RU2358373C1

RU2358373C1 - Stepping motor

Info

Publication number: RU2358373C1
Application number: RU2008113569/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Соломин (RU); Владимир Александрович Соломин; Лариса Леонидовна Замшина (RU); Лариса Леонидовна Замшина; Андрей Владимирович Соломин (RU); Андрей Владимирович Соломин
Original assignee: Владимир Александрович Соломин; Лариса Леонидовна Замшина; Андрей Владимирович Соломин
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2009-06-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering and is to find wide application in robotic engineering and automation systems intended for indexing regulation. The stepping motor 1 contains a stator 2 with teeth 3 and 4, positioned on the stator inner and outer bores, and slots 5 and 6, positioned between them. The slots 5 and 6 contain the winding 7 phase coils. The rotor consists of an electrically conductive part 8 and a magnetically conductive part 9 mounted onto the shaft 10. The rotor electrically conductive part has a diametrical groove 11 arranged all along the rotor active length and filled with an insulation material. On the stator outer bore teeth 4 there are rollers 12 mounted the additional rotor electrically conductive part 13 relies on that is represented by a cylinder with a diametrical groove 14 arranged all along the additional rotor active length and filled with an insulation material. On top of the electrically conductive part 13 the additional rotor magnetically conductive part 15 is mounted. To the voltage source there are five phase winding coil connected to form an arc-shaped assembly; the sequential orders of phases before and after the assembly middle are mutually reverse. To commence rotor stepping one disconnects the last coil of the assembly. To discontinue stepping one simultaneously disconnects the first coil of the assembly and connects the phase coil that follows the last coil of the original assembly.

EFFECT: provision for independent control of two rotors.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а точнее - электродвигателям, предназначенным для использования в дискретных электроприводах.The invention relates to the field of electrical engineering, and more specifically to electric motors intended for use in discrete electric drives.

Известен шаговый электродвигатель, содержащий статор с обмотками, расположенными на его зубцах, ротор, включающий электропроводящую часть, и коммутирующее устройство (см. например: а.с. СССР 907716, МПК Н02К 37/00, 1982 г.; пат. Японии №60-279572, МПК Н02К 37/00, 1985 г.).Known stepper motor containing a stator with windings located on its teeth, a rotor including an electrically conductive part, and a switching device (see, for example: A.S. USSR 907716, IPC Н02К 37/00, 1982; Japanese Patent No. 60 -279572, IPC Н02К 37/00, 1985).

Недостатком данных шаговых электродвигателей являются ограниченные функциональные возможности.The disadvantage of these stepper motors is limited functionality.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является шаговый электродвигатель (ШД), содержащий статор с зубцами и пазами и с обмоткой, состоящей из фазных катушек, ротор, включающий электропроводящую и магнитопроводящую части, и коммутирующее устройство, причем фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, при этом начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы каждой фазной катушки соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения соответствующих фаз источника питания, причем управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора пяти фазных катушек, образующих дугообразный ряд, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для совершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения фазной катушки, следующей за последней катушкой первоначального ряда, причем ротор содержит электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей активной длине ротора и заполненной изолирующим веществом (см. пат. RU №2301488, МПК Н02К 37/00, Н02Р 8/42, 2007 г.).Closest in its technical essence to the claimed one is a step electric motor (ST), containing a stator with teeth and grooves and with a winding consisting of phase coils, a rotor including electrically conductive and magnetically conductive parts, and a switching device, and the phase coils of the stator winding are connected to the switching device, while the beginning of the phase coils are connected to the terminals for connecting the neutral wire of the power source, and the ends of each phase coil are connected through the make contacts of the switching device with terminals for connecting the corresponding phases of the power source, and the control unit of the switching device is configured to simultaneously connect five phase coils for fixing the rotor, forming an arcuate row, which has one in the middle and the opposite order of phases after the middle, and to start the step rotor - with the ability to disable the last phase coil of the row, and to take a step - with the ability to simultaneously turn off the first phase coil of the row and connect the phase coil and, following the last coil of the initial row, the rotor contains an electrically conductive part made in the form of a cylinder, which is made with a diametrical slot located along the entire active length of the rotor and filled with an insulating substance (see US Pat. RU No. 2301488, IPC Н02К 37/00, Н02Р 8/42, 2007).

Данный шаговый электродвигатель имеет ограниченные функциональные возможности. Это - недостаток прототипа.This stepper motor has limited functionality. This is a disadvantage of the prototype.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение отмеченного недостатка в разработанной конструкции шагового электродвигателя.An object of the present invention is to eliminate the noted drawback in the developed design of a stepper motor.

