Лшд двигатель


линейный шаговый двигатель (варианты) - патент РФ 2472276

Изобретение относится к электротехнике, к линейным шаговым двигателям (ЛШД), и может быть использовано преимущественно в устройствах ввода - вывода. Технический результат состоит в расширении функциональных и технологических возможностей ЛШД и упрощении его конструкции за счет применения рычагов в качестве приводного элемента. В ЛШД в качестве элемента, осуществляющего передвижение подвижной части, введена система приводных элементов-рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе. На внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения. Имеются датчики для контроля положения подвижной части двигателя, связанные с системой контроля. По первому варианту соосно с рычагами расположены возвратные пружины. На подвижной части расположены зацепы. По второму варианту система управления расположена в корпусе, рычаги и системы управления выполнены на подвижной части, а зацепы соответственно на корпусе. Рычаги выполнены с втягивающимся сердечником. Отличие третьего варианта от второго состоит в том, что рычаги имеют шарнирный механизм, расположены внутри корпуса в одной поперечной плоскости и выполнены в форме секторов. Движение подвижной части происходит по роликам. Корпус является подвижным, а подвижная часть закреплена на неподвижном механизме. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2472276

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к линейным шаговым двигателям, и может быть использовано преимущественно в устройствах ввода-вывода.

Известен линейный шаговый двигатель [RU 96111310 А, кл. H02N/04, 27.09.1998], содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, фиксирующие узлы выполнены в виде двух или более пьезоблоков, расположенных в продольной плоскости друг за другом, причем первый пьезоблок выполнен из сдвигающего и фиксирующего пьезоэлементов, разрезного фрикционного элемента, разделенных изоляторами, а второй пьезоблок выполнен из фиксирующего пьезоэлемента, разрезного фрикционного элемента и изоляторов, а подвижная часть расположена по оси двигателя и контактирует с разрезными подвижными элементами.

Недостатком такой конструкции является ограниченность функциональных и технологических возможностей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является линейный шаговый двигатель [RU 96111526 А, кл. H02N/04, 27.09.1998], содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, фиксирующие узлы выполнены из не менее двух пьезоблоков, причем каждый пьезоблок состоит из сдвигающего пьезоэлемента и фиксирующего пьезоэлемента, разделенных относительно друг друга, корпуса и фрикционного элемента изоляторами, а расположены пьезоблоки внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом.

Недостатком такой конструкции является небольшие усилия хода при малых габаритах.

Задачей является расширение функциональных и технологических возможностей линейного шагового двигателя, достижение больших усилий хода при малых габаритах и массе, повышение точности позиционирования и упрощение его конструкции за счет применения рычагов в качестве приводного элемента.

Поставленная задача по первому варианту решается тем, что в линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, при этом соосно с рычагами расположены возвратные пружины, на подвижной части, выполненной в виде штока, расположены зацепы, на внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения, с торца внутренней части корпуса расположены датчики, связанные с системой контроля.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, рычаги и система управления установлена на подвижной части, выполненной в виде штока, а зацепы соответственно на корпусе, при этом рычаги выполнены с втягивающимся сердечником, а на внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения, с торца внутренней части корпуса расположены датчики, связанные с системой контроля.

Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что в линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению ведена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, рычаги и система управления установлены на подвижной части, выполненной в виде штока, а зацепы соответственно на корпусе, при этом рычаги имеют шарнирный механизм, расположены внутри корпуса в одной поперечной плоскости и выполнены в форме секторов, корпус выполнен с возможностью перемещения по роликам, а подвижная часть закреплена на неподвижном механизме.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен продольно-вертикальный разрез двигателя. На фиг.2 изображен продольно-горизонтальный разрез двигателя. На фиг.3 изображен разрез узла рычага линейного шагового двигателя. На фиг.4 изображен разрез узла рычага линейного шагового двигателя.

Линейный шаговый двигатель по первому варианту. На фиг.1 - продольно-вертикальный разрез, на котором показан корпус 1 линейного шагового двигателя, шток 2, первая группа рычагов 3 с расположенными на них магнитными сердечниками 4, первая группа зацепов 5, подшипники скольжения 6, электромагниты 7, система управления электромагнитами 8, система контроля хода штока 9, концевой датчик 10. На фиг.2 - продольно-горизонтальный разрез, на котором показано расположение второй группы рычагов 11, второй группы зацепов 12, концевого датчика 13, корпуса 14 для крепления электромагнита, возвратной пружины 15.

Линейный шаговый двигатель по второму варианту. На фиг.3 показан корпус 1 линейного шагового двигателя, шток 2, система рычагов 3 с втягивающимся сердечником, расположенная на корпусе, магнитные сердечники 4 расположенные на рычаге, зацепы 5, подшипники скольжения 6, электромагниты 7, система управления электромагнитами 8, система контроля хода штока 9, концевой датчик 10.

Линейный шаговый двигатель по третьему варианту. На фиг.4 показан корпус 1 линейного шагового двигателя, шток 2, система рычагов 3 с шарнирным механизмом, магнитные сердечники 4, расположенные на рычаге, зацепы 5 в форме приямков, ролики 6, электромагниты 7, система управления электромагнитами 8, система контроля хода штока 9, концевой датчик 10.

Линейный шаговый двигатель по первому варианту работает следующим образом: с помощью системы управления электромагнитами 8 на обмотку электромагнита 7 подается напряжение, создается магнитный поток, сердечник 4, расположенный на рычаге 3, притягивается, рычаг 3 выполняет движение, передавая силу электромагнитного притяжения зацепу 5, закрепленному на подвижной части, выполненной в виде штока 2, вследствие чего подвижная часть, выполненная в виде штока 2, совершает прямолинейное движение. После смещения подвижной части, выполненной в виде штока 2 первой группой рычагов 3, в процесс вступает вторая группа рычагов 3, находящаяся в исходном положении, которая подхватывает зацепы 5 и проталкивает подвижную часть, выполненную в виде штока 2, в направлении, сонаправленном с направлением, приданным ему первой парой рычагов 3. При начале движения второй пары рычагов 3 первая пара возвращается в исходное положение под действием возвратной пружины 15. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, в процессе движения скользит по подшипникам скольжения 6, расположенным на внутренней части корпуса 1. Аналогичный процесс производится рычагами 3, расположенными с торцевой стороны, при необходимости смены направления движения подвижной части, выполненной в виде штока 2. При смене направления движения рычаги 3, обеспечивающие движение подвижной части, выполненной в виде штока 2, в противоположном направлении, возвращаются в исходное положение. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, при достижении крайнего положения хода задействует датчик 13, расположенный с торца внутренней части корпуса линейного шагового двигателя, который через систему контроля 9 производит фиксацию линейного шагового двигателя в данном положении либо через систему управления 8 линейного шагового двигателя подает команду на электромагниты 7 для реверса. Датчики 10, 13 расположены по обе части линейного шагового двигателя для обеспечения контроля движения подвижной части, выполненной в виде штока 2, в обоих направлениях.

Линейный шаговый двигатель по второму варианту работает следующим образом: с помощью системы управления электромагнитами 8, расположенной на подвижной части, выполненной в виде штока 2, на обмотку электромагнита 7 подается напряжение, создается магнитный поток, сердечник 4, расположенный на рычаге 3, притягивается, рычаг выполняет движение, передавая силу электромагнитного притяжения зацепу 5, закрепленному на корпусе 1, вследствие чего подвижная часть, выполненная в виде штока 2, совершает прямолинейное движение. После смещения подвижной части, выполненной в виде штока 2 первой группой рычагов 3, в процесс вступает вторая группа рычагов, находящаяся в исходном положении, которая подхватывает зацепы 5 и проталкивает подвижную часть, выполненную в виде штока 2, в направлении, сонаправленном с направлением, приданным ему первой парой рычагов 3. При начале движения второй пары рычагов первая пара рычагов 3 возвращается в исходное положение под действием электромагнитов 7. В процессе возврата рычага 3 в исходное положение рычаг 3 упирается в подвижную часть, выполненную в виде штока 2, подвижная часть рычага под действием силы нажатия начинает втягиваться, длина рычага соответственно уменьшается. После того как рычаг проходит через следующий зацеп, его подвижная часть под действием пружины выталкивается и попадает в нишу зацепа. Рычаг 3 в исходном положении. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, в процессе движения скользит по подшипникам скольжения 6, расположенным на внутренней части корпуса. Аналогичный процесс производится рычагами 3, расположенными с торцевой стороны, при необходимости смены направления движения подвижной части, выполненной в виде штока 2. При смене направления движения рычаги, обеспечивающие движение подвижной части, выполненной в виде штока 2, в противоположном направлении, возвращаются в исходное положение. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, при достижении крайнего положения хода задействует датчики 10, расположенные с торца внутренней части корпуса 1 линейного шагового двигателя, которые через систему контроля 9 производят фиксацию линейного шагового двигателя в данном положении либо через систему управления 8 линейного шагового двигателя подают команду на электромагниты 7 для реверса. Датчики 10 расположены по обе части линейного шагового двигателя для обеспечения контроля движения подвижной части, выполненной в виде штока 2, в обоих направлениях.

