Електромеханічний реверсивний кроковий двигун

Винахід має відношення до електротехніки і може бути використаний як виконавчий пристрій дискретного привода у автоматичних системах з цифровим керуванням. Відомі крокові двигуни, у яких електричні імпульси у обмотках перетворюються при взаємодії магнітних полів якоря та статора у дискретні кутові переміщення якоря, такі, наприклад, як крокові двигуни, що описані у книзі [Д.Е. Брускіна, О.Е. Зароховеця, B.C. Хвостова "Електричні машини та мікромашини", М., "Высшая школа", 1990, с.389-398] або, наприклад, кроковий двигун [за патентом РФ №2101840, м. кл. НО2Р37/00, НО2Р8/00, опубліковано 10.01.98р.]. Загальним недоліком цих двигунів є низький ККД (порядку 0,01 та менше) та низький стопорний момент у обезструмленому положенні приладу, який не перевищує 0,1...0,2 номінального моменту. Відомі електромеханічні крокові двигуни, у яких електричні імпульси у обмотках електромагнітів перетворюються у дискретні кутові переміщення вихідного вала внаслідок механічних зв'язків між якорем та вихідним валом, наприклад, храповим механізмом, такі як кроковий електродвигун [за авторським свідоцтвом СРСР №1023567, м. кл. НО2К37/00, опубліковано 15.06.83] або кроковий електродвигун [за патентом РФ №2077108, м. кл. НО2К37/00,7/06, опубліковано 10.04.97]. Ці крокові електродвигуни мають достатньо високий стопорний момент, але їх недоліком є малий ККД (порядку 0,01) та малий ресурс роботи внаслідок ударного режиму роботи деталей (наявності співударних елементів). Низький ККД зазначених двигунів обумовлено принципом роботи - необхідністю швидкого розбігу якоря та подальшого гальмування, яке у першій з зазначених груп двигунів здійснюється гальмувальними електромагнітними обмотками, а у другій - механічним гальмуванням деталей. Таким чином, енергія, яку затрачено на розгін якоря та зрушуваного ним механізму у першому випадку повинна бути погашена енергією, яку затрачено на гальмування, а у другому випадку - витрачається на удар об гальмівний пристрій. Найбільш близьким за сукупністю ознак до пропонованого технічного вирішення є електромеханічний кроковий двигун [за авторським свідоцтвом СРСР №288109, НО2К37/00, опубліковано 03.12.70]. Відомий кроковий двигун як і той, що заявляється, містить вихідний кривошипний вал та нерухомо установлений у корпусі електромагніт, на осі якоря якого жорстко закріплено кулісу, що охоплює своєю вілкою цапфу кривошипного вала. На відміну від двигуна, що пропонується, відомий двигун містить також важіль та коромисло, причому важіль зв'язано зворотною пружиною з корпусом і другою пружиною -з нижнім кінцем коромисла, верхній кінець якого третьою пружиною зв'язано з корпусом. Відомий кроковий двигун має високий ККД та ресурс роботи. Високий ККД обумовлено тим, що енергія притягання якоря перетворюється механізмом крокового двигуна на першій ділянці, коли якір притягується підчас здійснення корисної роботи, у енергію розгону кривошипа та енергію натягування пружин, які на другій ділянці, підчас відпускання якоря, перетворюються у корисну роботу на привод механізму. Високий ресурс обумовлюється відсутністю у конструкції деталей, які співударяються та тертяться, та мінімальним спрацюванням взаємодіючих між собою поверхонь. Але відомий двигун має наступні недоліки: 1. Швидкодія двигуна обмежена, що обумовлено наступними причинами: - коромисло, яке змонтовано на цапфі вихідного кривошипного вала, та рухомі елементи опори мають значні маси і, відповідно, моменти інерції; - максимальна величина моменту, що створюється пружинним механізмом, який повинен подолати електромагніт, майже у три рази перевищує середній момент, що створюється на робочій ділянці. Відповідно у механізмі створюються великі зусилля, які потребують для забезпечення міцності збільшення розмірів деталей, що викликає збільшення моментів інерції та, у кінцевому результаті, не дозволяють при збільшенні потужності електромагніта у відповідній мірі збільшити швидкодію механізму. 2. Номенклатура крокових двигунів за авторським свідоцтвом №288109 обмежена, що обумовлено тим, що геометричні параметри деталей механізму такі, як радіус кривошипа, довжина плеч коромисла, довжина важілей та т.і. для забезпечення робочого моменту на вихідному валу пов'язані між собою складними залежностями і не можуть бути задані довільно. Тому, наприклад, зменшення радіуса кривошипа зменшує хід коромисла, відповідно зменшує момент для подолання мертвої точки, потребує збільшення довжини важіля та т.і., що перешкоджає створенню двигуна з меншою потужністю та більшою частотою спрацювання. 