Решение технической задачи достигается тем, что шаговый электродвигатель, содержащий статор с зубцами и пазами и с обмоткой, состоящей из фазных катушек, ротор, включающий электропроводящую и магнитопроводящую части, и коммутирующее устройство, причем фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, при этом начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы каждой фазной катушки соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения соответствующих фаз источника питания, причем управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора пяти фазных катушек, образующих дугообразный ряд, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага роторов - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения фазной катушки, следующей за последней катушкой первоначального ряда, причем ротор содержит электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей активной длине ротора и заполненной изолирующим веществом, согласно изобретению на внешней расточке статора выполнены дополнительные зубцы и пазы, причем фазные катушки выполнены кольцевыми и каждая фазная катушка размещена одновременно в пазах, расположенных на внутренней и внешней расточках статора, на зубцах внешней расточки статора установлены роликовые опоры, поверх которых размещен дополнительный ротор, содержащий электропроводящую часть в виде цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей активной длине дополнительного ротора и заполненной изолирующим веществом, поверх которого расположена магнитопроводящая часть.The solution to the technical problem is achieved by the fact that a stepper motor containing a stator with teeth and grooves and with a winding consisting of phase coils, a rotor including electrically conductive and magnetically conductive parts, and a switching device, and the phase coils of the stator winding are connected to the switching device, phase coils are connected to the terminals for connecting the neutral wire of the power source, and the ends of each phase coil are connected through the make contacts of the switching device with terminals for connecting of the corresponding phases of the power source, and the control unit of the switching device is configured to simultaneously connect five phase coils for fixing the rotor, forming an arcuate row, which has one to the middle and the opposite phase sequence after the middle, and with the possibility of starting the rotor step disconnecting the last phase coil of the row, and to complete the step, with the possibility of simultaneously disconnecting the first phase coil of the row and connecting the phase coil following the last an initial row coil, the rotor containing an electrically conductive part made in the form of a cylinder, which is made with a diametrical slot located along the entire active length of the rotor and filled with an insulating substance, according to the invention, additional teeth and grooves are made on the external stator bore, and the phase coils are circular and each phase coil is placed simultaneously in the grooves located on the inner and outer stator bores, roller bearings are installed on the teeth of the outer stator bore , Over which is placed an additional rotor comprising an electrically conductive portion in the form of a cylinder which is arranged diametrical slit situated on the entire active length of the rotor and filled with additional insulating material on top of which is magnetically permeable portion.

Выполнение на внешней расточке статора дополнительных зубцов и пазов и выполнение фазных катушек кольцевыми и размещение их одновременно в пазах, расположенных на внутренней и внешней расточках статора, поверх которых размещен дополнительный ротор, содержащий электропроводящую часть в виде цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей активной длине дополнительного ротора и заполненной изолирующим веществом, поверх которого расположена магнитопроводящая часть, - эти признаки определяют новизну и существенные отличия данного технического решения.Performing additional teeth and grooves on the external bore of the stator and making phase coils annular and placing them simultaneously in grooves located on the internal and external bores of the stator, on top of which there is an additional rotor containing an electrically conductive part in the form of a cylinder, which is made with a diametrical slot located along the entire active length of the additional rotor and filled with an insulating substance, on top of which the magnetically conductive part is located, these signs determine the novelty and essence ennye differences of the solution.

В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг.1 изображает общий вид шагового электродвигателя без коммутирующего устройства (фрагмент поперечного сечения);The invention is further illustrated by an example of its specific implementation with reference to the accompanying drawings, in which figure 1 depicts a General view of a stepper motor without a switching device (fragment of a cross section);

фиг.2 показывает схематически поперечное сечение шагового электродвигателя с подключенными к источнику трехфазного питания пятью фазными катушками, образующими первоначальный ряд (здесь А; В; С - обозначения фаз источника напряжения);figure 2 shows a schematic cross-section of a stepper motor with five phase coils connected to a three-phase power supply, forming the initial row (here A; B; C are the phase designations of the voltage source);

на фиг.3 показан первоначальный ряд фазных катушек при отключении последней катушки ряда для начала шага роторов;figure 3 shows the initial row of phase coils when disconnecting the last coil of the row to start the pitch of the rotors;

фиг.4 показывает фиксацию роторов в новом положении при отключенной первой фазной катушке первоначального ряда и подключенной фазной катушке, следующей за последней фазной катушкой первоначального ряда, при этом получается новый дугообразный ряд фазных катушек, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз;figure 4 shows the fixation of the rotors in a new position when the first phase coil of the initial row is disconnected and the phase coil connected next to the last phase coil of the initial row is connected, and a new arcuate row of phase coils is obtained, which has one to the middle and the opposite order to the middle following phases;

фиг.5 показывает схематически фрагмент коммутирующего устройства для подключения фазных катушек обмотки шагового электродвигателя к источнику трехфазного напряжения.figure 5 shows schematically a fragment of a switching device for connecting the phase coils of the winding of a stepper motor to a three-phase voltage source.

