Электродвигатель постоянного тока с ограниченным углом перемещения
Изобретение относится к электродвигателям постоянного тока с колебательным или статическим перемещением вала относительно оси вращения в пределах заданного угла, и может быть использовано в качестве привода быстродействующего сканера устройства считывания информации, либо сканера устройства наведения на цель летательного аппарата или наземного передвижного средства, быстродействующего приводного механизма в оптических системах и устройствах автоматики. Все улучшения, доработки и усовершенствования электродвигателя по сравнению с существующими аналогами и самым близким из них - прототипом, направлены на повышение импульсного момента вращения двигателя, а также увеличение мощности, механической прочности и, кроме того, дополнительно решен вопрос разгрузки подшипников от осевых усилий. Все эти параметры очень важны для быстродействующих электродвигателей, которые служат приводами сканеров при изменяющем направление движении (колебательном). Заявляется быстродействующий бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, который не требует возбуждения от внешнего источника. Взаимодействуют два поля, одно - создаваемое постоянными магнитами, а второе - рамкой с током.
Доработки и усовершенствования электродвигателя по сравнению с прототипом произведены в следующих направлениях: введен внешний цилиндрический статор из магнитомягкого материала, причем в заявляемой конструкции возможно его совмещение с корпусом прибора, постоянный магнит установлен внутри внешнего статора и разделен на две части, ось вращения двигателя выполнена цельнометаллической, каркас рамки выполнен облегченным без утяжеляющих боковин, в виде двух частей, жестко закрепленных на оси вращения, выводы обмотки рамки выполнены в виде цилиндрических спиралей из изолированного монтажного провода, расположенных на оси и воль нее, введено устройство разгрузки подшипников от осевых усилий.
Предполагаемое изобретение относится к электродвигателям постоянного тока с колебательным или статическим перемещением вала относительно оси вращения в пределах заданного угла, и может быть использовано в качестве привода быстродействующего сканера устройства считывания информации, либо сканера устройства наведения на цель летательного аппарата или наземного передвижного средства, быстродействующего приводного механизма в оптических системах и устройствах автоматики.
Известен «Асинхронный электродвигатель колебательного движения» по Авторскому свидетельству №987753, Н 02 К 33/00, содержащий (см. Фиг.1 А.Св. №987753) корпус(1), наружный и внутренний статор (2), двухфазную обмотку (3), расположенную на внешнем пакете статора, передний подшипниковый щит (4), расположенный между наружным и внутренним пакетами статора полый ротор (5), размещенный на валу (6), причем, вал выполнен с возможностью закручивания вокруг оси, а один конец вала электродвигателя неподвижно закреплен относительно корпуса в заднем подшипниковом щите (7). Электродвигатель работает в резонансном режиме, т.е. закон изменения скорости движения синусоидальный, или близкий к нему, а не тот, который требуется для каждых конкретных условий. Регулирование - только меняя момент инерции нагрузки. Быстрая перестройка параметров
перемещения в течение одного - двух периодов колебания - невозможна.
Известен «Поворотный электродвигатель колебательного движения» по Авторскому свидетельству №1647790 Н 02 К 33/00, содержащий (см. Фиг.1, 2 А. св. №1647790) статор (1) с намотанными на нем катушками (2) управления, постоянные магниты (3), соприкасающиеся своими полюсами со статором, ротор (4), фланцы (5), торсион (6). Ротор образует четыре воздушных зазора (7) с полюсными наконечниками статора. Благодаря наличию паза (8), выполненного в частях статора, соприкасающихся с полюсами одного из постоянных магнитов - уменьшена площадь контакта постоянного магнита с магнитопроводом, этим создается дополнительная сила, устраняющая неопределенное положение ротора в подшипниках (9).
Известен также «Электродвигатель» по Авторскому свидетельству №1814161 Н 02 К 33/12, содержащий (см. Фиг.1 А. Св. №1814161) статор (1) с обмотками управления и двумя постоянными магнитами (4, 5), ротор (8), внутри которого расположен упругий элемент (9), одним концом неподвижно соединенный со статором (1) а другим - с ротором (8), и дифференциальный емкостной датчик.
