RU2222091C1 - Linear stepping motor - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering; stepping motors. SUBSTANCE: linear stepping motor has frame, movable flexible member contacting driven link in the form of rod, and two windings connected to switch-mode power supply; movable flexible member is made in the form of closed cylindrical chamber that has axial bore and is filled with ferromagnetic liquid; chamber is provided with internal cylindrical wall made of flexible material; driven link rod is coaxially and loosely disposed within chamber bore; windings are symmetrically mounted in frame around rod either side of chamber and separated from butt-end surfaces of the latter by means of flexible circular spacers attached to windings; chamber has adjustable axial stepwise displacement limiters in the form of threaded bushings turned onto edges of chamber outer surface. EFFECT: simplified design of motor. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах с поступательным дискретным движением рабочего органа, например в роботах-манипуляторах в устройствах автоматики, в системах электропривода подачи металлорежущих станков. The invention relates to electrical engineering and can be used in devices with translational discrete movement of the working body, for example in robotic manipulators in automation devices, in electric drive systems for supplying metal cutting machines.

Известен электромагнитный линейный двигатель, содержащий два электромагнита с катушками, якорями и магнитопроводами с фиксаторами, взаимодействующими с зубчатой рейкой, причем один электромагнит расположен внутри другого, а якорь каждого электромагнита жестко связан с магнитопроводом другого электромагнита /см. а.с. СССP 957366, кл. Н 02 К 41/03, 1982 [1]/. Known electromagnetic linear motor containing two electromagnets with coils, anchors and magnetic circuits with latches interacting with a gear rack, with one electromagnet located inside the other, and the anchor of each electromagnet is rigidly connected to the magnetic circuit of the other electromagnet / cm. A.S. СССP 957366, class H 02 K 41/03, 1982 [1] /.

Недостатками данного двигателя являются сложность конструкции, значительные вес и габариты, а также значительное потребление электроэнергии вследствие необходимости перемещения в процессе работы всего электродвигателя. The disadvantages of this engine are the design complexity, significant weight and dimensions, as well as significant energy consumption due to the need to move the entire motor during operation.

Известен также электромагнитный линейный двигатель, содержавший электромагнит в виде корпуса со стопорными элементами, входящими в зацепление с упорами направляющих, цилиндрического магнитопровода, катушки возбуждения с воздушным зазором и ферромагнитного сердечника, установленного в зазоре и соединенного с помощью стержней и пружины сжатия с ограничителями перемещения и фланцем /см. а.с. СССР 1483563 кл. Н 02 К 41/03, 1987 [2]/. An electromagnetic linear motor is also known, containing an electromagnet in the form of a housing with locking elements engaged with guide stops, a cylindrical magnetic circuit, an excitation coil with an air gap, and a ferromagnetic core installed in the gap and connected by means of rods and a compression spring with movement limiters and a flange /cm. A.S. USSR 1483563 cells H 02 K 41/03, 1987 [2] /.

Недостатками данного устройства также являются сложность конструкции вследствие необходимости перемещения за два такта с поочередной фиксацией фланца и корпуса, а также значительное потребление электроэнергии вследствие необходимости перемещения в процессе работы большой массы всего двигателя вместе с корпусом. The disadvantages of this device are also the design complexity due to the need to move in two cycles with the alternate fixing of the flange and the housing, as well as significant energy consumption due to the need to move the large mass of the entire engine with the housing during operation.

Кроме того, известен линейный шаговый электродвигатель, содержащий ферромагнитную направляющую и два электромагнита с обмотками и фиксаторами, размешенные в немагнитном корпусе, заполненном ферромагнитной жидкостью /см. а.с. СССР 1363395, кл. H 02 К 41/03, 1986 [3]/. In addition, a linear stepper motor is known that contains a ferromagnetic guide and two electromagnets with windings and clamps, housed in a non-magnetic casing filled with ferromagnetic fluid / cm. A.S. USSR 1363395, class H 02 K 41/03, 1986 [3] /.

