Электромеханический привод
Полезная модель относится к области машиностроения и авиастроения и может быть применена в приводах автоматических систем управления летательных аппаратов, робототехнических, антенных и других электромеханических силовых системах.
Электромеханический привод состоит из узлов, расположенных концентрично относительно центральной оси: корпуса, электродвигателя, двухступенчатой волновой передачи с присоединенным к ротору электродвигателя входным валом, имеющим эксцентриковый узел, сепаратора первой ступени волновой передачи с перемещаемыми относительно волнообразователя в жестком колесе первой ступени телами качения; сепаратор второй ступени с размещенными в нем телами качения, перемещаемыми эксцентрично расположенными на жестком колесе кольцами относительно второго волнообразователя на внутренней поверхности корпуса; выходного вала, опирающегося на тела качения и подшипники качения; узлов, обеспечивающих управление работой электромеханического привода: стопорного устройства, статор которого с двумя парами постоянных магнитов и обмоток жестко соединен с корпусом, а якорь кинематически связан с валом ротора электродвигателя; датчика положения ротора электродвигателя, соединенного с его валом; датчика положения выходного вала, при этом корпус является неподвижной частью электромеханического привода, электродвигатель расположен внутри жесткого колеса двухступенчатой волновой передачи, эксцентриковый узел первой ступени расположен вне ротора электродвигателя, выходной вал присоединен к сепаратору второй ступени. 4 п.ф., 3 фиг.
Полезная модель относится к области машиностроения и авиастроения и может быть применена в приводах автоматических систем управления летательных аппаратов, робототехнических, антенных и других электромеханических силовых системах.
Известен силовой минипривод (патент RU 
2321138 от 10.01.2007; заявка WO 2008/085082 А1 от 12.07.2007), состоящий из узлов, расположенных концентрично относительно центральной оси: корпуса с цилиндрической и торцевыми частями, электродвигателя, имеющего статор и закрепленный на валу ротор; двухступенчатой волновой передачи с входным валом, имеющим эксцентрично расположенные поверхности, соединенным с ротором электродвигателя; сепаратора первой ступени волновой передачи с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми рабочими дисками относительно волнообразователя в жестком колесе, имеющем на внешней части эксцентрично расположенные поверхности; второй сепаратор с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми кольцами, надетыми на эксцентрично расположенные на жестком колесе поверхности, относительно второго волнообразователя, имеющегося на внутренней поверхности цилиндрической части корпуса; выходного вала, опирающегося на тела качения и подшипники качения; узлов, обеспечивающих управление работой электромеханического привода: стопорного устройства, статор которого с двумя парами постоянных магнитов и обмоток жестко соединен с корпусом, а якорь через стопор кинематически связан с валом ротора электродвигателя; расположенного между стопорным устройством и электродвигателем датчика положения ротора электродвигателя, жестко соединенного с его валом; датчика положения выходного вала, размещенного так, что его статор крепится к неподвижно закрепленной детали второй ступени волновой передачи, а ротор - к подвижной детали, соединенной с выходным валом.
Недостаток силового минипривода - в большой инерционности полого ротора большого диаметра, внутри которого размещен эксцентриковый узел, часть сепаратора и часть жесткого колеса первой ступени двухступенчатой волновой передачи. Этот недостаток ограничивает величину ускорения ротора при допустимых потерях в двигателе (потери в меди) и не позволяет обеспечить повышенную управляемость объектов, приводимых электромеханическим приводом. Кроме того, в миниприводе массивный корпус является выходным валом.
Техническая задача, решаемая полезной моделью - снижение момента инерции ротора электродвигателя и выходного вала, увеличение располагаемого ускорения объекта при допустимом значении потерь в двигателе (потерь в меди), высоком передаточном отношении волнового редуктора и большом крутящем моменте на выходном валу электромеханического привода.