Следует отметить, что в обоих аналогах (А. св. №1647790 и А. св. №1814161) упругие свойства, соответственно, торсиона (6) или упругого элемента (9) снижают КПД всей системы, т.к. требутся дополнительная энергия на их преодоление.
Во всех приведенных выше аналогах при работе электродвигателя крутящий момент создается за счет неравномерного перераспределения магнитного потока статора через ротор несимметричной формы, и, поэтому, он (крутящий момент) значительно меньше, чем у двигателей постоянного тока, в которых взаимодействует магнитное поле катушки ротора с полем статора, т.е. в которых есть два источника магнитного поля и взаимодействуют эти поля.
Известен тахогенератор с постоянными магнитами, конструкция которого приведена на Рис.9-8, стр. 152, книги «Электрические машины», автора Пиатровского Л.М., изд. «Энергия», Ленинградское отделение, 1975 г. В корпусе из алюминиевого сплава залиты полюсы с постоянными магнитами. Подшипниковые щиты закреплены стопорными кольцами. Якорь вращается в шарикоподшипниках. На коллекторе установлены две щетки. В случае необходимости регулирование магнитного потока может быть произведено магнитным шунтом. Тахогенератор применяется для получения напряжения, пропорционального скорости вращения якоря, с возбуждением от постоянных магнитов. Конструкция тахогенератора позволяет развивать больший, чем у приведенных выше аналогов, статический момент вращения, но при использовании этого устройства в режиме электродвигателя массивный ротор не позволяет развить требуемый для быстродействующих сканеров импульсный момент вращения, т.е. требуемую скорость движения.
Достаточно близким к заявляемому электродвигателю по совокупности существенных признаков: наличие постоянного магнита, подвижных катушек - является на наш взгляд генератор-двигатель академика Б.С.Якоби, созданный в 1842 году, исторические сведения о котором приведены в книге «Электрические машины», автора Иванова-Смоленского А.В., М, Энергия, 1980 г.
Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа является измерительный механизм прибора магнитоэлектрической системы, приведенный в учебнике для 8 класса «Физика и астрономия» под редакцией А.А.Пинского, В.Г.Разумовского, издание 5, Москва «Просвещение» 2001 г., конструкция которого отображена на стр.229 (см. Приложение 1). Измерительный механизм содержит (см. Рис.9.23 на стр. 229) постоянный магнит (1) с полюсными наконечниками (2), неподвижный сердечник (3) магнитопровода, легкую рамку (4), обмотка
которой навивается на алюминиевый каркас, ось вращения, выполненную в виде двух частей - так называемых полуосей (5), жестко связанных с каркасом рамки. Концы обмотки рамки присоединены к двум упругим спиральным пружинам (6), через которые в рамку подводится измеряемый ток. Спиральные пружины жестко закреплены на оси вращения по обе стороны от рамки, и с помощью силы упругости удерживают ось в начальном (нулевом) положении, т.е. создают рабочую нагрузку на оси, кроме того, плоская спираль имеет линейную зависимость силы упругости от угла поворота, т.е. служит и для линеаризации шкалы. Ось вращения, выполненная в виде двух полуосей, установлена в корпусе прибора с помощью стеклянных или агатовых подшипников скольжения, распределенных по ее концам. Материал подшипников обеспечивает малое трение при работе измерительного механизма, но сам по себе хрупок и не может обеспечить надежную работу при значительных осевых нагрузках. На оси вращения жестко закреплен элемент механической нагрузки, в конкретном случае это две упругие спиральные пружины и легкая измерительная стрелка (7) с противовесами (8). В прототипе упругие спиральные пружины выполняют три функции: создание рабочей нагрузки на оси за счет упругости спиральных пружин, что одновременно приводит к снижению КПД, линеаризация шкалы, за счет линейности характеристики спиральных пружин, и подсоединение к источнику измеряемого тока.
Устройство работает следующим образом. При прохождении тока по обмотке рамки, последняя стремится повернуться, причем угол поворота рамки пропорционален силе тока. В зависимости от величины текущего через обмотку рамки тока, жестко соединенный с полуосью, а следовательно и с рамкой, элемент механической нагрузки -стрелка поворачивается (отклоняется) на определенный угол, указывая на проградуированной шкале значение тока.
