Двухкоординатный линейный шаговый двигатель с совмещенными координатами

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С СОВМЕЩЕННЫМИ КООРДИНАТАМИ(73) Патентообладатель Жарский Владимир Владимирович(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в прямом дискретном шаговом электроприводе устройств перемещения и позиционирования. С целью улучшения температурной динамической угловой устойчивости при одновременном повышении его точностных и энерго-массогабаритных показателей линейный шаговый двигатель с совмещенными координатами, состоящий из зубчатого ферромагнитного статора и индуктора, выполненного в виде плоского корпуса, в котором симметрично относительно центра корпуса закреплены электромагнитные модули каждой координаты, выполнен так, что модули электрических фаз расположены в корпусе так, что дополнительно обеспечена их симметрия относительно осей корпуса, параллельных координатам перемещения. 1 с.л.ф., 5 з.п.ф., 6 илл. Фиг. 1 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в прямом дискретном шаговом электроприводе устройств перемещения и позиционирования. Известен двухкоординатный линейный шаговый двигатель (ЛШД) с разнесенными координатами 1. Недостаток аналога состоит в ограниченном ходе индуктора, так как электромагнитные модули для перемещения по координатамиразнесены в пространстве. Наиболее близким к предлагаемому устройству является ЛШД с совмещенными координатами 2. ЛШД на магнитовоздушной подвеске состоит из статора и индуктора. Статор представляет собой лист ферромагнитного материала, на верхней поверхности которой сформирована зубцовая структура типа шахматной доски,4657 1 где, например, белым клеткам соответствуют поверхность зубцов, а черным - поверхность впадин. Впадины заполняются немагнитным материалом, что обеспечивает гладкую поверхность рабочей стороны статора. Индуктор представляет собой плоский корпус, объединяющий группы 2-фазных электромагнитных модулей перемещения по каждой координате. Индуктор находится над статором на небольшом расстоянии, которое создается благодаря уравновешиванию сил притяжения индуктора к статору за счет электромагнитных модулей и сил отталкивания, создаваемых сжатым воздухом. Недостаток прототипа состоит в появлении, при изменении температуры корпуса, угловых колебаний индуктора вокруг вертикальной оси, амплитуда и частота которых зависит от температуры. С увеличением температуры корпуса индуктора, вызванной изменением температуры окружающей среды, режимов работы ЛШД, увеличивается погрешность позиционирования, что объясняется уменьшением амплитуды тягового усилия двигателя. Кроме того, применение в индукторе 2-фазных электромагнитных модулей значительно ухудшает массогабаритные показатели и к.п.д. ЛШД. Все это ограничивает возможности эффективного использования прототипа в ряде областей, связанных с отработкой с высокими скоростями и точностью троекторных задач. Цель изобретения - улучшение температурной динамической угловой устойчивости при одновременном повышении его точностных и энерго-массогабаритных показателей. Указанная цель достигается тем, что в ЛШД с совмещенными координатами, состоящем из зубчатого ферромагнитного статора и индуктора, выполненного в виде плоского корпуса, в котором симметрично относительно центра корпуса закреплены электромагнитные модули каждой координаты, электромагнитные модули в двигателе выполнены однофазными, причем все модули электрических фаз расположены в корпусе так, что дополнительно обеспечена их симметрия относительно осей корпуса, параллельных координатам перемещения. Электромагнитные модули одной координаты расположены около оси корпуса, параллельной другой координате. Электромагнитные модули одной координаты, расположенные в центральной части корпуса, выполнены так, что удовлетворяется соотношение 4/. Здесь- длина модуля (зубца)- ширина модуля- количество модулей по другой координате. Электромагнитные модули могут быть выполнены все однофазными и одинаковыми по двум координатам. При необходимости обеспечения разной величины тяги по каждой координате модули по каждой координате отличаются, например, длиной. На фиг. 1 представлен ЛШД, на фиг. 2 - упрощенная структура ЛШД по одной координате с двухфазным электромагнитным модулем, на фиг. 3 - упрощенная структура ЛШД по одной координате с однофазным модулем. На фиг. 4 изображена упрощенная схема расположения электромагнитных модулей ЛШД прототипа, а на фиг. 5 - упрощенная схема расположения электромагнитных модулей предлагаемого ЛШД, на фиг. 6 представлены принципиальные конструкции двухфазного (6 а) и однофазного (6 в) модулей. ЛШД состоит из статора 1, индуктора 2. На плоской поверхности статора 1 