Техническая задача решена в конструкции электромеханического привода, состоящего из узлов, расположенных концентрично относительно центральной оси: корпуса с цилиндрической и торцевыми частями, электродвигателя, имеющего статор и закрепленный на валу ротор; двухступенчатой волновой передачи с присоединенным к ротору электродвигателя входным валом, имеющим эксцентриковый узел с эксцентрично расположенными поверхностями; сепаратора первой ступени волновой передачи с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми рабочими дисками относительно волнообразователя в жестком колесе, имеющем на внешней части эксцентрично расположенные поверхности; второй сепаратор с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми кольцами, надетыми на эксцентрично расположенные на жестком колесе поверхности, относительно второго волнообразователя, имеющегося на внутренней поверхности цилиндрической части корпуса; выходного вала, опирающегося на тела качения и подшипники качения; узлов, обеспечивающих управление работой электромеханического привода: стопорного устройства, статор которого с двумя парами постоянных магнитов и обмоток жестко соединен с корпусом, а якорь через стопор кинематически связан с валом ротора электродвигателя; расположенного между стопорным устройством и электродвигателем датчика положения ротора электродвигателя, ротор которого жестко соединен с валом ротора электродвигателя; датчика положения выходного вала, размещенного так, что его статор крепится к неподвижно закрепленной детали второй ступени волновой передачи, а ротор - к подвижной детали, соединенной с выходным валом, при этом корпус является неподвижной частью электромеханического привода, электродвигатель расположен внутри жесткого колеса двухступенчатой волновой передачи, эксцентриковый узел первой ступени расположен вне ротора электродвигателя, выходной вал присоединен к сепаратору второй ступени.
Для существенного уменьшения момента инерции ротора при заданном крутящем моменте электродвигателя отношение длины статора к его внутреннему диаметру находится в интервале 1-2.
Для повышения равномерности работы волновой передачи количество эксцентрично расположенных поверхностей является четным, при этом оси смежных поверхностей смещены в противоположные направления от центральной оси.
Для значительного увеличения крутящего момента на выходном валу электромеханического привода при частоте вращения ротора электродвигателя 5000-25000 мин -1 передаточное отношение двухступенчатой волновой передачи находится в интервале 500-2500.
Технический эффект, получаемый от полезной модели - увеличение располагаемого ускорения объекта при допустимом значении потерь в двигателе (потерь в меди) при высоком крутящем моменте на выходном валу электромеханического двигателя, достигнут за счет введения следующей совокупности отличительных признаков: корпус является неподвижной частью электромеханического привода, электродвигатель расположен внутри жесткого колеса двухступенчатой волновой передачи, эксцентриковый узел первой ступени расположен вне ротора электродвигателя, выходной вал присоединен к сепаратору второй ступени.
Данная совокупность признаков электромеханического привода, обеспечивающая технический эффект, не обнаружена при проведении патентно-информационных исследований. Следовательно, полезная модель соответствует критерию «новизна».
На фиг.1 показано продольное сечение электромеханической передачи.
На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
На фиг.3 - вид В на фиг.1.