Недостатками данного устройства являются значительная сложность конструкции и эксплуатации, значительное потребление электроэнергии, а также низкая надежность. Это объясняется наличием значительного числа связанных между собой узлов, включением в один такт рабочего процесса целого ряда последовательных циклов: фиксация первого электромагнита, подача напряжения на оба электромагнита, фиксация второго электромагнита, новая подача напряжения на оба электромагнита и т.д., а также необходимость перемещения двух электромагнитов вместе с корпусом и жидкостью, размещения всех вышеуказанных узлов внутри ферромагнитной жидкости в условиях относительных взаимных перемещений всех узлов: электромагнитов, фиксаторов, корпуса, направляющей, при необходимости сохранения полной герметичности. The disadvantages of this device are the significant complexity of the design and operation, significant energy consumption, as well as low reliability. This is due to the presence of a significant number of interconnected nodes, the inclusion in a single cycle of the workflow of a number of consecutive cycles: fixing the first electromagnet, applying voltage to both electromagnets, fixing the second electromagnet, re-applying voltage to both electromagnets, etc., as well as the need the movement of two electromagnets together with the housing and the liquid, the placement of all the above nodes inside the ferromagnetic fluid in the conditions of relative mutual movements of all nodes: electromagnets s, clamps, housings, guides, with the need to preserve the full integrity.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является линейный электродвигатель, содержащий корпус, источник магнитного поля с полюсами, подвижный гофрированный упругий элемент с жестко скрепленной на нем обмоткой, размещенной между полюсами источника и подключенной к импульсному источнику питания, а также ведомое звено, выполненное в виде стержня, установленного с натягом между гофрами упругого элемента /см. а. с 1365275, кл. Н 02 К 33/10, 41/03, 1986 [4]/, принятый за прототип. The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a linear electric motor containing a housing, a magnetic field source with poles, a movable corrugated elastic element with a winding rigidly fastened on it, placed between the poles of the source and connected to a switching power supply, as well as a slave a link made in the form of a rod installed with an interference fit between the corrugations of the elastic element / cm. a. since 1365275, cl. N 02 K 33/10, 41/03, 1986 [4] /, adopted as a prototype.

Недостатками устройства-прототипа являются сравнительно малое тяговое усилие и низкая надежность конструкции, что объясняется минимальным изменением радиальных размеров гофр при осевых деформациях упругого элемента, закреплением катушки с обмоткой непосредственно на подвижном упругом элементе и т.д. The disadvantages of the prototype device are the relatively low tractive effort and low structural reliability, which is explained by the minimal change in the radial dimensions of the corrugations during axial deformation of the elastic element, fixing the coil with the winding directly on the movable elastic element, etc.

Сущность изобретения заключается в создании линейного шагового электродвигателя, в котором однонаправленное импульсное движение ведомого звена создается за счет формирования сил механического взаимодействия звена с помощью сил электрического взаимодействия обмотки и ферромагнитной жидкости в рабочие полупериоды движения. The essence of the invention is to create a linear stepper motor in which the unidirectional pulsed motion of the driven unit is created by the formation of the forces of the mechanical interaction of the unit using the forces of the electrical interaction of the winding and the ferromagnetic fluid during the working half-periods of movement.

Технический результат - упрощение конструкции, увеличение тягового усилия и повышение надежности. The technical result is a simplification of the design, increased traction and increased reliability.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном линейном шаговом электродвигателе, содержащем корпус, подвижный упругий элемент, контактирующий с ведомым звеном в виде стержня, и две обмотки, подключенные к импульсному источнику питания, особенность заключается в том, что подвижный упругий элемент выполнен в виде замкнутой цилиндрической камеры с осевым отверстием, заполненной ферромагнитной жидкостью и имеющей выполненную из эластичного материала внутреннюю цилиндрическую стенку, стержень ведомого звена размещен коаксиально и свободно в осевом отверстии камеры, а обмотки установлены в корпусе с охватом стержня симметрично по обе стороны камеры и разделены с торцевыми поверхностями последней, прикрепленными к обмоткам упругими кольцевыми прокладками, при этом камера снабжена регулируемыми ограничителями осевых шаговых перемещений в виде резьбовых втулок, навернутых на края наружной поверхности камеры. The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known linear stepping motor comprising a housing, a movable elastic element in contact with the driven member in the form of a rod, and two windings connected to a switching power supply, the feature is that the movable elastic element made in the form of a closed cylindrical chamber with an axial hole filled with a ferromagnetic fluid and having an inner cylindrical wall made of elastic material, st the slave link is placed coaxially and freely in the axial hole of the chamber, and the windings are installed in the housing with a rod span symmetrically on both sides of the chamber and are separated from the end surfaces of the latter by elastic ring spacers attached to the windings, while the chamber is equipped with adjustable axial step motion limiters in the form threaded bushings screwed to the edges of the outer surface of the chamber.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображен предлагаемый двигатель, общий вид с центральным продольным разрезом. The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows the proposed engine, a General view with a Central longitudinal section.