цифре 3 соответствуют зубцы,а цифре 4 - впадины. Функционирование ЛШД рассмотрим на примере одной координаты (на фиг. 2). Двухфазный модуль состоит из постоянного магнита 5, 2-х П-образных магнитопроводов 6, спинки которых охватывают обмотки А и В управления. При подаче тока (0) в обмотку А управления магнитный поток управления в зубце а вычитается с магнитным потоком постоянного магнита 5, а в зубце- складывается. Поэтому зубецустанавливается напротив зубца статора 1 (фиг. 2). При возбуждении током В обмотки В (А 0) суммарный магнитный поток переключается в зубец с и модуль перемещается на 0,25 периода зубчатой структуры статора вправо (фиг. 2). При изменении направления тока А (В 0) суммарный магнитный поток переключается в зубец а и индуктор перемещается еще на 0,25 периода вправо (фиг. 2). А при возбуждении обмотки В током магнитный поток принимает максимальное значение в зубце(фиг. 2) и индуктор перемещается еще вправо на 0,25 периода. Коммутация обмоток в таком же порядке и далее обеспечивает движение индуктора ЛШД вправо. Для обеспечения движения индуктора ЛШД влево необходимо изменить порядок коммутации обмоток управления. Перемещение индуктора ЛШД по другой координате происходит аналогично. На фиг. 2 приведено условное обозначение 2-фазного модуля. Для обеспечения плавности перемещения используется принцип микрошагового управления, при котором обмотки управления А и В запитываются квантованными по времени и амплитуде соответственноитоками. Перемещение индуктора ЛШД при помощи однофазных модулей (фиг. 3) происходит аналогично, как и для двухфазного модуля. Отличие состоит лишь в том, что для перемещения необходимо использовать два модуля, в каждом из которых используется одна обмотка управления, которая охватывает центральные стержни П-образных магнитопроводов. Здесь уместно лишь заметить, что амплитуда тягового усилия для модулей (фиг. 3) в два раза больше амплитуды тягового усилия модуля (фиг. 2). 4657 1 Сравнение однофазного и двухфазного электромагнитного модуля (фиг. 6) показывает, что при ширине спинки П-образных магнитопроводов 6, приблизительно равной удвоенной ширине его стержня, у двухфазного модуля (фиг. 6 а) расход меди примерно в два раза больше чем у однофазного (фиг. 6 в). Расположение обмотки 7 в окне и на спинке магнитопровода приводит к увеличению высоты 2-фазного модуля по сравнению с однофазным. Следовательно, при одинаковой амплитуде тягового усилия индуктор ЛШД на двухфазных модулях будет иметь большую массу, большие габариты, чем на однофазных. Омическое сопротивление фазы также у индуктора на двухфазных модулях будет примерно в два раза больше, чем у индуктора на однофазных модулях. Поэтому и омические потери при одинаковом токе управления в двухфазном индукторе больше, чем в однофазном. Собственное фиксирующее усилие двухфазного ЛШД по каждой координате определяется собственным фиксирующим усилием электромагнитных модулей фазы А и фазы В. Так, например, при расчетной температуре для координаты Здесь Р- амплитуда Р соответственно на 2-й и 4-й гармонике- собственное фиксирующее усилие ЛШД покоординате- период зубцовой структуры статора. В общем случае собственное фиксирующее усилие для двухфазного ЛШД(5) где ХАХ(Тр)1 Т,(6) ХВХВ(Тр)1 Т,(7) Т-Тр. Здесь Х(Тр),- координаты расположения центра -г модуля фаз А и В координаты индуктора ЛШД- температурный коэффициент линейного расширения корпуса индуктора, в частности для алюминия 2410-6 град-1 Т, Т - соответственно текущая и расчетная температура корпуса индуктора 2 - общее количество модулей по координате. Выражение (4), учитывая небольшие размеры модуля в направлении перемещения и меньший коэффициент линейного расширения стали по сравнению с алюминием, построено без учета собственного линейного расширения модуля. Решение уравнения (4) в общем виде имеет смысл для конкретной конструкции ЛШД. Для того чтобы выявить характер поведения индуктора при изменении температуры от изменения температуры окружающей среды и собственного нагрева, достаточно проанализировать уравнения (1) и (2) для двух модулей АХ-ВХ(фиг. 4, 5), расположенных по одну сторону осииндуктора. Пусть для расчетной температуры Т 20 С(42(/ (42(/,В выражениях (9) и (10) РСА(Т) и Р(Т) - соответственно РСА и Р для текущей температуры корпуса. Очевидно, что при 222 4657 1 гармонический спектр собственного фиксирующего усилия модулей АХ-ВХ при температуре Т соответствует спектру при Т, но сдвинутому по фазе. Также очевидно и то, что при 22/2 в фиксирующем усилии РСВ(Т) будут присутствовать две квадратурные составляющие на 2-й и 4-й гармонике,что увеличивает погрешность позиционирования такого элементарного ЛШД на двух модулях. Эти два простейших примера говорят о сложном характере спектра собственного фиксирующего усилия от температурного линейного расширения корпуса. С другой стороны эксплуатация ЛШД при постоянной температуре корпуса говорит о его высоких точностных характеристиках отработки прямолинейных движений. Это связано с архитектурой построения двигателя, т.