Электромеханический привод (фиг.1, 2) состоит из узлов, расположенных концентрично относительно центральной оси: корпуса 1 с цилиндрической частью 1а, являющегося неподвижной частью электромеханического привода, электродвигателя 2, имеющего статор 3 и закрепленный на валу 4 ротор 5; двухступенчатой волновой передачи 6 с входным валом 7, имеющим эксцентриковый узел 8 с эксцентрично расположенными поверхностями 8а и 8b, соединенным с валом 4; сепаратора 9 (фиг.2) первой ступени 10 волновой передачи 6 с размещенными в нем в несколько рядов телами качения 11, перемещаемыми рабочими дисками 12 относительно волнообразователя 13 в жестком колесе 14, имеющем на внешней части эксцентрично расположенные поверхности 14а, 14b (фиг.1); второй сепаратор 15 с размещенными в нем в несколько рядов телами качения 16, перемещаемыми кольцами 17а и 17b (фиг.1,2), надетыми на эксцентрично расположенные на жестком колесе 14 поверхности 14а, 14b, относительно второго волнообразователя 18, имеющегося на внутренней поверхности цилиндрической части 1 а корпуса 1; выходного вала 19 (фиг.1), соединенного с сепаратором 15, опирающегося на тела качения 16 и подшипники качения 20, с фланцем 21, присоединяемым к приводимому объекту регулирования (не показан); узлов, обеспечивающих управление работой электромеханического привода: стопорного устройства 22 (фиг.3), статор 23 которого с двумя парами постоянных магнитов 24 и обмоток 25 жестко соединен с корпусом 1, а якорь 26 через стопор 27 (фиг.1) кинематически связан с валом 4 ротора 5; расположенного между стопорным устройством 22 (фиг.1, 3) и электродвигателем 2 датчика 28 положения ротора 5 электродвигателя 2, ротор 29 которого жестко соединен с валом 4; датчика 30 положения выходного вала 19 размещенного так, что его статор 31 крепится к неподвижно закрепленной детали корпуса 1, а ротор 32 - к сепаратору 15, соединенному с выходным валом 19. Расположение электродвигателя 2 внутри жесткого колеса 14 двухступенчатой волновой передачи 6, эксцентрикового узла 8 первой ступени 10 волновой передачи 6 вне ротора 5 электродвигателя 2 и присоединение выходного вала 19 к сепаратору 15 обеспечивает снижение момента инерции вращающихся деталей и технический эффект - увеличение располагаемого ускорения объекта при допустимом значении потерь в двигателе (потерь в меди) при высоком крутящем моменте на выходном валу электромеханического двигателя.
Отношение длины статора 3 к его внутреннему диаметру находится в интервале 1-2.
Количество эксцентрично расположенных на входном валу 7 или на жестком колесе 14 поверхностей 8а, 8b, 14a, 14b предпочтительно является четным, при этом оси смежных поверхностей смещены в противоположные направления от центральной оси.
Передаточное отношение двухступенчатой волновой передачи 6 находится в интервале 500-2500 при частоте вращения 5000-25000 мин-1 ротора 5 электродвигателя 2. При передаточном отношении менее 500 и частоте вращения ротора 5 менее 5000 мин-1 обеспечение требуемого момента достигается при значениях тока, при которых происходит усиленный нагрев электродвигателя за счет тепловых потерь в обмотке. При частоте вращения более 25000 мин-1 в роторе 5 возникают значительные напряжения от центробежных сил.
При включении электромеханического привода подается напряжение на пару обмоток 25 статора 23 стопорного устройства 22 (фиг.3), якорь 26 поворачивается, разрывая кинематическую связь стопора 27 с зубчатым колесом 27а, соединенным с валом 4 и, таким образом, высвобождает вал 4. Якорь 26 фиксируется в этом положении постоянными магнитами 24 после снятия напряжения с обмоток 25 статора 23 стопорного устройства 22.
Блок управления электромеханического привода (не показан) на основе командного сигнала, сигналов с сигнальных обмоток датчика 30 (фиг.1), положения выходного вала 19 и датчика 28 положения ротора 5, приводит в движение ротор 5, вал 4 и соединенный с ним входной вал 7 первой ступени волновой передачи 6.
При вращении входного вала 7 вращаются эксцентрично расположенные поверхности 8а и 8b, так что их эксцентрично смещенные оси и диски 12 совершают за один оборот входного вала 7 полный оборот вокруг его оси. Сепаратор 9 позволяет телам качения 11 перемещаться только в радиальном направлении, совершая волнообразные движения с периодом, равным периоду одного оборота входного вала 7 и амплитудой, равной удвоенному эксцентриситету поверхности 8а или 8b. Тела качения 11, взаимодействуя с профилированной поверхностью волнообразователя 13 жесткого колеса 14, поворачивают его на угол, меньший угла поворота входного вала 7 в число раз, равное числу волн профилированной поверхности волнообразователя 13 жесткого колеса 14.