Шаговый электродвигатель 1 (фиг.1) содержит статор 2, с зубцами 3 и 4, расположенными на внутренней и внешней расточках статора и пазами 5 и 6, расположенными между ними. В пазах 5 и 6 размещены фазные катушки обмотки 7. Основной ротор содержит электропроводящую часть 8 и магнитопроводящую часть 9, размещенные на валу 10. Электропроводящая часть содержит диаметральную прорезь 11, расположенную по всей активной длине основного ротора и заполненную изолирующим веществом. На зубцах 4 на внешней расточке статора установлены ролики 12, на которые опирается электропроводящая часть 13 дополнительного ротора, выполненная в виде цилиндра и имеющая диаметральную прорезь 14, расположенную по всей активной длине дополнительного ротора и заполненную изолирующим веществом. Поверх электропроводящей части 13 установлена магнитопроводящая часть 15 дополнительного ротора.The stepper motor 1 (figure 1) contains a stator 2, with teeth 3 and 4 located on the inner and outer bores of the stator and grooves 5 and 6 located between them. In the grooves 5 and 6 there are phase coils of the winding 7. The main rotor contains an electrically conductive part 8 and a magnetically conductive part 9 located on the shaft 10. The electrically conductive part contains a diametrical slot 11 located along the entire active length of the main rotor and filled with an insulating substance. Rollers 12 are mounted on the teeth 4 on the external stator bore, on which the electrically conductive part 13 of the additional rotor rests, made in the form of a cylinder and having a diametrical slot 14 located along the entire active length of the additional rotor and filled with an insulating substance. On top of the electrically conductive part 13 is installed magnetically conductive part 15 of the additional rotor.

На фиг.2 изображено схематически поперечное сечение шагового электродвигателя с подключенными к источнику трехфазного питания пятью катушками, образующими первоначальный ряд. Стрелками M₁; M₂; М₃; М₄ обозначено направление моментов, действующих на основной и дополнительный роторы шагового электродвигателя (А; В; С - обозначения фаз источника питания). Остальные обозначения те же, что и на фиг.1.Figure 2 shows a schematic cross section of a stepper motor with five coils connected to a three-phase power supply, forming the initial row. Arrows M ₁ ; M ₂ ; M ₃ ; M ₄ indicates the direction of the moments acting on the primary and secondary rotors of the stepper motor (A; B; C - phase designation of the power source). The remaining notation is the same as in figure 1.

На фиг.3 показан первоначальный ряд фазных катушек при отключении последней катушки ряда до начала шага роторов. Обозначения те же, что и на фиг.1 и фиг.2.Figure 3 shows the initial row of phase coils when disconnecting the last coil of the row before the start of the step of the rotors. Designations are the same as in figure 1 and figure 2.

На фиг.4 показана фиксация роторов в новом положении после совершения одного шага, каждого из них на одно зубцовое деление. При отключенной первой фазной катушке 7 первоначального ряда и подключенной катушке, следующей за последней катушкой первоначального ряда. При этом получается новый дугообразный ряд фазных катушек, у которых до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз.Figure 4 shows the fixation of the rotors in a new position after one step, each of them on one tooth division. When the first phase coil 7 of the initial row is disconnected and the coil following the last coil of the initial row is connected. In this case, a new arcuate series of phase coils is obtained, in which there is one to the middle, and in the opposite order of the phases after the middle.

На фиг.5 показан схематически фрагмент коммутирующего устройства 16 для подключения фазных катушек обмотки шагового электродвигателя к источнику трехфазного напряжения. Контакты 17-52 коммутирующего устройства 16 предназначены для подключения фазных катушек 7 к источнику трехфазного напряжения.Figure 5 shows schematically a fragment of a switching device 16 for connecting the phase coils of the winding of a stepper motor to a three-phase voltage source. Contacts 17-52 of the switching device 16 are designed to connect the phase coils 7 to a three-phase voltage source.