Линейный шаговый двигатель по третьему варианту работает следующим образом: подвижная часть, выполненная в виде штока 2, имеет жесткое крепление с корпусом устройства, в котором применяется, корпус 1 закреплен на подвижном механизме этого устройства. С помощью системы управления электромагнитами 8, расположенной на подвижной части, выполненной в виде штока 2, на обмотку электромагнита 7 подается напряжение, создается магнитный поток, сердечник 4, расположенный на рычаге 3, притягивается, рычаг 3 выполняет движение, передавая силу электромагнитного притяжения зацепу 5, вследствие чего корпус 1 совершает прямолинейное движение. После смещения корпуса 1 первой группой рычагов 3 в процесс вступает вторая группа рычагов 3, находящаяся в исходном положении, которая подхватывает зацепы 5 и проталкивает корпус 1 в направлении, сонаправленном с направлением, приданным ему первой парой рычагов 3. При начале движения второй пары рычагов 3 первая пара возвращается в исходное положение. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, в процессе движения катится по роликам 6, расположенным на внутренней части корпуса 1. Аналогичный процесс производится рычагами 3, расположенными в той же плоскости, при необходимости смены направления движения подвижной части, выполненной в виде штока 2. При смене направления движения рычаги 3, обеспечивающие движение корпуса 1 в противоположном направлении, возвращаются в исходное положение. Корпус 1 при достижении крайнего положения хода задействует датчики 9, расположенные по краям корпуса линейного шагового двигателя, которые через систему контроля производят фиксацию линейного шагового двигателя в данном положении либо через систему управления электромагнитами 8 линейного шагового двигателя, подают команду на электромагниты 7 для реверса. Датчики 10 расположены по обе части линейного шагового двигателя для обеспечения контроля движения подвижной части, выполненной в виде штока 2, в обоих направлениях.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные и технологические возможности линейного шагового двигателя, в качестве элемента осуществляющего прямолинейное возвратно-поступательное передвижение подвижной части, благодаря применению рычагов, приводимых в движение электромагнитами, которые цепляют поочередно зацепы, расположенные на подвижной части, передвигая ее в заданном направлении.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, при этом соосно с рычагами расположены возвратные пружины, на подвижной части, выполненной в виде штока, расположены зацепы, на внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения, с торца внутренней части корпуса расположены датчики, связанные с системой контроля.

2. Линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, рычаги и система управления установлена на подвижной части, выполненной в виде штока, а зацепы соответственно на корпусе, при этом рычаги выполнены с втягивающимся сердечником, а на внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения, с торца внутренней части корпуса расположены датчики, связанные с системой контроля.

3. Линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, рычаги и система управления установлены на подвижной части, выполненной в виде штока, а зацепы соответственно на корпусе, при этом рычаги имеют шарнирный механизм, расположены внутри корпуса в одной поперечной плоскости и выполнены в форме секторов, корпус выполнен с возможностью перемещения по роликам, а подвижная часть закреплена на неподвижном механизме.

www.freepatent.ru

Прецизионные координатные системы с линейными шаговыми двигателями

В разомкнутых системах цифрового программного управления с точным позиционированием, а также при реализации сложных двигателей по двум координатам целесообразно применение линейных шаговых двигателей (ЛШД), допускающих изменение в широких пределах числа фаз, частоты и форм напряжения на фазах. Разработано несколько конструкций координатных столов с ЛШД и электронными блоками управления. Предназначены они для установки в различном технологическом оборудовании производства ИЭТ, металлообрабатывающих станков с ЧПУ, медицинском оборудовании и т.д. Принципиально ЛШД представляет собой шаговый двигатель с развернутыми подвижными и неподвижными частями. Конструкция одного из вариантов ЛШД приведена на рисунке 36.4.

 

 

Рисунок 5.11.

 

Двигатель содержит якорь состоящий из двух жестко соединенных электромагнитных модулей А и В и безобмоточного зубчатого пассивного статора, выполненного из магнитомягкого материала.

Каждый из модулей А и В состоит из двух П-образных магнитопроводов объединенных постоянным магнитом.

Обмотки управления охватывают средние полюсы А2, А3 и соответственно В2 и В3 модулей А и В.

Электромагнитные модули расположены со взаимным линейным сдвигом, равным , где k=0,1,2… целое число, значения которого выбирается из конструктивных соображений.

Между первичным и вторичным элементами ЛШД имеется зазор δ.

Движение вторичного элемента (якоря) с шагом осуществляется разнополярной коммутацией обмоток модулей А и В. Порядок коммутации определяет направление движения.

ЛШД обеспечивает перемещение координатного стола в плоскости конструктивно объединяющей по меньшей мере три ЛШД: один на одной координатной оси, два на другой.

Необходимый рабочий зазор δ между статором и якорем чаще всего обеспечивается применением аэростатических опор.

Схематически одна из конструкций такого координатного стола показана на рисунке 36.5а. Подвижная каретка 1, имеющая в качестве основания парумодулей ЛШД2, предназначенных для движения по оси Х (Х-ЛШД), и две пары модулей 3 (Y-ЛШД), скользит по статору 4 на воздушной подушке. Подушка образуется струей сжатого воздуха подаваемого в которые расположены по периметру ЛШД.

б) координатный стол с разделенной нарезкой статора.в) координатный стол с совмещенной нарезкой статора.

В варианте с разделенной нарезкой статора по координатным осям (рисунок 36.5б) Х-ЛШД позиция 2 обеспечивает перемещение каретки в пределах средней зоны зубцов статора. Y-ЛШД позиция 3 перемещает каретку поперек нарезки статора в крайних зонах. В варианте с совмещенной по обеим осям нарезкой зубцов статора (рисунок 36.5в) каретка содержит по паре Х-ЛШД-2 и Y-ЛШД позиция 3. Диапазон перемещений по осям в этом случае ограничен лишь размерами статора. При движении по оси Х коммутируются обмотки электромагнитов модулей Х-ЛШД при статическом состоянии токов в обмотках Y-ЛШД. При коммутации обмоток Y-ЛШД обеспечивается движение по координате Н.

При одновременном перемещении по двум координатам управляют токами фаз обеих групп ЛШД.

Зубчатые поверхности статора и якорей приготавливаются фрезерованием прецизионной групповой фрезой или химическим травлением по прецизионным фотошаблонам с последующей заливкой пазов эпоксидными компаундами с твердым немагнитным наполнителем. После этого поверхности шлифуют и притирают. Это обеспечивает высокую степень параллельности и чистоту рабочих поверхностей.

Рисунок 5.12 - Координатные столы с ЛШД:а) конструктивная схема

 

Электромагнитное взаимодействие якоря со статором происходит в воздушном слое между кареткой и статором, поэтому постоянство зазора δ сказывается на стабильности тяговых точностных характеристик координатной системы. Сама же величина зазора получается как результат уравновешивания аэростатической силы отталкивания Fa магнитной силой притяжения FM. Таким образом для обеспечения стабильности величины зазора δ, должно быть обеспечено условие “всплывания” каретки над плоскостью статора т.е. δ>0, Fа>FM. Типичный характер зависимостей FM(δ) и Fa(δ) из образцов координатной системы для технологических установок микроэлектроники с ЛШД показан на рисунке 36.6.

Взаимодействие сил притяжения FM и аэростатических сил Fa.

