Numer zgłoszenia: (54)Silnik elektryczny skokowy

Transkrypt

1 R Z E C Z P O SP O LIT A (12) OPIS PATENTOWY (19) P L (11) P O L SK A (13) B1 Numer zgłoszenia: U rząd P aten tow y (22) Data zgłoszenia: R ze czyposp o litej P olskiej (51) IntCI5: H02K 25/00 H02K 37/00 (54)Silnik elektryczny skokowy (73) Uprawniony z patentu: Biuro Usług Postępu Techniczno-Organizacyjnego ''T EK O R '', (43) Zgłoszenie ogłoszono: Mysłowice, PL B U P 04/89 (72)Tw órcy w ynalazku: Stanisław Dyduch, Mysłowice, PL Ryszard Kulczyński, Mysłowice, PL Jerzy Huchro, Katowice, PL (45)O udzieleniu p aten tu ogłoszono: Norbert Student, Katowice, PL W U P 05/92 PL B1 1. Silnik elektryczny skokowy, w którym elek- (57) tryczne impulsy sterujące są przetworzone na proporcjonalne do ich ilości kątowe przemieszczenia wałka tego silnika, znamienny tym, że stanowi go prądu przemiennego silnik (1), którego roboczy wałek (2) połączony jest kinematycznie, za pośrednictwem przekładni (3), z obrotowym sterującym bębnem (4) mającym na pobocznicy co najmniej dwa, obwodowo usytuowane, wejściowe pola (6, 7), z których każde zawiera elektrycznie przewodzące odcinki (8) usytuowane przemiennie z elektrycznie nieprzewodzącymi odcinkami (9), a przewodzące odcinki (8) jednego wejściowego pola (6) są przestawione obwodowo względem przewodzących odcinków drugiego wejściowego pola (7), przy czym poszczególne przewodzące odcinki wejściowych pól (6, 7) są przemiennie połączone elektrycznie z nadajnikiem (11) sterujących impulsów elektrycznych oraz są połączone z wyjściowym polem (13) połączonym elektrycznie z źródłem zasilania silnika (1) prądu przemiennego, za pośrednictwem załączająco-odłączającego zespołu. Fi g1

2 Silnik elektryczny skokowy Zastrzeżenia patentowe 1. Silnik elektryczny skokowy, w którym elektryczne impulsy sterujące są przetworzone na proporcjonalne do ich ilości kątowe przemieszczenia wałka tego silnika, znamienny tym, że stanowi go prądu przemiennego silnik (1), którego roboczy wałek (2) połączony jest kinematycznie, za pośrednictwem przekładni (3), z obrotowym sterującym bębnem (4) mającym na pobocznicy co najmniej dwa, obwodowo usytuowane, wejściowe pola (6, 7), z których każde zawiera elektrycznie przewodzące odcinki (8) usytuowane przemiennie z elektrycznie nieprzewodzącymi odcinkami (9), a przewodzące odcinki (8) jednego wejściowego pola (6) są przestawione obwodowo względem przewodzących odcinków drugiego wejściowego pola (7), przy czym poszczególne przewodzące odcinki wejściowych pól (6, 7) są przemiennie połączone elektrycznie z nadajnikiem (11) sterujących impulsów elektrycznych oraz są połączone z wyjściowym polem (13) połączonym elektrycznie z źródłem zasilania silnika (1) prądu przemiennego, za pośrednictwem załączająco-odłączającego zespołu. 