Как видим, измерительный механизм прибора магнитоэлектрической системы выбранный в качестве прототипа, по сути дела является бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с ограниченным углом поворота, сообщающим элементу механической нагрузки - измерительной стрелке колебательное движение (отклонение от нулевого положения на определенный угол в ту или иную сторону) в зависимости от величины и направления тока.
Из множества найденных нами аналогов в качестве прототипа выбран именно этот электродвигатель измерительного механизма прибора магнитоэлектрической системы, поскольку, по сути дела, только этот электродвигатель (далее электродвигатель прототипа) совпадает по большинству существенных признаков с заявляемым. Как и заявляемый, электродвигатель прототипа является электродвигателем магнитоэлектрической системы (с подвижной катушкой), постоянного тока и с постоянными магнитами, и, кроме того, бесколлекторный, обмотка рамки которого подсоединена к управляющему напряжению посредством пружин, сообщающий нагрузке колебательное движение с ограниченным углом перемещения. Нам не удалось найти среди современных устройств более близкое, совпадающее хотя бы по части перечисленных выше признаков.
Итак, в качестве элемента нагрузки электродвигателя прототипа, как правило, выступает легкая стрелка - указатель измеряемой величины, условия эксплуатации измерительного прибора, как правило, лабораторно - стационарные, отклонения (колебания) стрелки осуществляются с частотой производимых измерений, скажем, не чаще одного раза в секунду. Условия эксплуатации и характер элемента нагрузки определяют требования к конструкции электродвигателя. В данном случае к конструкции электродвигателя прототипа требований к повышенной механической прочности конструкции, к быстродействию и умощнению привода, а также требований к обеспечению
разгрузки узла вращения двигателя от осевых нагрузок в широком диапазоне рабочих температур - не предъявлялось. Кроме того, в прототипе за счет создания рабочей нагрузки упругими спиральными пружинами, закрепленными на оси, снижен КПД устройства.
Сканеры, как класс приборов, предназначены для быстрого перемещения оптического луча, электродвигатель обеспечивает при этом перемещение отклоняющего изображение элемента, и быстродействие электродвигателя является главным параметром. Сканеры, в частности, колебательного движения используются в различных областях науки и техники, например, при считывании изображения, при создании видео эффектов, в устройствах ночного и тепловидения, в устройствах целеуказания для летательных аппаратов и наземных передвижных средств. В зависимости от области использования сканера в процессе эксплуатации возможно воздействие мешающих факторов, таких как вибрация, ударные нагрузки, широкий (от -50 градусов Цельсия до +50 градусов Цельсия) рабочий диапазон температур. Отсюда следует, что к электродвигателям быстродействующих сканеров, и особенно сканеров колебательного движения, в которых направление вращения вала постоянно и с большой скоростью (десятки раз в секунду) изменяется на противоположное, в силу специфики применения которых, в частности при эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур и вероятном присутствии мешающих факторов - предъявлены жесткие требования по обеспечению максимального импульсного момента вращения, развиваемого двигателем, а также повышению мощности, КПД и механической прочности конструкции электродвигателя, и, кроме того, необходимо обеспечение разгрузки подшипников от осевых усилий, возникающих при работе сканеров в широком диапазоне температур.
Целью разработки заявляемой полезной модели является: -повышение импульсного момента вращения развиваемого двигателем, увеличение мощности и КПД двигателя,
- повышение механической прочности конструкции двигателя,
- обеспечение разгрузки подшипников от осевых усилий.