Рисунок 5.13 - Взаимодействие сил притяжения FM и аэростатических сил Fa.

 

Величина зазора фиксируется на уровне δ0 при F0. Тогда равновесие удовлетворяет условию статического равновесия

. (5.4)

В серийно-выпускаемых двухкоординатных системах сЛШД обеспечивается зазор δ=10-20мкм при давлении воздуха 2-6 атм и расходе 5-6 л/мин.

Статические и динамические свойства ЛШД определяются прежде всего характеристикой тягового усилия и способности управлять ЛШД.

При анализе тягового усилия необходимо иметь в виду, что зубцовые зоны статора и якоря обычно выполняются так, что ширина зубца и паза одинаковы и равны , что при отношении воздушного зазора к зубцовому делению дает практически синусоидальную зависимость магнитного сопротивления зазора от перемещения якоря х с постоянной составляющей R0 и амплитудой переменной составляющей R1.

. (5.5)

Перемещение удобно измерять в единицах зубцового деления обозначив

 

. (5.6)

При допущении о линейности магнитной цепи и синусоидальности магнитных сопротивлений рабочих зазоров под полюсами

. (5.7)

где R0 и R1 – соответственно постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей магнитного сопротивления.

Тяговое усилие всего ЛШД определяется как

, (5.8)

где , (5.9)

тяговое усилие модулей А,

(5.10)

тяговое усилие модулей В,

Rm – внутреннее магнитное сопротивление постоянных магнитов,

FA и FB – соответственно М.Д.С. обмоток управления модулями А и В.

Fm – М.Д.С. постоянных магнитов.

Тяговое усилие ЛШД обратно пропорционально постоянной составляющей магнитного сопротивления воздушного зазора под полюсами электромагнитных модулей.

Уменьшить зазор меньше 10-15 мкм затруднительно по технологическим соображениям. С другой стороны тяговое усилие пропорционально глубине модуляции магнитного сопротивления зубчатой структурой полюсов, т.е. отношению . Отношение резко возрастает при уменьшении τz, типичная зависимость показана на рисунке 36.7.

Рисунок 5.14 Модуляция зубчатой структурой магнитного сопротивления воздушного зазора.

 

Это обстоятельство наряду с технологическими сложностями изготовления зубчатых структур с малым зубцовым делением обусловлено тем фактом, что ЛШД изготавливается с τz=0,2-1мм при воздушном зазоре δ=10-20мкм.

При четырехкратной дискретной разнополярной коммутации обмоток модулей А и В, якорь перемещается с шагом равным τz/4, что в линейных размерах соответствует 0,05-0,25 мм. Для большинства прецизионных координатных систем такая дискретность недостаточна.

Снижение величины единичного шага добивается способами управления, использующими электрическое дробление основного шага ЛШД.

Если формировать МДС обмоток модулей по синусоидальному закону ; , то зависимость тягового синхронизирующего усилия представляется в виде:

. (5.11)

Характеристика синхронизирующего усилия имеет синусоидальную форму и в отсутствии внешней силы сопротивления по координате Х якорь ЛШД фиксируется в позиции установленной управляющими фазами токов . Таким образом на протяжении зубцового деления можно иметь в пределе любое число статически устойчивых положений якоря, задаваемых текущим значением аргумента управляющих синус-косинусных токов фаз.

Обычно управляющие токи фаз ЛШД формируются с использованием цифровой техники при конечном сочетании уровней токов в фазах, что обеспечивает ряд дискретных позиций якоря в пределах зубцового деления. Синус-косинусные функции токов фаз получаются квантованными во времени.

Особенностью ЛШД на аэростатических опорах является отсутствие внешнего демпфирования нагрузки. Поэтому возникает проблема с остановом двигателя в заданной позиции.

Для ее решения устанавливается еще пара блоков работающих с противоположным тяговым усилием.

Современные координатные столы для МЭ могут быть охарактеризованы следующими параметрами:

· При дискретности перемещения 10 мкм максимальная скорость перемещения достигает 500 мм/с при максимальном ускорении до 40 м/с2. При дискретности перемещения 1 мкм максимальная скорость достигает 150 мм/c при наибольшем ускорении до 20 м/с2.

Преимущества:

1. Отсутствие механических контактов.

2. Высокие точности позиционирования.

3. Высокое быстродействие.

4. Простота управления.

5. Отсутствие механических направляющих.

Недостатки:

1. Затруднительная унификация.

2. На воздушной подушке нельзя в вакуум.

3. Трудности с торможением.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

Электродвигатели | Stepmotor

Наша компания специализируется на поставках различной приводной техники и электрооборудования.

В разделе электродвигатели мы рассмотрим популярные виды, принцип их работы и применение.

Электродвигатель – это механизм, который служит для преобразования электрической энергии в механическую. В основе принципа работы любого электродвигателя находится закон электромагнитной индукции. Обычно электродвигатель состоит из неподвижной части (статора) и ротора (или якоря), в которых создаются неподвижные или вращающиеся магнитные поля. Электродвигатели бывают самых различных типов и модификаций, широко применяются во многих отраслях человеческой деятельности, и представляют собой один из главных компонентов в механизмах и приводах самого различного назначения. ОТ характеристик электродвигателя напрямую зависит эффективность производства.

Шаговые двигатели.

Шаговый двигатель – это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Существуют несколько видов ШД:

  • Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
  • Двигатели с постоянными магнитами
  • Гибридные двигатели

 

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить, как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток.

Шаговый двигатель представляет из себя электродвигатель постоянного тока с двумя(тремя) обмотками. Ток подается на каждую обмотку поочерёдно меняя полярность на обмотках, что заставляет намагниченный вал совершать вращение.

Вы можете купить электродвигатель у нас.

Шаговые двигатели с обратной связью.

Шаговый двигатель с обратной связью отличается от обычного шагового двигателя замкнутой системой управления.

Система управления получается замкнутой из-за наличия определенного датчика обратной связи который подает сигнал от двигателя устройству управления.

Линейные шаговые двигатели.

Линейный шаговый двигатель – электротехническое оборудование, решающее задачи линейного перемещения.

Данный электродвигатель применяется в различных сферах: в медицине, в малой и пищевой промышленности.

Такой двигатель представляет собой моторную часть и подвижный шток, который образует характерное линейно-поступательное  движение, а не вращательное.

Вы можете купить электродвигатель у нас.

 

Бесколлекторные двигатели.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками.

Вентильный электродвигатель нередко называют синхронным двигателем постоянного тока, так как скорости вращения полей статора и ротора в них тоже всегда совпадают. Но его статор получает питание от сети постоянного тока, а ротор составлен из постоянных магнитов с общим числом пар полюсов от двух до восьми.

Для запуска и работы такого двигателя необходимо, чтобы вектор силового поля статора был перпендикулярен вектору магнитного поля возбуждения от магнитов ротора. Но ротор вращается, и направление векторов его поля меняется. Соответственно, должно меняться и направление векторов поля статора.

Вы можете купить электродвигатель у нас.

Благодаря высокой надёжности и хорошей управляемости, вентильные двигатели применяются в широком спектре приложений: от компьютерных вентиляторов и CD/DVD-приводов до роботов и космических ракет. Широкое применение ВД нашли в промышленности, особенно в системах регулирования скорости с большим диапазоном и высоким темпом пусков, остановок и реверса; авиационной технике, автомобильном машиностроении, биомедицинской аппаратуре, бытовой технике и проч.

stepmotor.ru

Прецизионные координатные системы с линейными шаговыми двигателями

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Кафедра электронной техники и технологий РЕФЕРАТ на тему: «Прецизионные координатные системы с линейными шаговыми двигателями» Минск, 2008

