magnet 5 remains stationary and accelerates under the influence of fields scattering after the shaft 4 acquires a steady rotation speed. When the engine brakes, the shaft 4 first stops along with the magnetic circuits 6 and 7, and the magnet 5 with the magnetic rings 10 and 11, continuing to rotate freely on the bearings 12 and 13, stops after the shaft 4 stops.

Снижение инерционной массы магнитопроводов 6 и 7 позволяет снизить общую инерционную массу ротора в моменты резкого изменения скорости вращения, уменьшить время его разгона и торможения, повысить динамические свойства электродвигателя. Reducing the inertial mass of the magnetic circuits 6 and 7 allows you to reduce the total inertial mass of the rotor at the time of a sharp change in rotational speed, to reduce the time of its acceleration and braking, to increase the dynamic properties of the electric motor.

Источники информации:
1. Патент США N 3321651, кл. 310-156, 1967.Information sources:
1. US patent N 3321651, CL. 310-156, 1967.

2. Патент США N 3500081, кл. 310-49, 1970. 2. US patent N 3500081, cl. 310-49, 1970.

3. Авт. свид. СССР N 625292, H02K 37/00, 1977 г. (прототип). 3. Auth. testimonial. USSR N 625292, H02K 37/00, 1977 (prototype).

Claims (1)

Шаговый электродвигатель, содержащий статор, ротор с аксиально намагниченным цилиндрическим постоянным магнитом, установленным с возможностью вращения и двумя неподвижно закрепленными на валу кольцевыми зубчатыми магнитопроводами, отличающийся тем, что электродвигатель снабжен магнитопроводящими кольцами, которые размещены в полостях кольцевых зубчатых магнитопроводов с зазором относительно их внутренних поверхностей и прикреплены к торцам постоянного магнита. A stepper motor comprising a stator, a rotor with an axially magnetized cylindrical permanent magnet mounted rotatably and two ring gear magnetic circuits fixedly mounted on the shaft, characterized in that the electric motor is equipped with magnetic circuits that are placed in the cavities of the ring gear magnetic circuits with a gap relative to their internal surfaces and attached to the ends of the permanent magnet.