Линейный шаговый электродвигатель содержит корпус 1, упругий элемент, контактирующий с ведомым звеном в виде стержня 2, установленного в направляющих линейного перемещения 3, 4, и две обмотки 5, 6, подключенные к импульсному источнику питания /на чертеже не показан/, при этом подвижный упругий элемент выполнен в виде замкнутой цилиндрической камеры 7 с осевым отверстием 8, заполненной ферромагнитной жидкостью 9 и имеющей выполненную из эластичного материала, например из толстой фторопластовой пленки, внутреннюю цилиндрическую стенку 10, стержень 2 ведомого звена размещен коаксиально и свободно в осевом отверстии 8 камеры 7, а обмотки 5, 6 жестко установлены в корпусе 1 со свободным охватом стержня 2 симметрично по обе стороны камеры 7 и разделены с торцевыми поверхностями последней, прикрепленными к обмоткам 5, 6 упругими кольцевыми прокладками 11, 12, причем камера 7 снабжена регулируемыми ограничителями осевых шаговых перемещений в виде резьбовых втулок 13, 14, навернутых на края наружной поверхности камеры 7. На обмотках 5, 6 на внутренних, обращенных к камере 7 плоскостях, размещены жесткие кольцевые подложки /на чертеже не показаны/ для упора в них упругих прокладок 11, 12 и резьбовых втулок 13, 14. Таким образом, каждая из прокладок 11, 12 прикреплена одной своей плоскостью к соединенной с соответствующей обмоткой 5, 6 подложке, при этом другая плоскость прокладки 11, 12 контактирует с торцевой поверхностью камеры 7 без крепления к последней. The linear stepper motor comprises a housing 1, an elastic element in contact with the driven member in the form of a rod 2, mounted in linear guides 3, 4, and two windings 5, 6 connected to a switching power supply / not shown /, while movable the elastic element is made in the form of a closed cylindrical chamber 7 with an axial hole 8 filled with a ferromagnetic fluid 9 and having made of an elastic material, for example, of a thick fluoroplastic film, an inner cylindrical wall 10, a rod The slave link 2 is placed coaxially and freely in the axial hole 8 of the chamber 7, and the windings 5, 6 are rigidly mounted in the housing 1 with a free grip of the rod 2 symmetrically on both sides of the chamber 7 and are divided with the end surfaces of the latter attached to the windings 5, 6 by elastic ring gaskets 11, 12, and the chamber 7 is equipped with adjustable limiters of axial step movements in the form of threaded sleeves 13, 14 screwed to the edges of the outer surface of the chamber 7. On the windings 5, 6 on the inner planes facing the chamber 7, there is a gesture ring annular substrates / not shown / for stopping the elastic gaskets 11, 12 and threaded sleeves 13, 14. In this way, each of the gaskets 11, 12 is attached with its own plane to the substrate connected to the corresponding winding 5, 6, while the other plane of the strip 11, 12 is in contact with the end surface of the chamber 7 without being attached to the latter.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. The engine is as follows.

При включенных обмотках 5, 6 камера 7 расположена симметрично между обмотками 5, 6, упругие прокладки 11, 12 не деформированы и контактируют с торцами камеры 7, жидкость 9 равномерно заполняет полость камеры 7, при этом упругая цилиндрическая стенка 10 камеры 7 также не деформирована, то есть между ней и стержнем 2 имеется радиальный зазор, дающий камере 7 возможность свободно смещаться в осевом направлении относительно стержня 2. Упругие прокладки 11, 12 имеют в осевом направлении минимальную жесткость на сжатие, достаточную только для приведения камеры 17 в указанное выше симметричное положение. При подаче импульса тока, например, в левую на чертеже обмотку 5 за счет действия электромагнитного поля обмотки 5 ферромагнитная жидкость 9 стремится сместиться влево в сторону обмотки 5. При этом с одной стороны вся камера 7 движется влево, сжимая упругую прокладку 11 и отходя от прокладки 12, а с другой стороны жидкость 9 деформирует внутрь упругую стенку 10 в левой части камеры 7, за счет этого камера 7 зажимает стержень 2, в результате чего стержень 2 смещается вместе с камерой влево. Осевой зазор между левым торцом резьбовой втулки 13 и обмоткой 5 заранее выставляется равным требуемой величине шага перемещения, поэтому стержень сместится влево только на величину шага. При отключении импульса тока в обмотке 5 жидкость 9 опять займет равномерно распределенное положение в камере 7, стенка 10 выпрямится, камера 7 отпустит стержень 2, прокладка 11 разожмется и вернет камеру 7 в исходное состояние. Естественно, при этом стержень 2 /ведомое звено/ останется в смещенном влево на шаг положении. Таким образом, обеспечивается поступательное движение ведомого звена 2 влево с необходимой и заранее задаваемой дискретностью позиционирования, то есть движение в шаговом режиме. Аналогично, при подаче и снятии импульсов тока в обмотку 6 происходит движение такого же характера вправо. When the windings 5, 6 are turned on, the chamber 7 is located symmetrically between the windings 5, 6, the elastic gaskets 11, 12 are not deformed and are in contact with the ends of the chamber 7, the liquid 9 evenly fills the cavity of the chamber 7, while the elastic cylindrical wall 10 of the chamber 7 is also not deformed, that is, there is a radial clearance between it and the rod 2, allowing the chamber 7 to be able to move freely in the axial direction relative to the rod 2. The elastic gaskets 11, 12 have in the axial direction a minimum compressive rigidity sufficient only to bring the cam Step 17 to the above symmetrical position. When a current pulse is applied, for example, to the left winding 5 in the drawing, due to the action of the electromagnetic field of the winding 5, the ferromagnetic fluid 9 tends to shift to the left towards the winding 5. In this case, on the one hand, the entire chamber 7 moves to the left, compressing the elastic gasket 11 and moving away from the gasket 12, and on the other hand, the liquid 9 deforms inwardly the elastic wall 10 on the left side of the chamber 7, due to this, the chamber 7 clamps the rod 2, as a result of which the rod 2 moves to the left together with the chamber. The axial clearance between the left end of the threaded sleeve 13 and the winding 5 is pre-set equal to the required value of the step of movement, so the rod will only shift to the left by the step size. When the current pulse in the winding 5 is turned off, the liquid 9 will again occupy a uniformly distributed position in the chamber 7, the wall 10 will straighten, the chamber 7 will release the rod 2, the gasket 11 will unclench and return the chamber 7 to its original state. Naturally, while the rod 2 / slave link / will remain in a position shifted to the left by a step. Thus, the translational movement of the driven link 2 to the left is provided with the necessary and predetermined discreteness of positioning, that is, movement in step mode. Similarly, when applying and removing current pulses to the winding 6, a movement of the same nature to the right occurs.