В разомкнутых системах цифрового программного управления с точным позиционированием, а также при реализации сложных двигателей по двум координатам целесообразно применение линейных шаговых двигателей (ЛШД), допускающих изменение в широких пределах числа фаз, частоты и форм напряжения на фазах. Разработано несколько конструкций координатных столов с ЛШД и электронными блоками управления. Предназначены они для установки в различном технологическом оборудовании производства ИЭТ, металлообрабатывающих станков с ЧПУ, медицинском оборудовании и т.д. Принципиально ЛШД представляет собой шаговый двигатель с развернутыми подвижными и неподвижными частями. Конструкция одного из вариантов ЛШД приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Двигатель содержит якорь состоящий из двух жестко соединенных электромагнитных модулей А и В и безобмоточного зубчатого пассивного статора, выполненного из магнитомягкого материала. Каждый из модулей А и В состоит из двух П-образных магнитопроводов объединенных постоянным магнитом. Обмотки управления охватывают средние полюсы А2, А3 и соответственно В2 и В3 модулей А и В. Электромагнитные модули расположены со взаимным линейным сдвигом, равным , где k=0,1,2… целое число, значения которого выбирается из конструктивных соображений. Между первичным и вторичным элементами ЛШД имеется зазор δ. Движение вторичного элемента (якоря) с шагом  осуществляется разнополярной коммутацией обмоток модулей А и В. Порядок коммутации определяет направление движения. ЛШД обеспечивает перемещение координатного стола в плоскости конструктивно объединяющей по меньшей мере три ЛШД: один на одной координатной оси, два на другой. Необходимый рабочий зазор δ между статором и якорем чаще всего обеспечивается применением аэростатических опор. Схематически одна из конструкций такого координатного стола показана на рисунке 1а. Подвижная каретка 1, имеющая в качестве основания парумодулей ЛШД2, предназначенных для движения по оси Х (Х-ЛШД), и две пары модулей 3 (Y-ЛШД), скользит по статору 4 на воздушной подушке. Подушка образуется струей сжатого воздуха подаваемого в  которые расположены по периметру ЛШД. Рисунок 1 а - Координатные столы с ЛШД: а) конструктивная схема. б) координатный стол с разделенной нарезкой статора. в) координатный стол с совмещенной нарезкой статора. В варианте с разделенной нарезкой статора по координатным осям (рисунок 1б) Х-ЛШД позиция 2 обеспечивает перемещение каретки в пределах средней зоны зубцов статора. Y-ЛШД позиция 3 перемещает каретку поперек нарезки статора в крайних зонах. В варианте с совмещенной по обеим осям нарезкой зубцов статора (рисунок 1в) каретка содержит по паре Х-ЛШД-2 и Y-ЛШД позиция 3. Диапазон перемещений по осям в этом случае ограничен лишь размерами статора. При движении по оси Х коммутируются обмотки электромагнитов модулей Х-ЛШД при статическом состоянии токов в обмотках Y-ЛШД. При коммутации обмоток Y-ЛШД обеспечивается движение по координате Н. При одновременном перемещении по двум координатам управляют токами фаз обеих групп ЛШД. Зубчатые поверхности статора и якорей приготавливаются фрезерованием прецизионной групповой фрезой или химическим травлением по прецизионным фотошаблонам с последующей заливкой пазов эпоксидными компаундами с твердым немагнитным наполнителем. После этого поверхности шлифуют и притирают. Это обеспечивает высокую степень параллельности и чистоту рабочих поверхностей. Электромагнитное взаимодействие якоря со статором происходит в воздушном слое между кареткой и статором, поэтому постоянство зазора δ сказывается на стабильности тяговых точностных характеристик координатной системы. Сама же величина зазора получается как результат уравновешивания аэростатической силы отталкивания Fa магнитной силой притяжения FM. Таким образом для обеспечения стабильности величины зазора δ, должно быть обеспечено условие “всплывания” каретки над плоскостью статора т.е. δ>0, Fа>FM. Типичный характер зависимостей FM(δ) и Fa(δ)  из образцов координатной системы для технологических установок микроэлектроники с ЛШД показан на рисунке 2. Взаимодействие сил притяжения FM и аэростатических сил Fa. Рисунок 2 - Взаимодействие сил притяжения FM и аэростатических сил Fa. Величина зазора фиксируется на уровне δ0 при F0. Тогда равновесие удовлетворяет условию статического равновесия                             .                                             (1) В серийно-выпускаемых двухкоординатных системах сЛШД обеспечивается зазор δ=10-20мкм при давлении воздуха 2-6 атм и расходе 5-6 л/мин. Статические и динамические свойства ЛШД определяются прежде всего характеристикой тягового усилия и способности управлять ЛШД. При анализе тягового усилия необходимо иметь в виду, что зубцовые зоны статора и якоря обычно выполняются так, что ширина зубца и паза одинаковы и равны , что при отношении воздушного зазора к зубцовому делению  дает практически синусоидальную зависимость магнитного сопротивления зазора от перемещения якоря х с постоянной составляющей R0 и амплитудой переменной составляющей R1.                           .                                      (2) Перемещение удобно измерять в единицах зубцового деления обозначив                                                   .                                (3) При допущении о линейности магнитной цепи и синусоидальности магнитных сопротивлений рабочих зазоров под полюсами                         .                             (4) где R0 и R1 – соответственно постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей магнитного сопротивления. Тяговое усилие всего ЛШД определяется как ,           (5) где    ,                (6) тяговое усилие модулей А,         (7)  тяговое усилие модулей В, Rm – внутреннее магнитное сопротивление постоянных магнитов, FA и FB – соответственно М.Д.С. обмоток управления модулями А и В. Fm – М.Д.С. постоянных магнитов. Тяговое усилие ЛШД обратно пропорционально постоянной составляющей магнитного сопротивления воздушного зазора под полюсами электромагнитных модулей. Уменьшить зазор меньше 10-15 мкм затруднительно по технологическим соображениям. С другой стороны тяговое усилие пропорционально глубине модуляции магнитного сопротивления зубчатой структурой полюсов, т.е. отношению . Отношение  резко возрастает при уменьшении τz, типичная зависимость показана на рисунке 3. Рисунок 3. Модуляция зубчатой структурой магнитного сопротивления воздушного зазора. Это обстоятельство наряду с технологическими сложностями изготовления зубчатых структур с малым зубцовым делением обусловлено тем фактом, что ЛШД изготавливается с τz=0,2-1мм при воздушном зазоре δ=10-20мкм. При четырехкратной дискретной разнополярной коммутации обмоток модулей А и В, якорь перемещается с шагом равным τz/4, что в линейных размерах соответствует 0,05-0,25 мм. Для большинства прецизионных координатных систем такая дискретность недостаточна. Снижение величины единичного шага добивается способами управления, использующими электрическое дробление основного шага ЛШД. Если формировать МДС обмоток модулей по синусоидальному закону ; , то зависимость тягового синхронизирующего усилия представляется в виде:       .                        (8) Характеристика синхронизирующего усилия имеет синусоидальную форму и в отсутствии внешней силы сопротивления по координате Х якорь ЛШД фиксируется в позиции установленной управляющими фазами токов . Таким образом на протяжении зубцового деления можно иметь в пределе любое число статически устойчивых положений якоря, задаваемых текущим значением аргумента управляющих синус-косинусных токов фаз. Обычно управляющие токи фаз ЛШД формируются с использованием цифровой техники при конечном сочетании уровней токов в фазах, что обеспечивает ряд дискретных позиций якоря в пределах зубцового деления. Синус-косинусные функции токов фаз получаются квантованными во времени. Особенностью ЛШД на аэростатических опорах является отсутствие внешнего демпфирования нагрузки. Поэтому возникает проблема с остановом двигателя в заданной позиции. Для ее решения устанавливается еще пара блоков работающих с противоположным тяговым усилием. Современные координатные столы для МЭ могут быть охарактеризованы следующими параметрами: ·                   При дискретности перемещения 10 мкм максимальная скорость перемещения достигает 500 мм/с при максимальном ускорении до 40 м/с2. При дискретности перемещения 1 мкм максимальная скорость достигает 150 мм/c при наибольшем ускорении до 20 м/с2. Преимущества: 1.                 Отсутствие механических контактов. 2.                 Высокие точности позиционирования. 3.                 Высокое быстродействие. 4.                 Простота управления. 5.                 Отсутствие механических направляющих. Недостатки: 1.                Затруднительная унификация. 2.                На воздушной подушке нельзя в вакуум. 3.                Трудности с торможением.