Поставленная цель достигается тем, что электродвигатель постоянного тока с ограниченным углом перемещения, содержит постоянный магнит, неподвижный сердечник магнитопровода из магнитомягкого материала, рамку, обмотка которой навита на каркас, и присоединена к источнику управляющего тока посредством спиральных элементов, электродвигатель также содержит ось вращения, жестко связанную с каркасом рамки, и установленную в корпусе с помощью подшипников, распределенных по ее концам, корпус, причем в электродвигатель дополнительно введены: наружный статор, выполненный в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала, с толщиной стенок выбранной из условий магнитного насыщения (обеспечивающей достаточную для работы индукцию магнитного поля), и устройство разгрузки подшипников от осевых усилий. Кроме того, постоянный магнит выполнен в виде двух частей размещенных внутри наружного статора, ось вращения выполнена цельнометаллической, проходящей через ось симметрии рамки, каркас рамки выполнен в виде двух частей, жестко закрепленных на оси вращения. Наружный статор может быть совмещен с корпусом электродвигателя, т.е. в качестве наружного статора может быть использован корпус электродвигателя выполненный из магнитомягкого материала. Спиральные элементы присоединения обмотки рамки к управляющему источнику тока выполнены в виде цилиндрических спиралей из неупругого изолированного провода, расположенных вокруг оси вращения двигателя и вдоль нее.
Иными словами, повышение импульсного момента вращения развиваемого двигателем, увеличение мощности и КПД достигается дополнительным введением наружного статора из магнитомягкого материала с толстыми стенками и расположением внутри него постоянного магнита выполненного в виде двух частей, повышение механической прочности двигателя достигается выполнением оси вращения - цельнометаллической, а рамки - облегченной конструкции, и выполнением в виде цилиндрических спиралей из гибкого изолированного провода элементов присоединения обмотки рамки к источнику управляющего тока (в отличие от прототипа, где спирали плоские из упругого материала). Обеспечение разгрузки подшипников от осевых усилий достигается введением устройства разгрузки подшипников от осевых усилий.
Заявляемый электродвигатель постоянного тока с ограниченным углом перемещения (далее - электродвигатель) представлен на следующих чертежах:
Фиг.1. Общий вид электродвигателя. Сборочный чертеж. На чертеже представлен общий вид двигателя в сборе, с наглядными разрезами и элементом механической нагрузки, закрепленным на оси.
Фиг.2. Общий вид рамки. На чертеже представлена конструкция одной из двух идентичных частей облегченного каркаса рамки с навитой обмоткой. Устройство заявляемого электродвигателя представлено на Фиг.1.
Как и прототип, электродвигатель содержит постоянный магнит, в отличие от прототипа выполненный в виде двух частей (1) и (2), расположенных во внешнем статоре (3), совмещенном на приведенном чертеже с корпусом.
Как и в прототипе, в заявляемом электродвигателе содержится неподвижный сердечник (4) магнитопровода.
Использованная в прототипе конструкция рамки и ее обмотки, а также конструкция их осевого закрепления на оси вращения, поделенной на две полуоси - имеет существенный недостаток: обмотка рамки в прототипе кроме основного рабочего усилия (тангенциального), подвержена непосредственному воздействию сил в других направлениях - радиальных, осевых, скручивающих, изгибающих. Необходимость обеспечения прочности и устойчивости конструкции в условиях такого комплекса воздействий, делают невозможным выбор оптимальных параметров рамки и обмотки для достижения требуемого отношения момента вращения к моменту инерции подвижных частей двигателя. В заявляемом устройстве применена рамка облегченной конструкции, с каркасом, состоящим из двух частей (5), жестко закрепленных на оси вращения (6) и навитой на каркас обмоткой (7). Ось вращения, в отличие от прототипа, выполнена цельнометаллической, т.е. прочной. Применение сплошной оси, несущей основную часть механических нагрузок, практически без повышения момента инерции дает возможность выбора оптимального для обеспечения максимальной импульсной мощности соотношения между моментом инерции обмотки и развиваемым двигателем моментом вращения. Как видим на Фиг.1, в отличие от прототипа каркас рамки выполнен облегченным, в виде двух частей, без боковин, несомненно, утяжеляющих рамку, в качестве элемента жесткости рамки выступает сама цельнометаллическая ось вращения. На фиг.2. представлена конструкция одной из двух одинаковых частей каркаса рамки, состоящая из основания и двух щечек (8). Обратимся к Фиг.1, как и в прототипе, ось вращения установлена в корпусе при помощи подшипников (9) и (10), распределенных по ее концам. В отличие от прототипа, где нет весомой осевой нагрузки, оказываемой осью вращения на удерживающие ее подшипники скольжения, о чем говорит и сам материал, из которого сделаны подшипники - агат или стекло, в заявляемом