Рассмотрим принцип работы данного шагового электродвигателя. При подключении пяти фазных катушек 7 обмотки ШД (фиг.1 и фиг.2) образуется дугообразный ряд катушек, у которого до середины ряда один (А, В, С), а после середины - противоположный (С, В, А) порядок следования фаз. При этом коммутирующим устройством подключены первые пять катушек слева направо. Замыкаются контакты 17, 18, 19, 20, 21 (фиг.5). Токи, протекающие по катушкам, образующим ряд, создают четыре бегущих навстречу друг другу магнитных поля, пересекающих электропроводящие части 8 и 13 роторов и индуктирующие в них электродвижущие силы (ЭДС) и токи. Токи в электропроводящих частях 8 и 13 будут взаимодействовать с бегущими навстречу друг другу магнитными полями. В результате этого взаимодействия создаются вращающие моменты М₁; M₂; М₃; М₄ (фиг.2), которые одинаковы по величине и направлены встречно друг другу. Они будут уравновешивать друг друга и точно фиксировать основной и дополнительный роторы в положении, указанном на фиг.2. Для совершения первого шага от источника питания отключается последняя катушка первоначального дугообразного ряда (фиг.3 и фиг.5), для этого коммутирующим устройством размыкается контакт 21 (фиг.5). В этом случае два из четырех магнитных полей создаются токами трех катушек (А, В, С), а два других бегущих поля - токами двух катушек (В и С). Эти бегущие магнитные поля будут эллиптическими. Эти бегущие магнитные поля, пересекая электропроводящие части 8 и 13 роторов, индуктируют в них ЭДС и токи, которые будут взаимодействовать с бегущими магнитными полями. В результате этого взаимодействия создаются моменты M₁ и М₂. Момент M₁ создается в результате взаимодействия кругового магнитного поля с токами ротора, им индуктированными, и будет больше чем момент М₂, который создается при взаимодействии эллиптического магнитного поля с токами ротора, им индуктированными. Под действием разности моментов M₁ и М₂ основной ротор начнет поворачиваться против часовой стрелки. Момент М₃ создается в результате взаимодействия кругового бегущего поля с токами, им индуктированными в электропроводящей части 13 дополнительного ротора. Момент М₃ будет больше момента М₄ (фиг.3), создаваемого при взаимодействии эллиптического магнитного поля с токами, индуктированными им в электропроводящей части 13 дополнительного ротора. Под действием разности моментов М₃ и М₄ дополнительный ротор также начнет поворачиваться против часовой стрелки. Для завершения шага и точной фиксации роторов в новом положении коммутирующим устройством отключают от источника питания первую катушку первоначального ряда, для чего размыкают контакт 17. При этом будут замкнуты контакты 29, 24, 25, 26, 22 (фиг.4 и фиг.5). Остальные контакты коммутирующего устройства разомкнуты. При этом получаем новый дугообразный ряд катушек, у которых до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз. В этом случае моменты М₁ и М₂, действующие на электропроводящую часть 8 основного ротора, снова становятся равными и фиксируют основной ротор в новом положении, и равными становятся моменты М₃ и М₄, действующие на электропроводящую часть 13 дополнительного ротора и фиксирующие его в новом положении. Таким образом, каждым ротором сделан шаг на одно зубцовое деление и т.д.Consider the principle of operation of this stepper motor. When connecting five phase coils 7 of the motor winding (Fig. 1 and Fig. 2), an arched row of coils is formed, in which until the middle of the row there is one (A, B, C), and after the middle - the opposite (C, B, A) sequence phases. In this switching device, the first five coils are connected from left to right. Closed contacts 17, 18, 19, 20, 21 (figure 5). The currents flowing along the coils forming a row create four magnetic fields running towards each other, intersecting the electrically conductive parts 8 and 13 of the rotors and inducing electromotive forces (EMF) and currents in them. The currents in the electrically conductive parts 8 and 13 will interact with magnetic fields running towards each other. As a result of this interaction, torques M ₁ are created; M ₂ ; M ₃ ; M ₄ (figure 2), which are the same in size and directed counter to each other. They will balance each other and precisely fix the primary and secondary rotors in the position indicated in figure 2. To complete the first step, the last coil of the initial arcuate row is disconnected from the power source (Fig. 3 and Fig. 5); for this, contact 21 is disconnected by the switching device (Fig. 5). In this case, two of the four magnetic fields are created by the currents of three coils (A, B, C), and two other traveling fields are generated by the currents of two coils (B and C). These traveling magnetic fields will be elliptical. These traveling magnetic fields, crossing the electrically conductive parts 8 and 13 of the rotors, induce EMF and currents in them, which will interact with the traveling magnetic fields. As a result of this interaction, moments M ₁ and M _{2 are created} . The moment M ₁ is created as a result of the interaction of a circular magnetic field with the rotor currents induced by it, and will be greater than the moment M ₂ , which is created when the elliptical magnetic field interacts with the rotor currents induced by it. Under the influence of the difference of moments M ₁ and M _{2, the} main rotor will begin to turn counterclockwise. The moment M ₃ is created as a result of the interaction of a circular traveling field with currents induced by it in the electrically conductive part 13 of the additional rotor. The moment M ₃ will be greater than the moment M ₄ (Fig. 3) created when the elliptical magnetic field interacts with the currents induced by it in the electrically conductive part 13 of the additional rotor. Under the action of the difference of moments M ₃ and M _{4 the} additional rotor will also begin to turn counterclockwise. To complete the step and accurately fix the rotors in a new position, the first coil of the initial row is disconnected from the power source by a switching device, for which contact 17 is opened. Contacts 29, 24, 25, 26, 22 will be closed (Fig. 4 and Fig. 5) . The remaining contacts of the switching device are open. In this case, we obtain a new arcuate row of coils, in which there is one to the middle of the row, and the opposite order of the phases after the middle. In this case, the moments M ₁ and M ₂ acting on the electrically conductive part 8 of the main rotor again become equal and fix the main rotor in a new position, and the moments M ₃ and M ₄ acting on the electrically conductive part 13 of the additional rotor and fix it in new position. Thus, each rotor made a step by one tooth division, etc.