ЛИТЕРАТУРА

1.Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн.1. /Под ред. П.Н.Учаева. — 3-е изд. испр. — М.: Машиностроение
2.Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. —Кн.1. М.: Машиностроение
3. Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. — Кн.2. М.: Машиностроение
4.Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии:Учеб. пособие для вузов.— М.: Высш. шк.,

baza-referat.ru

Бесколлекторные двигатели | Stepmotor

Бесколлекторные двигатели с редуктором:

Модель Напряжение питания, В Номинальная скорость, Об/мин Крутящий момент, Кг*см Мощность, Вт Максимальный ток, А
FL57BLS-JB 36 27 — 1333 6,6 — 50 92 11.5
FL86BLS-JB 48 20 — 1000 42,0 — 250 440 33
IG-80WGM 24 625 — 3,9 6 — 150 51 3,2 (номин)
IG-90WGM 24 625 — 3,9 11 — 180 103 6 (номин)

Бесколлекторные двигателиКонструкция бесколлекторного двигателя представляет собой ротор с магнитами (постоянными) и статор с обмотками. Ток в этом типе двигателей постоянный, а вместо коллектора используется электронное оборудование. Благодаря отсутствию в конструкции силовой установки коллектора двигатель не только имеет более компактные размеры и легкий вес, но и имеет значительно меньший нагрев — а вместе с этим уменьшаются и потери при работе. В конструкции бесколлекторногодвигателя используется мощный неодимовый магнит*, благодаря которому размеры силовой установки очень компактные.

*Неодимовые магниты выполнены из редкоземельных металлов и используются в различных областях промышленности. Они отличаются отличным показателем потери намагниченности: потеря намагниченности за 10 лет составляет всего 1-2%. Чем больше размеры магнита и площадь его соприкосновения с поверхностью, тем выше должно быть усилие для его отсоединения от поверхности.

Бесколлекторные двигатели обладают улучшенными показателями мощности на килограмм веса (собственного) и широким диапазоном скорости вращения; впечатляет и КПД этой силовой установки. Немаловажно, что от установки практически не излучаются радиопомехи. Это позволяет разместить рядом с ней чувствительное к помехам оборудование без опасений за корректность работы всей системы.

Расположить и использовать бесколлекторный двигатель можно в том числе и в воде, это не повлияет на него отрицательным образом. Также его конструкция предусматривает расположение и в агрессивных средах. Однако в этом случае следует заранее продумать месторасположение блока управления. Помните, что только при бережной аккуратной эксплуатации силовой установки она будет работать на вашем производстве эффективно и бесперебойно на протяжении долгих лет.

Характеристики БДДлительный и кратковременный режим работы — основные для БД. Например для эскалатора или конвейера подходит длительный режим работы, в котором электродвигатель работает статично в течение долгого количества часов. Для длительного режима работы предусмотрена повышенная внешняя теплоотдача: тепловыделения в окружающую среду должны превышать внутренние тепловыделения силовой установки.

В кратковременном режиме работы двигатель за время своей работы не должен успеть нагреться до максимального значения температуры, т.е. должен быть выключен до наступления этого момента. Во время перерывов между включениями и работой двигателя он должен успеть остыть. Именно так работают бесколлекторные двигатели в подъемных лифтовых механизмах, электробритвах, сушилках фенах и другом современном электрооборудовании.

Сопротивление обмотки двигателя связано с коэффициентом полезного действия силовой установки. Максимального КПД можно достигнуть при наименьшем сопротивлении обмотки.

Максимальное рабочее напряжение — это предельное значение напряжения, которое можно подавать на обмотку статора силовой установки. Максимальное рабочее напряжение напрямую связано с максимальными оборотами двигателя и и максимальным значением тока обмотки. Максимальное значение тока обмотки лимитировано возможностью перегрева обмотки. Именно по этой причине необязательным, но рекомендуемым условием эксплуатации электродвигателей является отрицательная температура окружающей среды. Она позволяет значительно компенсировать перегрев силовой установки и увеличить длительность ее работы.

Максимальная мощность двигателя — это предельная мощность, которой может достигнуть система за несколько секунд. Стоит учитывать, что длительная работа электродвигателя на максимальной мощности неизбежно приведет к перегреву системы и сбою в его работе.

Номинальная мощность — это та мощность которую может развивать силовая установка в течение периодичного заявленного производителем разрешенного периода работы (одно включение).

Угол опережения фазы предусмотрен в электродвигателе из-за необходимости компенсации на задержку переключения фаз.

Преимущества бесколлекторных двигателейВсе БД имеют высокий срок службы механических элементов. Достигнуть этого позволила ось, зафиксированная на шарикоподшипниках, исключившая из конструкции какие-либо трущийся друг об друга элементы.

Размагничивание магнитов в бесколлекторных двигателях происходит крайне медленно и составляет не более 1% в 10 лет. Таким образом вывести силовую остановку из строя можно только при перепаде напряжения в контроллере. Избежать данного развития событий позволяет защита по току в контроллере.

1. Долгий срок службыВысокий срок службы силовой установки данного типа обусловлен неизменным режимом работы на высокой скорости. Кроме того отсутствие какого-либо трения деталей, а следовательно и отсутствие стачивания и нарушения механизмов работы положительно влияют на работу силовой установки бесколлекторного типа.

2. Высокая надежностьСрок работы бесколлекторный двигателей различного типа составляет от 20,000 часов. Чем точнее будет первичная настройка и аккуратнее его использование, тем дольше двигатель будет использоваться. Единственными элементами, ограничивающим ресурс бесколлекторного электродвигателя, являются подшипники.

3. Повышенное быстродействие, динамичность4. Высокая точность позиционирования5. Низкие перегревы при перегрузках6. Пониженный уровень электромагнитных шумов7. Высокая перегрузочная способность по моменту8. Возможность изменения частоты вращения в широком диапазоне9. Линейные загрузочные характеристики

Недостатки: управление бесколлекторным двигателем Управление бесколлекторным двигателем обуществляет специальный электронный блок управления, который также называют регулятором. Он позволяет осуществлять управление оборотами двигателя, подавать напряжение и настроить вращение силовой установки.

Как правило, именно регулятор бесколлекторного двигателя «забирает» на себя основную стоимость силовой установки. Однако без электронного блока управления настроить и запустить двигатель, так же как и запрограммировать управление бесколлекторным двигателем невозможно. Именно электронное оборудование подает постоянное напряжение на определенные обмотки статора. Также значительно как электронный регулятор на стоимость БД влияют и неодимовые магниты, использующиеся в конструкции установки.

Бесколлекторные двигатели имеют достаточно сложную конструкцию, поэтому любой БД, в том числе трехфазовый (наиболее часто использующийся в производстве), имеет сложный процесс управления.

Устройство БДВ зависимости от месторасположения магнитов в силовой установке существует два типа электродвигателей: «Инраннер» — с магнитами, расположенными во внутренней части, и «Аутраннер» — с магнитами во внешней части, которые вращаются во внешней плоскости статора и обмотки.

В зависимости от требующихся характеристик в электродвигателе применяется одна или другая схема бесколлекторного двигателя. Если у двигателя малое количество полюсов и высокие обороты, то используют схему работы «Инраннер». В этом типе схемы электродвигатель одновременно выполняет функцию корпуса: поэтому непосредственно на него могут быть зафиксированы крепежные элементы.

В съеме бесколлекторного двигателя «Аутраннер» предполагаются невысокие обороты и высокий момент. Вращение в конструкции осуществляет внешняя часть. Закрепить данный тип электродвигателя можно при помощи деталей статора или за незадействованную во вращении осевую часть.

Фазы бесколлекторных двигателейФаза бесколлекторного двигателя обеспечивает плавность вращения магнитного поля, чем больше фаз — она же является обмоткой электродвигателя — тем более плавно осуществляется вращение. Как правило, используются трехфазовые бесколлекторные двигатели, однако существуют и одно- и двух- и четырехфазовые силовые установки. Чем больше обмотки — тем выше сложность, но и лучше показатель эффективности.

Распространенность трехфазовых электродвигателей обусловлена соотношением их эффективности к значению сложности. Обычные трехфазовые бесколлекторные двигатели имеют три провода, если же это электродвигатель с датчиками положения, то для них используется еще один комплект состоящий из пяти проводов.

Напряжение подается на две обмотки из трех, тем самым создается шесть путей подачи напряжения на обмотки. Шаг поворота составляет 60 градусов.