электродвигателе подшипники, удерживающие ось вращения, испытывают большие перепады осевых нагрузок, так как диапазон рабочих температур (-50 градусов Цельсия до +50 градусов Цельсия) - велик и, как правило, материалы оси вращения и корпуса имеют разные температурные коэффициенты, к тому же оси электродвигателей приводов сканеров имеют большую длину, т.к. оптимальное для обеспечения максимальной импульсной мощности соотношение между моментом инерции обмотки и развиваемым двигателем моментом вращения достигается при вытянутой вдоль оси двигателя обмотке (длина вдоль оси существенно превышает поперечные размеры обмотки), ось привода сканера выполняют достаточно длинной, следовательно абсолютная величина линейного расширения оси - значительная, что приводит к высоким осевым нагрузкам, которые не могут выдержать подшипники, примененные в прототипе. В заявляемом электродвигателе, в отличие от прототипа, хрупкие подшипники скольжения (стеклянные или агатовые) заменены на подшипники способные выдерживать осевые динамические нагрузки - это шарикоподшипники качения, и кроме того введено устройство разгрузки подшипников от осевых усилий, выполненное следующим образом: один из удерживающих ось подшипников (10) неподвижно закреплен на фланце (11) корпуса, а второй - установлен в кармане фланца (12) корпуса с возможностью осевого перемещения, причем начальное положение подшипника задано упругим элементом (13), в частности, как показано на Фиг.1, выполненным в виде пружины. Следует отметить, что замена подшипников скольжения на подшипники качения кроме возможности применения устройства разгрузки от осевых усилий, приводит также к снижению момента трения в узле вращения двигателя.
Как показано на Фиг.1, гибкие спиральные элементы (14) для присоединения обмотки рамки к управляющему источнику тока, выполненные
в отличие от прототипа из неупругого изолированного провода в виде цилиндрических спиралей расположенных на оси и вдоль нее, проходя через отверстие (15) в неподвижном сердечнике магнитопровода уходят непосредственно на источник управляющего тока.
Поскольку частота и количество отклонений стрелки в прототипе невелики по сравнению с частотой отклонения и количеством колебаний в заявляемом электродвигателе, то плоская спиральная пружина из упругого материала в прототипе не подвергается воздействию усилий направленных на излом. Конструкция и материал цилиндрической спирали в заявляемом устройстве выбраны из условия увеличения механической прочности при колебаниях рамки на высоких скоростях. а именно - цилиндрическая спираль из неупругого изолированного провода при колебаниях (поворотах на ограниченный угол) пружинит не ломаясь. Следует отметить, что неупругий изолированный провод не хрупок, и благодаря увеличенной по сравнению с прототипом длине спирали каждый фрагмент (виток) неупругого провода испытывает незначительную изгибающую нагрузку при колебаниях оси, и поэтому способен выдерживать большое количество колебаний и в то же время не создавать дополнительную нагрузку на оси вращения, повышая этим КПД электродвигателя.
Повышение механической прочности электродвигателя решено путем выполнения оси вращения цельнометаллической, а не из двух полуосей, как это сделано в прототипе. На цельнометаллической оси жестко закреплены рамка с обмоткой, сердечник магнитопровода и элемент механической нагрузки (16).
На Фиг.1 изображен вариант электродвигателя, когда наружный статор совмещен с корпусом, а устройство разгрузки в качестве упругого элемента содержит витую пружину.
Устройство работает следующим образом.
При протекании управляющего тока, подведенного к обмотке (7) рамки посредством спиральных элементов (14), выполненных в виде цилиндрических спиралей, вокруг рамки образуется магнитное поле, напряженность которого пропорциональна величине протекающего через рамку управляющего тока, взаимодействуя с магнитным полем создаваемым в магнитной цепи частями постоянного магнита (1, 2), сконцентрированное внешним статором (3) и сердечником (4) оно разворачивает рамку в направлении, определяемом по правилу левой руки. При изменении направления управляющего тока, рамка поворачивается в обратную сторону, причем момент вращения пропорционален току обмотки, а угловое ускорение определяется соотношением момента вращения к моменту инерции обмотки (7) и нагрузки (16) двигателя.