3. Галузь застосування відомого двигуна обмежена, бо для його реверсування необхідний перемикаючий електромеханічний пристрій, який змінює положення зачепа пружини, котра зв'язує верхній кінець коромисла з корпусом, що суттєво ускладнює конструкцію та схему керування і, крім того, зрушує початкове положення кривошипного вала під час реверсу на деякій кут від початкового положення при прямому ході (приблизно на 10% повного кутового кроку) і, отже, не дозволяє проводити реверсування з достатньою точністю. В основному винаходу поставлено задачу створити такий електромеханічний реверсивний кроковий двигун, у якому уведення другого електромагніта з кулісою, зміщення осей куліс відносно одна одної з утворенням кута між кулісами більше 0° та менше 180°, установка кривошипного вала з можливістю взаємодії з обома кулісами як у прямому так і у зворотному напрямках, дозволило б зменшити моменти інерції вихідного вала двигуна і, таким чином, збільшити його швидкодію; виключити необхідність дотримання складних залежностей між розмірами деталей двигуна і, таким чином, розширити номенклатуру двигунів; забезпечити реверсування двигуна без ускладнення його конструкції з забезпеченням достатньої точності і, отже, розширити його галузь застосування. Крім того, винахід, що пропонується, забезпечує одержання додаткового результату - спрощення двигуна, бо за рахунок уведення нових ознак у двигуні, що пропонується, відсутні важіль та коромисло, а також пружини, які забезпечують їх пружний зв'язок між собою і корпусом. Задача, яку поставлено, вирішується так, що у електромеханічний реверсивний кроковий двигун, який містить вихідний кривошипний вал і нерухомо установлений у корпусі електромагніт, на осі якоря якого жорстко закріплено кулісу, вилкою якої охоплено цапфу кривошипного валу, згідно з винаходом, уведені наступні суттєві ознаки, відмінні від прототипу. У кроковий двигун, що заявляється, уведено аналогічний електромагніт з кулісою. Осі куліс зміщенні відносно одна одної, причому куліси утворюють кут більше 0° і менше 180° і з'єднані відповідними пружними зв'язками з корпусом. Кривошипний вал установлено з можливістю взаємодії з обома кулісами у процесі його повороту як у прямому так й у зворотньому напрямках. Уведення другої куліси, яку підпружинено, розташовано під деяким кутом до першої куліси та установлено на осі якоря аналогічного електромагніта, дозволяє не тільки збільшити швидкодію за рахунок зменшення моментів інерції мас, що рухаються, та зниження максимальних навантажень на механізм, а також розширити діапазон номенклатури двигунів, що створюються, як у напрямку збільшення потужності за рахунок усунення геометрічних залежностей між деталями механізму. Виконання кривошипного валу таким чином, що взаємодіє з обома кулісами, дозволяє проводити реверсування простою зміною порядку надходження імпульсів у обмотки електромагнітів. На Фіг.1 показано кінематичну схему двигуна, що заявляється, на Фіг.2 - циклограму крутильних моментів, що створюються пружинами на вихідному кривошипному валу крокового двигуна, на Фіг.3 діаграму імпульсів керування. Електромеханічний реверсивний кроковий двигун містить дві куліси 1, 2, вихідний вал 3 з кривошипом 4. Куліси 1, 2 розміщені відповідно на осях 5, 6, що обертаються, якорів 7, 8 електромагнітів 9, 10. Куліси 1, 2 відповідно пружинами 11, 12 зв'язані з корпусом 13. Куліси 1, 2 охоплюють своїми вилками цапфу кривошипа 4 вихідного вала 3. Осі 5, 6 зміщені відносно одна одної таким чином, що куліси 1, 2 утворюють кут, величина якого більше 0° і менше 180°. Двигун, що пропонується, працює таким чином. У початковому стані механізм знаходиться у стійкому врівноваженому становищі за рахунок дії пружин 11, 12. На циклограмі (Фіг.2) показані положення верхніх мертвих точок (ВМТ) та нижніх мертвих точок (НМТ) деталей механізму. Вище осі абсцис (Фіг.2) показані додатні моменти, що створюються пружинами 11, 12 під час обертання вихідного кривошипного вала 3 за годинниковою стрілкою. Нижче осі абсцис від'ємні моменти. Відповідно під час обертання вихідного кривошипного вала 3 проти годинникової стрілки додатні моменти, що спрямовані у сторону обертання, розміщуються під віссю абсцис. При поданні імпульсу струму у обмотку одного з електромагнітів (ЕМ), наприклад, 9 (Фіг.3а), якір 7, притягуючись під дією електромагнітного поля до осердя, тягне за собою кулісу 1, яка, повертаючись навколо осі 5 за годинниковою стрілкою, вилкою тисне на цапфу кривошипа 4 вихідного вала 3 і розтягує пружину 11. Під дією куліси 1 та куліси 2, що притягується пружиною 12, кривошип 4 вихідного вала 3 починає повертатися за годинниковою стрілкою до верхньої мертвої точки пари куліса 2 - кривошип 4. Поблизу мертвої точки у обмотку електромагніта 10 подається імпульс струму (Фіг.3б) і якір 8, притягуючись до осердя, розвертає кулісу 2 навкруги осі 6 проти годинникової стрілки, розтягуючи пружину 12. Куліса 2 вилкою тисне на кривошип 4 у напрямку обертання вихідного вала 3 за годинниковою стрілкою. Поблизу нижньої мертвої точки пари куліса 1 - кривошип 4 з обмотки електромагніта 9 знімається напруга і куліса 1, повертаючись під дією пружини 11 проти годинникової стрілки, допомагає електромагніту 10 рухати вихідний кривошипний вал 3 за годинниковою стрілкою до нижньої мертвої точки пари куліса 2 кривошип 4, поблизу якої з електромагніта 9 знімається напруга. Рух вихідного кривошипного вала 3 до початкового становища продовжується під сумарною дією пружин 11 та 12. Обертання у зворотному напрямку відбувається при подачі імпульса струму спочатку у обмотку електромагніта 10 (Фіг.3в), а потім у обмотку електромагніта 10 (Фіг.3г). Таким чином, уведення нових ознак дозволило створити електромеханічний кроковий двигун з можливістю реверсування, з високими ККД, ресурсом роботи, швидкодією та ширшим діапазоном потужностей.