Бесколлекторные двигатели с датчиками положенияЕсли в конструкции используются нагрузки на валу установки, то следует использовать двигатель с датчиком положения. Все электродвигатели в области подъемных механизмов, а также в электротранспорте должны быть оснащены датчиками положения.

Стоит помнить, что если в конструкции при старте должны быть полностью исключены колебания оси двигателя (вращения), то обойтись без датчиков положения в силовой установке не удастся. Наиболее распространенными датчиками движения в электродвигателе являются датчики, работа которых основана на эффекте Холла. Расположение датчиков должно способствовать воздействию магнитов ротора, угол между датчиками составляет 120 градусов (электро).

Датчики положения могут быть расположены как внутри так и снаружи силовой установки. Это позволяет в некоторых случаях самостоятельно дооснастить бесколлекторные электродвигатели без встроенных датчиков положения дополнительно этими внешними датчиками.

В некоторых случаях требуется чтобы датчики работали в режиме реверса, т.е. вращались в обратном направлении, для этого следует использовать дополнительный комплект датчиков перемещения. Чтобы они заработали в режиме реверса следует настроить их на обратный ход.

Применение бесколлекторных электродвигателейОсновным преимуществом БД является отсутствие нагрева и шума во время работы и это при высокой производительности. В первую очередь бесколлекторные двигателя используются в медицинском оборудовании. Большинство современного стоматологического оборудования работает именно с помощью бесколлекторный электродвигателей, поскольку в этой области возможно использовать только тихие высокопроизводительные электромоторы без нагрева.

Наружная реклама: рекламные щиты, витрины, банеры-жалюзи с изменяющимися изображениями используют в своей конструкции бесколлекторные двигатели. В этом случае БД применяются для автоматической работы банеров и вращения конструкций.

Электронное автомобильное оборудование также не обходится без бесколлекторных двигателей. Электростеклоподъемники, «дворники» или электростеклоочистители, омыватели фар и электрорегуляторы кресел также работают при помощи БД.

Отдельно отметим нефтегазовую промышленность, в которой силовые элементы в запорном оборудовании не могут обойтись без БД, поскольку только они гарантированно не имеют искрообразующие части, использовать которые категорически запрещено в данном типе производства.

Купить бесколлектроные двигателиМы делаем производство простым в управлении и надежным! Бесколлекторные двигатели подходят как для автоматизации крупных производств, так и любителей электроуправляемых моделей, собрать которые можно в домашних условиях.

Наш Торговый Дом занимается розничными и оптовыми продажами мотор редукторов, шаговых двигателей, линейных двигателей, цилиндрических мотор редукторов, а также бесколлекторных двигателей. Мы осуществляем полный цикл продажи от первичной консультации по требующемуся оборудованию до ее внедрения и установки на вашем производстве.

Мы всегда готовы предоставить вам бесплатную подробную консультацию по новинкам, появившимся на рынках мира, и подобрать для вас подходящий вариант силовой установки или другого оборудования. Мы работаем с самыми крупными поставщиками из Азии, Европы и СНГ, поэтому предлагаем для вас самые доступные цены на силовое оборудование.

Если вы хотите купить бесколлекторный двигатель для робототехники или автоматического управления, то можете оставить запрос на сайте Торгового Дома «Степмотор» или связаться с нами по бесплатному номеру телефона по России: 8 800 5555 068.

stepmotor.ru

Линейный шаговый двигатель (варианты)

Изобретение относится к электротехнике, к линейным шаговым двигателям (ЛШД), и может быть использовано преимущественно в устройствах ввода - вывода. Технический результат состоит в расширении функциональных и технологических возможностей ЛШД и упрощении его конструкции за счет применения рычагов в качестве приводного элемента. В ЛШД в качестве элемента, осуществляющего передвижение подвижной части, введена система приводных элементов-рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе. На внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения. Имеются датчики для контроля положения подвижной части двигателя, связанные с системой контроля. По первому варианту соосно с рычагами расположены возвратные пружины. На подвижной части расположены зацепы. По второму варианту система управления расположена в корпусе, рычаги и системы управления выполнены на подвижной части, а зацепы соответственно на корпусе. Рычаги выполнены с втягивающимся сердечником. Отличие третьего варианта от второго состоит в том, что рычаги имеют шарнирный механизм, расположены внутри корпуса в одной поперечной плоскости и выполнены в форме секторов. Движение подвижной части происходит по роликам. Корпус является подвижным, а подвижная часть закреплена на неподвижном механизме. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к линейным шаговым двигателям, и может быть использовано преимущественно в устройствах ввода-вывода.

Известен линейный шаговый двигатель [RU 96111310 А, кл. H02N/04, 27.09.1998], содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, фиксирующие узлы выполнены в виде двух или более пьезоблоков, расположенных в продольной плоскости друг за другом, причем первый пьезоблок выполнен из сдвигающего и фиксирующего пьезоэлементов, разрезного фрикционного элемента, разделенных изоляторами, а второй пьезоблок выполнен из фиксирующего пьезоэлемента, разрезного фрикционного элемента и изоляторов, а подвижная часть расположена по оси двигателя и контактирует с разрезными подвижными элементами.

Недостатком такой конструкции является ограниченность функциональных и технологических возможностей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является линейный шаговый двигатель [RU 96111526 А, кл. H02N/04, 27.09.1998], содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, фиксирующие узлы выполнены из не менее двух пьезоблоков, причем каждый пьезоблок состоит из сдвигающего пьезоэлемента и фиксирующего пьезоэлемента, разделенных относительно друг друга, корпуса и фрикционного элемента изоляторами, а расположены пьезоблоки внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом.

Недостатком такой конструкции является небольшие усилия хода при малых габаритах.

Задачей является расширение функциональных и технологических возможностей линейного шагового двигателя, достижение больших усилий хода при малых габаритах и массе, повышение точности позиционирования и упрощение его конструкции за счет применения рычагов в качестве приводного элемента.

Поставленная задача по первому варианту решается тем, что в линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, при этом соосно с рычагами расположены возвратные пружины, на подвижной части, выполненной в виде штока, расположены зацепы, на внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения, с торца внутренней части корпуса расположены датчики, связанные с системой контроля.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, рычаги и система управления установлена на подвижной части, выполненной в виде штока, а зацепы соответственно на корпусе, при этом рычаги выполнены с втягивающимся сердечником, а на внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения, с торца внутренней части корпуса расположены датчики, связанные с системой контроля.

Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что в линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению ведена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, рычаги и система управления установлены на подвижной части, выполненной в виде штока, а зацепы соответственно на корпусе, при этом рычаги имеют шарнирный механизм, расположены внутри корпуса в одной поперечной плоскости и выполнены в форме секторов, корпус выполнен с возможностью перемещения по роликам, а подвижная часть закреплена на неподвижном механизме.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен продольно-вертикальный разрез двигателя. На фиг.2 изображен продольно-горизонтальный разрез двигателя. На фиг.3 изображен разрез узла рычага линейного шагового двигателя. На фиг.4 изображен разрез узла рычага линейного шагового двигателя.

Линейный шаговый двигатель по первому варианту. На фиг.1 - продольно-вертикальный разрез, на котором показан корпус 1 линейного шагового двигателя, шток 2, первая группа рычагов 3 с расположенными на них магнитными сердечниками 4, первая группа зацепов 5, подшипники скольжения 6, электромагниты 7, система управления электромагнитами 8, система контроля хода штока 9, концевой датчик 10. На фиг.2 - продольно-горизонтальный разрез, на котором показано расположение второй группы рычагов 11, второй группы зацепов 12, концевого датчика 13, корпуса 14 для крепления электромагнита, возвратной пружины 15.

Линейный шаговый двигатель по второму варианту. На фиг.3 показан корпус 1 линейного шагового двигателя, шток 2, система рычагов 3 с втягивающимся сердечником, расположенная на корпусе, магнитные сердечники 4 расположенные на рычаге, зацепы 5, подшипники скольжения 6, электромагниты 7, система управления электромагнитами 8, система контроля хода штока 9, концевой датчик 10.

Линейный шаговый двигатель по третьему варианту. На фиг.4 показан корпус 1 линейного шагового двигателя, шток 2, система рычагов 3 с шарнирным механизмом, магнитные сердечники 4, расположенные на рычаге, зацепы 5 в форме приямков, ролики 6, электромагниты 7, система управления электромагнитами 8, система контроля хода штока 9, концевой датчик 10.