По сравнению с прототипом расширены функциональные возможности шагового электродвигателя за счет реализации одновременно двух шагов основным и дополнительным роторами.Compared with the prototype, the functionality of the stepper motor has been expanded due to the implementation of two steps at the same time by the main and additional rotors.

Claims

Шаговый электродвигатель, содержащий статор с зубцами и пазами и с обмоткой, состоящей из фазных катушек, ротор, включающий электропроводящую и магнитопроводящую части, и коммутирующее устройство, причем фазные катушки обмотки статора соединены с коммутирующим устройством, при этом начала фазных катушек соединены с клеммами для подключения нулевого провода источника питания, а концы каждой фазной катушки соединены через замыкающие контакты коммутирующего устройства с клеммами для подключения соответствующих фаз источника питания, причем управляющий блок коммутирующего устройства выполнен с возможностью одновременного подключения для фиксации ротора пяти фазных катушек, образующих дугообразный ряд, у которого до середины один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, причем для начала шага ротора - с возможностью отключения последней фазной катушки ряда, а для завершения шага - с возможностью одновременного отключения первой фазной катушки ряда и подключения фазной катушки, следующей за последней катушкой первоначального ряда, причем ротор содержит электропроводящую часть, выполненную в виде цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей активной длине ротора и заполненной изолирующим веществом, отличающийся тем, что на внешней расточке статора выполнены дополнительные зубцы и пазы, причем фазные катушки выполнены кольцевыми и каждая фазная катушка размещена одновременно в пазах, расположенных на внутренней и внешней расточках статора, на зубцах внешней расточки статора установлены роликовые опоры, поверх которых размещен дополнительный ротор, содержащий электропроводящую часть в виде цилиндра, который выполнен с диаметральной прорезью, расположенной по всей активной длине дополнительного ротора и заполненной изолирующим веществом, поверх которого расположена магнитопроводящая часть. A stepper motor containing a stator with teeth and grooves and with a winding consisting of phase coils, a rotor including electrically conductive and magnetically conductive parts, and a switching device, and the phase coils of the stator winding are connected to the switching device, while the beginning of the phase coils are connected to the terminals for connection the neutral wire of the power source, and the ends of each phase coil are connected through the make contacts of the switching device with terminals for connecting the corresponding phases of the power source, What is more, the control unit of the switching device is configured to simultaneously connect five phase coils for fixing the rotor, forming an arc-shaped row, which has one to the middle and the opposite phase sequence after the middle, and to start the rotor step, with the ability to disconnect the last phase coil of the series, and to complete the step, with the possibility of simultaneously disconnecting the first phase coil of the row and connecting the phase coil following the last coil of the initial row, the rotor there is an electrically conductive part made in the form of a cylinder, which is made with a diametrical slot located along the entire active length of the rotor and filled with an insulating substance, characterized in that additional teeth and grooves are made on the external stator bore, and the phase coils are circular and each phase coil is placed at the same time, in the grooves located on the internal and external bores of the stator, on the teeth of the external bore of the stator roller bearings are installed, on top of which an additional rotor is placed, with the electrically conductive part in the form of a cylinder, which is made with a diametrical slot located along the entire active length of the additional rotor and filled with an insulating substance, on top of which the magnetically conductive part is located.