2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że sterujący bęben (4) osadzony jest na wyjściowym wałku (5) przekładni (3). 3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że przewodzące odcinki (8) wejściowych pól (6, 7) mają większą szerokość (S) od szerokości (S 1) nieprzewodzących odcinków (9). 4. Silnik według zastrz. 3, znamienny tym, że przewodzące odcinki (8) jednego wejściowego pola (6) usytuowane są naprzeciw nieprzewodzących odcinków (9) drugiego wejściowego pola (7). 5. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że nieprzewodzące odcinki (9) wejściowych pól (6, 7) stanowią wycięcia w sterującym bębnie (4). 6. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że nadajnik (11) sterujących impulsów elektrycznych połączony jest z dodatnim biegunem źródła (12) prądu stałego. 7. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że nadajnik (11) sterujących impulsów elektrycznych połączony jest ze źródłem (18) prądu przemiennego, za pośrednictwem transformatora (25). 8. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że załączająco-odłączający zespół stanowi przekaźnik (P). 9. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że załączająco-odłączający zespół stanowi stycznik (19). * * * Przedmiotem wynalazku jest silnik elektryczny skokowy, w którym elektryczne impulsy sterujące są przetwarzane na proporcjonalne do ich ilości, kątowe przemieszczenia wałka tego silnika. Często o przydatności silnika skokowego decyduje możliwość uzyskania skoku o mały kąt, a także niski koszt oraz łatwość wykonania silnika w produkcji seryjnej. Znany, np. z polskiego opisu patentowego nr , czterofazowy silnik skokowy zawiera cztery identyczne konstrukcyjne pakiety stojana. Każdy z pakietów stojana, wykonany z ferromagnetycznych blach, ma cztery bieguny wydatne usytuowane symetrycznie na swym obwodzie a nadbiegunniki pakietu stojana zawierają zęby o ściśle określonej podziałce zębowej. Na każdym biegunie pakietu znajduje się cewka uzwojenia jednej fazy, przy czym wszystkie cztery cewki na jednym pakiecie stanowią uzwojenie jednej fazy i tworzą pomiędzy sobą czterobiegunowy, zamknięty układ magnetyczny. Cewki znajdujące się na przeciwległych, wydatnych biegunach pakietu tworzą pary cewek, z których jedna stanowi uzwojenie podmagnesowujące a druga - uzwojenie sterujące. Ponadto na jednej parze przeciwległych biegunów wydatnych mogą znajdować się cewki sterujące, a na drugiej parze biegunów wydatnych - magnesy trwałe wytwarzające strumień podmagnesowujący.