Линейный шаговый двигатель по первому варианту работает следующим образом: с помощью системы управления электромагнитами 8 на обмотку электромагнита 7 подается напряжение, создается магнитный поток, сердечник 4, расположенный на рычаге 3, притягивается, рычаг 3 выполняет движение, передавая силу электромагнитного притяжения зацепу 5, закрепленному на подвижной части, выполненной в виде штока 2, вследствие чего подвижная часть, выполненная в виде штока 2, совершает прямолинейное движение. После смещения подвижной части, выполненной в виде штока 2 первой группой рычагов 3, в процесс вступает вторая группа рычагов 3, находящаяся в исходном положении, которая подхватывает зацепы 5 и проталкивает подвижную часть, выполненную в виде штока 2, в направлении, сонаправленном с направлением, приданным ему первой парой рычагов 3. При начале движения второй пары рычагов 3 первая пара возвращается в исходное положение под действием возвратной пружины 15. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, в процессе движения скользит по подшипникам скольжения 6, расположенным на внутренней части корпуса 1. Аналогичный процесс производится рычагами 3, расположенными с торцевой стороны, при необходимости смены направления движения подвижной части, выполненной в виде штока 2. При смене направления движения рычаги 3, обеспечивающие движение подвижной части, выполненной в виде штока 2, в противоположном направлении, возвращаются в исходное положение. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, при достижении крайнего положения хода задействует датчик 13, расположенный с торца внутренней части корпуса линейного шагового двигателя, который через систему контроля 9 производит фиксацию линейного шагового двигателя в данном положении либо через систему управления 8 линейного шагового двигателя подает команду на электромагниты 7 для реверса. Датчики 10, 13 расположены по обе части линейного шагового двигателя для обеспечения контроля движения подвижной части, выполненной в виде штока 2, в обоих направлениях.

Линейный шаговый двигатель по второму варианту работает следующим образом: с помощью системы управления электромагнитами 8, расположенной на подвижной части, выполненной в виде штока 2, на обмотку электромагнита 7 подается напряжение, создается магнитный поток, сердечник 4, расположенный на рычаге 3, притягивается, рычаг выполняет движение, передавая силу электромагнитного притяжения зацепу 5, закрепленному на корпусе 1, вследствие чего подвижная часть, выполненная в виде штока 2, совершает прямолинейное движение. После смещения подвижной части, выполненной в виде штока 2 первой группой рычагов 3, в процесс вступает вторая группа рычагов, находящаяся в исходном положении, которая подхватывает зацепы 5 и проталкивает подвижную часть, выполненную в виде штока 2, в направлении, сонаправленном с направлением, приданным ему первой парой рычагов 3. При начале движения второй пары рычагов первая пара рычагов 3 возвращается в исходное положение под действием электромагнитов 7. В процессе возврата рычага 3 в исходное положение рычаг 3 упирается в подвижную часть, выполненную в виде штока 2, подвижная часть рычага под действием силы нажатия начинает втягиваться, длина рычага соответственно уменьшается. После того как рычаг проходит через следующий зацеп, его подвижная часть под действием пружины выталкивается и попадает в нишу зацепа. Рычаг 3 в исходном положении. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, в процессе движения скользит по подшипникам скольжения 6, расположенным на внутренней части корпуса. Аналогичный процесс производится рычагами 3, расположенными с торцевой стороны, при необходимости смены направления движения подвижной части, выполненной в виде штока 2. При смене направления движения рычаги, обеспечивающие движение подвижной части, выполненной в виде штока 2, в противоположном направлении, возвращаются в исходное положение. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, при достижении крайнего положения хода задействует датчики 10, расположенные с торца внутренней части корпуса 1 линейного шагового двигателя, которые через систему контроля 9 производят фиксацию линейного шагового двигателя в данном положении либо через систему управления 8 линейного шагового двигателя подают команду на электромагниты 7 для реверса. Датчики 10 расположены по обе части линейного шагового двигателя для обеспечения контроля движения подвижной части, выполненной в виде штока 2, в обоих направлениях.

Линейный шаговый двигатель по третьему варианту работает следующим образом: подвижная часть, выполненная в виде штока 2, имеет жесткое крепление с корпусом устройства, в котором применяется, корпус 1 закреплен на подвижном механизме этого устройства. С помощью системы управления электромагнитами 8, расположенной на подвижной части, выполненной в виде штока 2, на обмотку электромагнита 7 подается напряжение, создается магнитный поток, сердечник 4, расположенный на рычаге 3, притягивается, рычаг 3 выполняет движение, передавая силу электромагнитного притяжения зацепу 5, вследствие чего корпус 1 совершает прямолинейное движение. После смещения корпуса 1 первой группой рычагов 3 в процесс вступает вторая группа рычагов 3, находящаяся в исходном положении, которая подхватывает зацепы 5 и проталкивает корпус 1 в направлении, сонаправленном с направлением, приданным ему первой парой рычагов 3. При начале движения второй пары рычагов 3 первая пара возвращается в исходное положение. Подвижная часть, выполненная в виде штока 2, в процессе движения катится по роликам 6, расположенным на внутренней части корпуса 1. Аналогичный процесс производится рычагами 3, расположенными в той же плоскости, при необходимости смены направления движения подвижной части, выполненной в виде штока 2. При смене направления движения рычаги 3, обеспечивающие движение корпуса 1 в противоположном направлении, возвращаются в исходное положение. Корпус 1 при достижении крайнего положения хода задействует датчики 9, расположенные по краям корпуса линейного шагового двигателя, которые через систему контроля производят фиксацию линейного шагового двигателя в данном положении либо через систему управления электромагнитами 8 линейного шагового двигателя, подают команду на электромагниты 7 для реверса. Датчики 10 расположены по обе части линейного шагового двигателя для обеспечения контроля движения подвижной части, выполненной в виде штока 2, в обоих направлениях.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные и технологические возможности линейного шагового двигателя, в качестве элемента осуществляющего прямолинейное возвратно-поступательное передвижение подвижной части, благодаря применению рычагов, приводимых в движение электромагнитами, которые цепляют поочередно зацепы, расположенные на подвижной части, передвигая ее в заданном направлении.

1. Линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, при этом соосно с рычагами расположены возвратные пружины, на подвижной части, выполненной в виде штока, расположены зацепы, на внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения, с торца внутренней части корпуса расположены датчики, связанные с системой контроля.

2. Линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, рычаги и система управления установлена на подвижной части, выполненной в виде штока, а зацепы соответственно на корпусе, при этом рычаги выполнены с втягивающимся сердечником, а на внутренней части корпуса расположены подшипники скольжения, с торца внутренней части корпуса расположены датчики, связанные с системой контроля.

3. Линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что введена система подвижных элементов - рычагов прямого и обратного хода, приводимых в движение электромагнитами, связанными с системой управления, расположенной в корпусе, рычаги и система управления установлены на подвижной части, выполненной в виде штока, а зацепы соответственно на корпусе, при этом рычаги имеют шарнирный механизм, расположены внутри корпуса в одной поперечной плоскости и выполнены в форме секторов, корпус выполнен с возможностью перемещения по роликам, а подвижная часть закреплена на неподвижном механизме.

www.findpatent.ru

Прецизионные координатные системы с линейными шаговыми двигателями

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра электронной техники и технологий

РЕФЕРАТ

на тему:

«Прецизионные координатные системы с линейными шаговыми двигателями»

Минск, 2008

В разомкнутых системах цифрового программного управления с точным позиционированием, а также при реализации сложных двигателей по двум координатам целесообразно применение линейных шаговых двигателей (ЛШД), допускающих изменение в широких пределах числа фаз, частоты и форм напряжения на фазах.

Разработано несколько конструкций координатных столов с ЛШД и электронными блоками управления. Предназначены они для установки в различном технологическом оборудовании производства ИЭТ, металлообрабатывающих станков с ЧПУ, медицинском оборудовании и т.д. Принципиально ЛШД представляет собой шаговый двигатель с развернутыми подвижными и неподвижными частями. Конструкция одного из вариантов ЛШД приведена на рисунке 1.

Рисунок 1.