е. с пространственной симметрией расположения электромагнитных модулей в индукторе ЛШД. Для того чтобы спектр собственного фиксирующего усилия нагретого индуктора с высокой точностью повторял спектр холодного индуктора, необходимо потребовать выполнения условия 421/(11) Тогда для 3050 106/(8(30-50)24)(55-30) град. Отсюда следует, что при колебаниях температуры корпуса в пределах 3 Схорошо описывается формулой (3), т.е. собственное фиксирующее усилие присутствует на 4-й гармонике и приложено к обоим модулям АХ-ВХ в одном направлении. С увеличением температуры спектр собственного фиксирующего усилия ЛШД усложняется в нем, наряду с четвертой гармоникой, появляется вторая. Причем амплитуды и фазы этих составляющих не совпадают и зависят от температуры. Пользуясь вышеприведенными выражениями, можно рассчитать спектр собственного фиксирующего усилия конкретного двигателя в целом. Для нашего случая важно следующее 1. При расчетной температуре Тр собственное фиксирующее усилие присутствует на четвертой гармонике,приложено к обоим модулям и направлено в одну сторону и одинаковое по величине. 2. При температурном расширении корпуса индуктора собственное фиксирующее усилие присутствует на 2-й и 4-й гармонике, для каждого модуля разное как по величине, так и по фазе. Это эквивалентно наличию усилиямежду двумя модулями, направление которого для каждого момента времени может изменяться по величине и направлению. Поэтому (фиг. 4) при изменении температуры у прототипа появляется вращающий момент, который приводит к периодическим колебаниям индуктора двигателя вокруг вертикальной оси при его движении. В предлагаемом двигателе (фиг. 5 а) этот эффект отсутствует вследствие полной симметрии расположения модулей. Второй отрицательный эффект, к которому приводит тепловое расширение корпуса, - это уменьшение амплитуды тягового усилия. Для двух модулей АХ-ВХ тяговое усилие Р равно(2(1)/)-(2(1)(2(1)/)(2(1 )- (2(1)/(2(1)/)(2(1)/)-(2(1)/) 2(1)-(2(1)/) 2(1). Здесь- циклическая частота тока управления. Для того чтобы линейное расширение корпуса существенно не сказывалось на уменьшении тягового усилия, надо потребовать выполнения условия 2 Т 1. Как видно, это условие еще жестче условия по формуле (10). Если модули у прототипа (фиг. 4) и предлагаемого двигателя (фиг. 5 а) одинаковые, то тяговое усилие у предлагаемого двигателя в два раза больше, чем у прототипа. Исходя из принципа формирования структуры расположения модулей, как в прототипе, двигатель,имеющий такое же тяговое усилие, как и у предлагаемого устройства, будет выглядеть (фиг. 5 в). Однако крайние модули АХ-ВХ находится намного дальше от центра индуктора по сравнению с предлагаемым двигателем. Поэтому он более чувствителен к изменениям температуры, чем предлагаемый двигатель. 4657 1 Источники информации 1. Электронная промышленность. Сборник. Вып. 6(66), 1978. - С. 41. 2. Электронная техника. Сборник, серия 7 // Технология, организация производства и оборудование. Вып. 6(97), 1979. - С. 50-54 (прототип). 1. Двухкоординатный линейный шаговый двигатель с совмещенными координатами, содержащий зубчатый ферромагнитный статор и индуктор, выполненный в виде плоского корпуса, в котором симметрично относительно центра корпуса закреплены электромагнитные модули каждой координаты, отличающийся тем,что электромагнитные модули электрических фаз расположены в корпусе так, что дополнительно обеспечена их симметрия относительно осей корпуса, параллельных координатам перемещения. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что электромагнитные модули одной координаты расположены около оси корпуса, параллельной другой координате. 3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что модули по каждой координате выполнены однофазными. 4. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что часть модулей по одной из координат выполнена двухфазными, а остальные - однофазными. 5. Двигатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что магнитопроводы модулей по одной и другой координате выполнены идентичными. 6. Двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что электромагнитные модули одной координаты выполнены так, что для другой координаты выполняется соотношение 4 /,где- длина модуля- ширина модуля- количество модулей по другой координате. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.