3 Wszystkie pakiety stojana znajdują się we wspólnym korpusie, przy czym są one względem siebie przestawione obwodowo w określony kąt, a wewnątrz każdego pakietu znajduje się przyporządkowany mu rdzeń wirnika dla danej fazy tak, że na wałku osadzonym w korpusie znajdują się cztery rdzenie tworzące wspólnie wirnik czterofazowego silnika skokowego, przy czym rdzenie wirnika zawierają zęby, których podziałka równa się podziałce zębów pakietu stojana. Silnik skokowy sterowany jest impulsami prądu stałego, za pośrednictwem komutatora mechanicznego, znanego np. z polskiego opisu patentowego nr Wzbudzanie kolejno poszczególnych par cewek sterujących na pakietach stojana silnika sprawia, że wirnik zajmuje położenie oddalone od siebie o kąty odpowiadające obwodowym przestawieniom pakietów stojana. Liczba skoków o jeden obrót wirnika jest dla danego silnika wielkością stałą i przy określonej liczbie zębów wirnika tym większa, im większa jest liczba faz sterujących tak, że zmniejszenie wielkości skoku wirnika może odbywać się głównie przez zwiększenie ilości faz sterujących oraz przez zwiększenie ilości zębów wirnika i stojana, co w technice stanowi istotny problem technologiczny mający decydujący wpływ na dokładność oraz na koszt wykonania silnika skokowego, a także stanowi istotną przeszkodę dla zwiększenia mocy silnika. Zagadnieniem technologicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowej konstrukcji elektrycznego silnika skokowego tak, aby jego wirnik oraz stojan nie zawierał zębów. Istota wynalazku polega na tym, że silnik skokowy, stanowi silnik prądu przemiennego, najkorzystniej jednofazowy silnik synchroniczny lub trójfazowy silnik asynchroniczny, przystosowany do pracy skokowej. W tym celu wałek roboczy silnika prądu przemiennego połączony jest kinematycznie, za pośrednictwem przekładni, z obrotowym bębnem sterującym osadzonym najkorzystniej na wyjściowym wałku tej przekładni. Bęben sterujący na swej pobocznicy ma co najmniej dwa, obwodowo usytuowane pola wejściowe, z których każde zawiera elektrycznie przewodzące odcinki usytuowane przemiennie z elektrycznie nieprzewodzącymi odcinkami stanowiącymi najkorzystniej wycięcia w bębnie sterującym, przy czym przewodzące odcinki mają korzystnie większą szerokość, niż odcinki nieprzewodzące. Przewodzące odcinki jednego pola wejściowego są przestawione obwodowo względem przewodzących odcinków drugiego pola, najkorzystniej tak, że przewodzące odcinki jednego pola wejściowego usytuowane są naprzeciw nieprzewodzących odcinków drugiego pola wejściowego. Poszczególne odcinki przewodzące każdego z pól wejściowych są przemiennie połączone elektrycznie, najkorzystniej za pomocą styków, z nadajnikiem sterujących impulsów elektrycznych, przy czym nadajnik połączony jest z dodatnim biegunem źródła prądu stałego lub połączony jest ze źródłem prądu przemiennego, za pośrednictwem transformatora. Przewodzące odcinki każdego z pól wejściowych są połączone z wyjściowym, korzystnie wspólnym, polem elektrycznie przewodzącym połączonym za pośrednictwem z a- łączająco-odłączającego zespołu - korzystnie przekaźnika lub stycznika, ze źródłem zasilania silnika prądu przemiennego. Silnik skokowy według wynalazku jest tani i prosty w wykonawstwie, gdyż ogólnie dostępny, dowolny silnik prądu przemiennego może być w łatwy sposób przystosowany tak, że za jego pośrednictwem można uzyskać praktycznie dowolną ilość skoków kątowych na jeden obrót wyjściowego wałka przekładni, który to wałek jest jednocześnie roboczym wałkiem silnika skokowego, gdyż ilość ta zależy tylko od sumarycznej ilości przewodzących odcinków na obu polach wejściowych bębna sterującego, który w tym celu może być wykonany o dowolnej średnicy. Po wymianie bębna sterującego na inny, ten sam silnik będzie realizował inną ilość skoków - odpowiednio do ilości przewodzących odcinków na obu wejściowych polach tego bębna. Dzięki temu, że silnik zawiera przekładnię, najkorzystniej zębatą, możliwe stało się istotne zwiększenie momentu obrotowego na jego wałku, którym jak wspomniano jest wyjściowy wałek tej przekładni. Możliwe stało się w prosty sposób uzyskanie założonej wielkości skoku wałka a także uproszczenie znanego elektronicznego układu do hamowania wirnika silnika prądu przemiennego, po odłączeniu jego zasilania. Wynika stąd, że ewentualna niedokładność w zatrzymaniu się wirnika - w określonym czasie, po którym silnik powinien być zatrzymany - spowoduje tylko bardzo nieznaczną zmianę kąta obrotu wyjściowego wałka przekładni, a więc wałka silnika skokowego. W zależności od potrzeb, silnik skokowy według wynalazku może mieć dowolną moc minimalną, zależy to tylko od mocy silnika prądu przemiennego, przy czym silnik o małej mocy, np.