Поворот жесткого колеса 14 первой ступени волновой передачи 6 приводит в движение эксцентрично расположенные поверхности 14а и 14b, при этом эксцентрично смещенные оси поверхностей 14а и 14b кольца совершают за один оборот жесткого колеса 14 полный оборот вокруг его оси. Сепаратор 15 позволяет телам качения 16 перемещаться в гнездах в радиальном направлении так, что тела качения 16 при движении колец совершают сложное движение, являющееся совокупностью вращательного движения сепаратора 15 и радиального движения в гнездах сепаратора 15 с амплитудой, равной удвоенному эксцентриситету поверхности 14а или 14b. Тела качения 16, взаимодействуя с поверхностью второго волнообразователя 18, закрепленного неподвижно, поворачивают сепаратор 15 на угол, меньший угла поворота жесткого колеса 14 в число раз, на единицу меньшее числа волн внутренней профилированной поверхности второго волнообразователя 18. Вместе с сепаратором 15 поворачивается выходной вал 19.
При отключении электромеханического привода подается напряжение на пару обмоток 25 статора 23 стопорного устройства 22, якорь 26 поворачивается в исходное положение, обеспечивая кинематическую связь 27а стопора 27 и фиксируя вал 4 ротора 5 электродвигателя 2. Якорь 26 фиксируется в исходном положении постоянными магнитами 24 после снятия напряжения с обмоток статора 25 стопорного устройства 22. Выходной вал 19 удерживается в заданном положении.
1. Электромеханический привод, состоящий из узлов, расположенных концентрично относительно центральной оси: корпуса с цилиндрической и торцевыми частями, электродвигателя, имеющего статор и закрепленный на валу ротор; двухступенчатой волновой передачи с присоединенным к ротору электродвигателя входным валом, имеющим эксцентриковый узел с эксцентрично расположенными поверхностями; сепаратора первой ступени волновой передачи с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми установленными на эксцентрично расположенных поверхностях рабочими дисками относительно волнообразователя в жестком колесе первой ступени, которое имеет на внешней части эксцентрично расположенные поверхности для второй ступени; сепаратор второй ступени с размещенными в нем в несколько рядов телами качения, перемещаемыми кольцами, установленными на эксцентрично расположенных на жестком колесе поверхностях, относительно второго волнообразователя на внутренней поверхности цилиндрической части корпуса; выходного вала, опирающегося на тела качения и подшипники качения; узлов, обеспечивающих управление работой электромеханического привода: стопорного устройства, статор которого с двумя парами постоянных магнитов и обмоток жестко соединен с корпусом, а якорь через стопор кинематически связан с валом ротора электродвигателя; расположенного между стопорным устройством и электродвигателем датчика положения ротора электродвигателя, соединенного с его валом; датчика положения выходного вала, размещенного так, что его статор крепится к неподвижно закрепленной детали второй ступени волновой передачи, а ротор - к подвижной детали, соединенной с выходным валом, отличающийся тем, что корпус является неподвижной частью электромеханического привода, электродвигатель расположен внутри жесткого колеса двухступенчатой волновой передачи, эксцентриковый узел первой ступени расположен вне ротора электродвигателя, выходной вал присоединен к сепаратору второй ступени.
2. Электромеханический привод по п.1, отличающийся тем, что соотношение длины статора и его внутреннего диаметра находится в интервале 1-2.
3. Электромеханический привод по п.1, отличающийся тем, что количество эксцентрично расположенных поверхностей является четным, при этом оси смежных эксцентрично расположенных поверхностей смещены в противоположные направления от центральной оси.
4. Электромеханический привод по п.1, отличающийся тем, что передаточное отношение двухступенчатой волновой передачи находится в интервале 500-2500 при частоте вращения ротора электродвигателя 5000-25000 мин-1.