Двигатель содержит якорь состоящий из двух жестко соединенных электромагнитных модулей А и В и безобмоточного зубчатого пассивного статора, выполненного из магнитомягкого материала.

Каждый из модулей А и В состоит из двух П-образных магнитопроводов объединенных постоянным магнитом.

Обмотки управления охватывают средние полюсы А2, А3 и соответственно В2 и В3 модулей А и В.

Электромагнитные модули расположены со взаимным линейным сдвигом, равным , где k=0,1,2… целое число, значения которого выбирается из конструктивных соображений.

Между первичным и вторичным элементами ЛШД имеется зазор δ.

Движение вторичного элемента (якоря) с шагом осуществляется разнополярной коммутацией обмоток модулей А и В. Порядок коммутации определяет направление движения.

ЛШД обеспечивает перемещение координатного стола в плоскости конструктивно объединяющей по меньшей мере три ЛШД: один на одной координатной оси, два на другой.

Необходимый рабочий зазор δ между статором и якорем чаще всего обеспечивается применением аэростатических опор.

Схематически одна из конструкций такого координатного стола показана на рисунке 1а. Подвижная каретка 1, имеющая в качестве основания парумодулей ЛШД2, предназначенных для движения по оси Х (Х-ЛШД), и две пары модулей 3 (Y-ЛШД), скользит по статору 4 на воздушной подушке. Подушка образуется струей сжатого воздуха подаваемого в которые расположены по периметру ЛШД.

Рисунок 1 а - Координатные столы с ЛШД:

а) конструктивная схема.

б) координатный стол с разделенной нарезкой статора.

в) координатный стол с совмещенной нарезкой статора.

В варианте с разделенной нарезкой статора по координатным осям (рисунок 1б) Х-ЛШД позиция 2 обеспечивает перемещение каретки в пределах средней зоны зубцов статора. Y-ЛШД позиция 3 перемещает каретку поперек нарезки статора в крайних зонах. В варианте с совмещенной по обеим осям нарезкой зубцов статора (рисунок 1в) каретка содержит по паре Х-ЛШД-2 и Y-ЛШД позиция 3. Диапазон перемещений по осям в этом случае ограничен лишь размерами статора. При движении по оси Х коммутируются обмотки электромагнитов модулей Х-ЛШД при статическом состоянии токов в обмотках Y-ЛШД. При коммутации обмоток Y-ЛШД обеспечивается движение по координате Н.

При одновременном перемещении по двум координатам управляют токами фаз обеих групп ЛШД.

Зубчатые поверхности статора и якорей приготавливаются фрезерованием прецизионной групповой фрезой или химическим травлением по прецизионным фотошаблонам с последующей заливкой пазов эпоксидными компаундами с твердым немагнитным наполнителем. После этого поверхности шлифуют и притирают. Это обеспечивает высокую степень параллельности и чистоту рабочих поверхностей.

Электромагнитное взаимодействие якоря со статором происходит в воздушном слое между кареткой и статором, поэтому постоянство зазора δ сказывается на стабильности тяговых точностных характеристик координатной системы. Сама же величина зазора получается как результат уравновешивания аэростатической силы отталкивания Fa магнитной силой притяжения FM.

Таким образом для обеспечения стабильности величины зазора δ, должно быть обеспечено условие “всплывания” каретки над плоскостью статора т.е. δ>0, Fа>FM. Типичный характер зависимостей FM(δ) и Fa(δ) из образцов координатной системы для технологических установок микроэлектроники с ЛШД показан на рисунке 2.

Взаимодействие сил притяжения FM и аэростатических сил Fa.

Рисунок 2 - Взаимодействие сил притяжения FM и аэростатических сил Fa.

Величина зазора фиксируется на уровне δ0 при F0. Тогда равновесие удовлетворяет условию статического равновесия

. (1)

В серийно-выпускаемых двухкоординатных системах сЛШД обеспечивается зазор δ=10-20мкм при давлении воздуха 2-6 атм и расходе 5-6 л/мин.

Статические и динамические свойства ЛШД определяются прежде всего характеристикой тягового усилия и способности управлять ЛШД.

При анализе тягового усилия необходимо иметь в виду, что зубцовые зоны статора и якоря обычно выполняются так, что ширина зубца и паза одинаковы и равны , что при отношении воздушного зазора к зубцовому делению дает практически синусоидальную зависимость магнитного сопротивления зазора от перемещения якоря х с постоянной составляющей R0 и амплитудой переменной составляющей R1.

. (2)

Перемещение удобно измерять в единицах зубцового деления обозначив

. (3)

При допущении о линейности магнитной цепи и синусоидальности магнитных сопротивлений рабочих зазоров под полюсами

. (4)

где R0 и R1 – соответственно постоянная составляющая и амплитуда переменной составляющей магнитного сопротивления.

Тяговое усилие всего ЛШД определяется как

, (5)

где , (6)

тяговое усилие модулей А,

(7)

тяговое усилие модулей В,

Rm – внутреннее магнитное сопротивление постоянных магнитов,

FA и FB – соответственно М.Д.С. обмоток управления модулями А и В.

Fm – М.Д.С. постоянных магнитов.

Тяговое усилие ЛШД обратно пропорционально постоянной составляющей магнитного сопротивления воздушного зазора под полюсами электромагнитных модулей.

Уменьшить зазор меньше 10-15 мкм затруднительно по технологическим соображениям. С другой стороны тяговое усилие пропорционально глубине модуляции магнитного сопротивления зубчатой структурой полюсов, т.е. отношению . Отношение резко возрастает при уменьшении τz, типичная зависимость показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Модуляция зубчатой структурой магнитного сопротивления воздушного зазора.

Это обстоятельство наряду с технологическими сложностями изготовления зубчатых структур с малым зубцовым делением обусловлено тем фактом, что ЛШД изготавливается с τz=0,2-1мм при воздушном зазоре δ=10-20мкм.

При четырехкратной дискретной разнополярной коммутации обмоток модулей А и В, якорь перемещается с шагом равным τz/4, что в линейных размерах соответствует 0,05-0,25 мм. Для большинства прецизионных координатных систем такая дискретность недостаточна.

Снижение величины единичного шага добивается способами управления, использующими электрическое дробление основного шага ЛШД.

Если формировать МДС обмоток модулей по синусоидальному закону ; , то зависимость тягового синхронизирующего усилия представляется в виде:

. (8)

Характеристика синхронизирующего усилия имеет синусоидальную форму и в отсутствии внешней силы сопротивления по координате Х якорь ЛШД фиксируется в позиции установленной управляющими фазами токов .

Таким образом на протяжении зубцового деления можно иметь в пределе любое число статически устойчивых положений якоря, задаваемых текущим значением аргумента управляющих синус-косинусных токов фаз.

Обычно управляющие токи фаз ЛШД формируются с использованием цифровой техники при конечном сочетании уровней токов в фазах, что обеспечивает ряд дискретных позиций якоря в пределах зубцового деления. Синус-косинусные функции токов фаз получаются квантованными во времени.

Особенностью ЛШД на аэростатических опорах является отсутствие внешнего демпфирования нагрузки. Поэтому возникает проблема с остановом двигателя в заданной позиции.

Для ее решения устанавливается еще пара блоков работающих с противоположным тяговым усилием.

Современные координатные столы для МЭ могут быть охарактеризованы следующими параметрами:

  • При дискретности перемещения 10 мкм максимальная скорость перемещения достигает 500 мм/с при максимальном ускорении до 40 м/с2. При дискретности перемещения 1 мкм максимальная скорость достигает 150 мм/c при наибольшем ускорении до 20 м/с2.

Преимущества:

  1. Отсутствие механических контактов.

  2. Высокие точности позиционирования.

  3. Высокое быстродействие.

  4. Простота управления.

  5. Отсутствие механических направляющих.

Недостатки:

  1. Затруднительная унификация.

  2. На воздушной подушке нельзя в вакуум.

  3. Трудности с торможением.

ЛИТЕРАТУРА

1.Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн.1. /Под ред. П.Н.Учаева. — 3-е изд. испр. — М.: Машиностроение

2.Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. —Кн.1. М.: Машиностроение

3. Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. — Кн.2. М.: Машиностроение

4.Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии:Учеб. пособие для вузов.— М.: Высш. шк.,

topref.ru


Смотрите также