Устройство разгрузки подшипников от осевых усилий работает следующим образом: в исходном положении до начала работы электродвигателя упругий элемент (13), обеспечивает предварительную осевую нагрузку на подшипник (9), затем через ось вращения (6) электродвигателя - на подшипник (10). При подаче питания ось вращения (6) электродвигателя вращается на паре подшипников качения (9 и 10), в одну и в другую сторону (колебательное движение). Подшипник (9) взаимодействуете упругим элементом (13). При изменении осевой нагрузки в меньшую либо большую сторону упругий элемент либо разжимается (при уменьшении осевой нагрузки), либо сжимается (при увеличении осевой нагрузки) таким образом, регулируя и оставляя постоянной осевую нагрузку подшипников и не препятствуя их вращению.
Обеспечение высокого импульсного момента вращения, развиваемого двигателем, достигнуто снижением момента инерции подвижных частей обмотки и рамки, возможностью выполнения на цельнометаллической оси оптимального соотношения между длиной и поперечными
размерами обмотки. Применение длинной катушки вдоль цельнометаллической оси повышает объем взаимодействия поля обмотки и магнитов, не увеличивая момент инерции обмотки и с сокращением длины нерабочих торцов обмотки. Дополнительный фактор обеспечения высоких импульсных характеристик двигателя - отсутствие замкнутого контура для вихревых токов по внутреннему магнитопроводу электродвигателя.
Увеличение мощности двигателя по сравнению с прототипом обеспечено за счет введения внешнего статора из магнитомягкого материала. Толщина стенки статора обеспечивает отсутствие насыщения магнитного поля в статоре.
Повышение механической прочности конструкции двигателя обеспечено изготовлением цельнометаллической оси вращения, введением устройства разгрузки удерживающих подшипников от осевых усилий, применением прочных подшипников качения, способных выдержать как внешние нагрузки, так и собственные, возникающие при работе двигателя.
Устройство может быть реализовано промышленным способом, посредством освоенных технологий, используемых в точном машиностроении, таких как токарная обработка, обработка давлением (штамповка, высадка).
Источники принятые во внимание.
1. Авторское свидетельство №987753, Н 02 К 33/00, (аналог).
2. Авторское свидетельство №1647790 Н 02 К 33/00, (аналог).
3. Авторское свидетельство №1814161 Н 02 К 33/12, (аналог).
4. Рис.9-8, стр.152, книги «Электрические машины», автора Пиатровского Л.М -, изд. «Энергия», Ленинградское отделение, 1975 г.
5. «Электрические машины», автора Иванова-Смоленского А.В., М, Энергия, 1980 г., стр.701.
6. Рис.9.23, Стр.229, Учебник для 8 класса «Физика и астрономия» под редакцией А.А.Пинского, В.Г.Разумовского, издание 5, Москва «Просвящение» 2001 г. (прототип).
1. Электродвигатель постоянного тока с ограниченным углом перемещения, содержащий постоянный магнит, неподвижный сердечник магнитопровода, выполненный из магнитомягкого материала, рамку, обмотка которой навита на каркас и присоединена к источнику управляющего тока посредством спиральных элементов, ось вращения, жестко связанную с каркасом рамки, и установленную в корпусе с помощью подшипников, распределенных по ее концам, корпус, отличающийся тем, что, в электродвигатель дополнительно введены: наружный статор, выполненный в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала, и устройство разгрузки подшипников от осевых усилий, кроме того, постоянный магнит выполнен в виде двух частей, размещенных внутри наружного статора, ось вращения выполнена цельнометаллической, проходящей через ось симметрии рамки, каркас рамки выполнен в виде двух частей, жестко закрепленных на оси вращения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружный статор совмещен с корпусом электродвигателя.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что спиральные элементы присоединения обмотки рамки к управляющему источнику тока выполнены в виде цилиндрических спиралей из неупругого изолированного провода, расположенных на оси вращения.