Предложенное устройство в отличие от известных имеет предельно простую конструкцию, не требует специальной регулировки, также предельно просты режимы его работы. Узел с ферромагнитной жидкостью выполнен отдельно в виде специального герметичного модуля, токонесущие узла неподвижны и не контактируют с жидкостью, что обеспечивает высокую надежность конструкции. Заданным выбором электромеханических параметров конструкции: числом ампер-витков обмоток, массой ферромагнитной жидкости, жесткостью упругой стенки камере и т.д., можно добиться одновременно как значительных радиальных усилий по сжатию камерой ведомого звена, так и осевых усилий по смещению камеры вместе с ведомым звеном, то есть значительного тягового усилия. The proposed device, unlike the known ones, has an extremely simple design, does not require special adjustment, and its operation modes are extremely simple. The node with the ferromagnetic fluid is made separately in the form of a special sealed module, the current-carrying nodes are stationary and do not come into contact with the liquid, which ensures high reliability of the design. Given the choice of electromechanical design parameters: the number of ampere-turns of the windings, the mass of the ferromagnetic fluid, the stiffness of the elastic wall of the chamber, etc., it is possible to achieve both significant radial forces to compress the driven unit by the camera and axial efforts to displace the camera together with the driven unit , that is, significant traction.

Claims (1)

Линейный шаговый электродвигатель, содержащий корпус, подвижный упругий элемент, контактирующий с ведомым звеном в виде стержня, и две обмотки, подключенные к импульсному источнику питания, отличающийся тем, что подвижный упругий элемент выполнен в виде замкнутой цилиндрической камеры с осевым отверстием, заполненной ферромагнитной жидкостью и имеющей выполненную из эластичного материала внутреннюю цилиндрическую стенку, стержень ведомого звена размещен коаксиально и свободно в осевом отверстии камеры, а обмотки установлены в корпусе с охватом стержня симметрично по обе стороны камеры и разделены с торцевыми поверхностями последней, прикрепленными к обмоткам упругими кольцевыми прокладками, при этом камера снабжена регулируемыми ограничителями осевых шаговых перемещений в виде резьбовых втулок, навернутых на края наружной поверхности камеры.A linear stepper motor comprising a housing, a movable elastic element in contact with a driven member in the form of a rod, and two windings connected to a switching power supply, characterized in that the movable elastic element is made in the form of a closed cylindrical chamber with an axial hole filled with ferromagnetic fluid and having an inner cylindrical wall made of elastic material, the shaft of the driven link is placed coaxially and freely in the axial hole of the chamber, and the windings are installed in the housing e covering shaft symmetrically on both sides of the chamber and separated from the end faces of the latter, attached to the windings of the elastic annular gaskets, wherein the chamber is provided with adjustable stops axial movements of stepper as threaded sleeves, screwed on the outer edge surface of the chamber.