4 jednofazowy o niewielkich wymiarach gabarytowych, może charakteryzować się dużym momentem obrotowym na wałku roboczym, dzięki przekładni. Tej cennej zalety technicznej nie mają znane dotychczas silniki skokowe, nawet wielofazowe, gdyż ich konstrukcja wewnętrzna pozwala tylko na uzyskiwanie małych momentów obrotowych przy małej mocy nominalnej, co poważnie ogranicza zakres ich zastosowania w technice. Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie w widoku z góry silnik skokowy jednofazowy wraz z układem połączeń elektrycznych; fig. 2 - silnik skokowy trójfazowy w widoku z boku wraz z układem połączeń elektrycznych, a fig. 3 przedstawia w powiększeniu bęben sterujący w przekroju płaszczyzną A-A zaznaczoną na fig. 1 lub fig. 3. Silnik skokowy jednofazowy stanowi synchroniczny jednofazowy silnik 1 prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz, wyposażony w kondensator C. Obrotowy wałek 2 silnika 1 prądu przemiennego połączony jest kinematycznie, za pośrednictwem redukcyjnej zębatej przekładni 3, ze sterującym bębnem 4 osadzonym na obrotowym wyjściowym wałku 5 tej przekładni, przy czym wyjściowy wałek 5 tej przekładni jest roboczym, obrotowym wałkiem silnika skokowego jednofazowego. Sterujący bęben 4 ma na obu swych obrzeżach, obwodowo usytuowane, wejściowe pola 6, 7, z których każde zawiera elektrycznie przewodzące odcinki 8, usytuowane przemiennie z elektrycznie nieprzewodzącymi odcinkami 9 stanowiącymi wycięcia w pobocznicy sterującego bębna 4. Przewodzące odcinki 8 mają szerokość S znacznie większą od szerokości S 1 nieprzewodzących odcinków 9, przy czym przewodzące odcinki 8 jednego wejściowego pola są przestawione obwodowo względem przewodzących odcinków 8 drugiego wejściowego poła 7 tak, że przewodzące odcinki 8 jednego pola usytuowane są naprzeciw nieprzewodzących odcinków drugiego pola wejściowego. Przewodzące odcinki 8 wejściowych pól 6, 7 są kolejno przemienne, za pomocą styków 10, połączone elektrycznie z trójpołożeniowym kluczem 11, mającym dwa robocze wyjścia W, W1 i spełniającym rolę nadajnika pojedyńczych, sterujących sygnałów elektrycznych, połączonych z dodatnim + biegunem zasilającego źródła 12 prądu stałego o napięciu 24V. Ponadto przewodzące odcinki 8 każdego z wejściowych pól 6, 7 są elektrycznie połączone z usytuowanym pomiędzy nimi obwodowym wyjściowym polem 13, które za pomocą elektrycznego styku 14 połączone jest z przekaźnikiem P zasilanym ze źródła 12 prądu stałego. Natomiast czynne zestyki P1, P2 przekaźnika P połączone są z jednej strony z jednofazowym synchronicznym silnikiem 1, a z drugiej strony - z jednofazową siecią 15 prądu przemiennego o napięciu 220V do zasilania tego silnika - w ten sposób przekaźnik P, za pośrednictwem swych czynnych zestyków P1, P2, stanowi zespół załączająco-odłączający silnika synchronicznego od zasilającej sieci 15, przy czym z siecią 15 połączony jest także prostownik 16 współpracujący ze źródłem 12 prądu stałego do zasilania klucza 11 oraz przekaźnika P. Uwidoczniony na fig. 2 silnik skokowy, stanowi znany trójfazowy asynchroniczny silnik 17 prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz, zasilany z trójfazowej sieci 18, za pośrednictwem załączająco-odłączającego zespołu, którym jest stycznik 19 a w przypadku, gdy zachodzi potrzeba zrealizowania małego skoku korzystnym jest zastąpienie stycznika, przekaźnikiem (na rysunku nie pokazanym). Wałek 20 trójfazowego asynchronicznego silnika 17 połączony jest kinematycznie, za pośrednictwem ślimakowo-zębatej przekładni 21, ze strującym bębnem 22 osadzonym na obrotowym wyjściowym wałku 23 tej przekładni, przy czym wałek ten jest jednocześnie roboczym, obrotowym wałkiem silnika skokowego trójfazowego. Sterujący bęben 22 ma taką samą konstrukcję jak przedstawiony na fig. 3 i fig. 4 sterujący bęben 4 skokowego silnika jednofazowego uwidocznionego na fig. 1 rysunku, z tą ewentualnie różnicą, że w zależności od potrzeb sterujący bęben 22 może zawierać inną ilość przewodzących odcinków 8 na wejściowych polach 6, 7, to znaczy może realizować inną ilość skoków na jeden swój obrót. Przewodzące odcinki 8 wejściowych pól, 6, 7 sterującego bębna 22 są przemiennie połączone, za pomocą styków 10, z trójpołożeniowym kluczem 11 spełniającym rolę nadajnika pojedyńczych, sterujących sygnałów elektrycznych, połączonym - poprzez bezpiecznik B - z redukującym napięcie z 220V do 24V wtórnym uzwojeniem 24 jednofazowego transformatora 25, którego pierwotne uzwojenie 26 połączone jest - poprzez bezpiecznik - z siecią 18 prądu przemiennego. Wyjściowe pole 13 sterującego bębna 22 połączone jest za pomocą styku 14, z końcem cewki 27 stycznika 19, przy czym drugi koniec tej cewki połączony jest z drugim końcem uzwojenia 24, jednofazowego transformatora 25. Ponadto silnik

5 skokowy jedno - oraz trójfazowy wyposażony jest w znany, elektroniczny, najkorzystniej tyrystorowy, układ (na rysunku nie pokazany) do hamowania wirnika silnika 1, 17 prądu przemiennego. Silnik skokowy jednofazowy, przedstawiony w przykładzie wykonania, działa następująco: zasilany dodatnim potencjałem klucz 11, po przestawieniu w położenie prawe - jak zaznaczono to liniami przerywanymi na fig. 1, umożliwia przepływ prądu stałego ze źródła 12 do przewodzącego odcinka 8 wejściowego pola 6 na sterującym bębnie 4. W wyniku tego następuje, poprzez wyjściowe pole 13 tego bębna, uruchomienie przekaźnika P, którego czynne zestyki P1 i P2 załączają silnik 1 do sieci 15 prądu przemiennego powodując jego uruchomienie. Pracujący synchroniczny silnik 1, poprzez przekładnię 3, powoduje obrót sterujący bębna 4 aż do chwili, gdy styk 10 łączący elektrycznie klucz 11 z przewodzącym, odcinkiem 8 znajdzie się w wycięciu 9, wówczas następuje przerwa elektryczna w obwodzie przekaźnika P, co powoduje odpadnięcie jego zestyków P1 i P2, a w konsekwencji odłączenie silnika 1 od zasilającej go sieci 15 i natychmiastowe zatrzymanie jego wirnika pod działaniem układu hamującego. Oznacza to, że roboczy wałek 5 silnika skokowego (przekładni 3) wykonał jeden skok, którego kątowa wielkość jest proporcjonalna do szerokości S przewodzącego odcinka 8 współpracującego ze stykiem 10. Podczas obrotu bębna 4, to znaczy podczas wykonywania skoku, następuje przemieszczenie się drugiego styku 10 z nieprzewodzącego odcinka 9 (wycięcia) na drugim wejściowym polu 7, na przewodzący odcinek 8 tego pola, czyli nastąpi przygotowanie sterującego bębna 4 do kolejnego skoku, który nastąpi po podaniu kolejnego impulsu sterującego. W wyniku przełączenia klucza 11 w lewe położenie - zaznaczone na fig. 1 liniami przerywanymi, umożliwiające przepływ prądu ze źródła 12, poprzez wyjście W1 klucza 11, do wejściowego pola 7 sterującego bębna 4 i kolejne zadziałanie przekaźnika P czyli załączenie, poprzez jego zestyki P1 i P2, synchronicznego silnika 1 do sieci 15. Zasilając przemiennie wejściowe pola 6, 7 wywołuje się przerywaną pracę silnika 1 prądu przemiennego a w konsekwencji skokową, kątową zmianę położenia wałka 5 przekładni 3 czyli wałka silnika skokowego jednofazowego. W zależności od średnicy sterującego bębna 4, ilości przewodzących odcinków 8 tego bębna oraz przełożenia przekładni 3, ten sam silnik 1 prądu przemiennego może pełnić funkcję praktycznie dowolnej ilości silników skokowych o znacznie różniących się od siebie parametrach ruchu oraz wielkości skoku. Sterowanie kluczem 11, stanowiącym nadajnik elektrycznych sygnałów sterujących, według zadanego alogarytmu umożliwia wykonanie określonej ilości skoków - a więc np. zrealizowanie założonej zmiany kątowego usytuowania wałka silnika skokowego, odpowiednio do potrzeb. Silnik skokowy trójfazowy, przedstawiony w przykładzie wykonania, działa następująco: klucz 11 zasilany jest fazą R trójfazowej sieci 18 prądu przemiennego a po przestawieniu klucza w położenie prawe, prąd przemienny o napięciu 24V z wtórnego uzwojenia 24 transformatora 25 poprzez wyjście W klucza 11 płynie do przewodzącego odcinka 8 jednego, wejściowego pola 6 sterującego bębna 22 i przez wyjściowe pole 13 tego bębna, do cewki 27 stycznika 19, który swymi czynnymi zestykami U, V, W załącza asynchroniczny silnik 17 do trójfazowej sieci 18. Silnik asynchroniczny pracuje do chwili aż styk 10 znajdzie się w wycięciu 9 wejściowego pola 6 - czyli do chwili, gdy sterujący bęben 22 wykona jeden skok. Wówczas nastąpi przerwa w obwodzie cewki 27 stycznika 19 a w wyniku tego odpadnięcie czynnych zestyków stycznika i odłączenie silnika 17 od sieci 18, jednocześnie pomocniczy zestyk ZP stycznika 19 załącza układ hamowania (na rysunku nie pokazany) tego silnika, przy czym układ hamowania zasilany jest z drugiego, wtórnego uzwojenia 28 transformatora 25. Podczas wykonywania skoku - w wyniku przepływu prądu przemiennego przez jedno, wejściowe pole 6, następuje jednocześnie przygotowanie sterującego bębna 22 do następnego skoku - w wyniku przemieszczenia się drugiego styku 10 z wycięcia 9 na przewodzący odcinek 8 drugiego wejściowego pola 7. W momencie, gdy nastąpi przełączenie klucza w lewe położenie, poprzez wyjście W1 klucza 11, przewodzący odcinek 8 wejściowego pola 7 oraz wyjściowe pole 13 bębna 22 nastąpi przepływ prądu przemiennego z wtórnego uzwojenia 24 transformatora 25, do cewki 27 stycznika 19. Z chwilą zadziałania cewki 27 nastąpi załączenie, poprzez czynne zestyki stycznika, asynchronicznego silnika 17 do sieci 18 i jego kolejne uruchomienie, przy czym jednocześnie poprzez pomocniczy zestyk ZP tego stycznika następuje odłączenie układu hamowania od wtórnego uzwojenia 28 transformatora 25.

6 A-A Fig. 3

7 157346

8 Fi g.1 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 5000 zł.