устройство для преобразования колебательного движения во вращательное

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ, содержащее закрепленный в корпусе магнитопровод с полюсами, ротор с выходным валом, индуктор и обмотку, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности частоты вращения ротора и улучшения его динамических характеристик, оно снабжено задатчиком механического момента, включающим рамку с двумя обмотками, насаженную на подвижную ось, соосную с выходным валом, и внутрирамочный постоянный магнит, закрепленный на корпусе, датчиком положения рамки, выполненным в виде двух пар закрепленных на корпусе излучателей и приемников, разделенных заслонкой, жестко установленной на подвижной оси, при этом ротор выполнен в виде кольца из магнитомягкого материала, закрепленного на выходном валу через прокладку из неэлектропроводного и немагнитопроводного материала, индуктор выполнен в виде насаженного на подвижную ось магнитопроводящего диска, на торцевой поверхности которого, обращенной к ротору, установлены n идентично ориентированных постоянных магнитов, а магнитопровод выполнен в виде n П-образных магнитопроводов, замыкающих через ротор магнитный поток, образованный постоянными магнитами индуктора, устройство также снабжено двухуровневым компаратором, ключевым устройством, формирователем импульсов управления и источником постоянного тока, при этом выходы фотоприемников подключены к входам двухуровневого компаратора, выход которого подключен к управляющему входу ключевого устройства, силовым входом подключенного к источнику постоянного тока, а выходами к обмоткам задатчика механического момента, параллельно которым подключены входы формирователя импульсов управления, к выходу которого подключена n-секционная обмотка, секции которой соединены последовательно и каждая размещена на П-образном магнитопроводе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к преобразователям одного вида движения в другой.

Наиболее близким по технической сущности является электромеханическое устройство преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное [1]. Содержащее магнитопровод, состоящий из двух частей с дополнительным и с экранированными полюсами и короткозамкнутыми кольцами со стороны якоря, выполненного в виде ротора с короткозамкнутой обмоткой, индуктор в виде многополюсного магнита с шагом между полюсами, равным шагу дополнительных полюсов магнитопровода, маховик, насаженный на вал якоря, и фиксатор.

Недостатком данного устройства является низкая стабильность скорости вращения ротора, так как неравномерность возвратно-поступательного движения сглаживается механическим способом-введением в структуру устройства маховика, что приводит к увеличению инерционности системы и, следовательно, к падению динамических характеристик преобразователя.

Целью изобретения является повышение стабильности скорости вращения ротора и улучшение динамических характеристик устройства.

Это достигается тем, что устройство, содержащее закрепленный в корпусе магнитопровод с полюсами, ротор с выходным валом, индуктор и обмотку, снабжено задатчиком механического момента, включающим рамку с двумя обмотками, насаженную на подвижную ось, соосную с выходным валом, и внутрирамочный постоянный магнит, закрепленный на корпусе, датчиком положения рамки, выполненным в виде двух пар, закрепленных на корпусе излучателей и приемников, разделенных заслонкой, жестко установленной на подвижной оси, при этом ротор выполнен в виде кольца из магнитомягкого материала, закрепленного на выходном валу через прокладку из неэлектропроводного и немагнитопроводного материала, индуктор выполнен в виде насаженного на подвижную ось магнитопроводящего диска, на торцовой поверхности которого, обращенной к ротору, установлены n, например два, идентично ориентированных постоянных магнита, а магнитопровод выполнен в виде n, например, двух П-образных магнитопроводов, замыкающих через ротор магнитный поток, образованный постоянными магнитами индуктора, устройство также снабжено двухуровневым компаратором, ключевым устройством, формирователем импульсов управления и источником постоянного тока, при этом выходы фотоприемников подключены к входам двухуровневого компаратора, выход которого подключен к управляющему входу ключевого устройства, силовым входом подключенного к источнику постоянного тока, а выходами - к обмоткам задатчика механического момента, параллельно которым подключены входы формирователя импульсов управления, к выходу которого подключена n-секционная, например, двухсекционная обмотка, секции которой соединены последовательно и каждая размещена на П-образном магнитопроводе.

На фиг. 1 представлена блок-схема предполагаемого устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема формирователя импульсов управления; на фиг. 3а,б,в - статическая характеристика нелинейной части, эпюры напряжений на входах ключевого устройства и формирователя импульсов управления соответственно; на фиг. 4а, б - схема перераспределения магнитных потоков при перемещении индуктора и диаграмма сил, действующих на кольцо при наличии импульса U₂₆ при перемещении индуктора; на фиг. 5 - эпюры напряжений на выходах и входах формирователя импульсов управления; а - на первом входе формирователя; б - на выходе инвертора; в - на выходе генератора одиночного импульса первого канала; г - на втором входе формирователя; д - на выходе генератора одиночного импульса второго канала; е - на выходе формирователя.

Устройство (фиг. 1) содержит ротор 1, выполненный в виде кольца 2 из магнитомягкого материала, закрепленного на выходном валу 3 через прокладку 4 из неэлектропроводного и немагнитопроводного материала, магнитопровод 5, состоящий из двух П-образных магнитопроводов 6 и 6 , на которых размещены последовательно соединенные секции 7 и 7 обмотки, и индуктор 8, включающий магнитопроводящий диск 9, на торцовой поверхности которого, обращенной к ротору 1, установлены два идентично ориентированных постоянных магнита 10 и 10 , при этом индуктор 8 закреплен на подвижной оси 11. Постоянные магниты 10 и 11 одноименными полюсами обращены к ротору 1 и образуют однородное магнитное поле, силовые линии которого замыкаются кольцом 2.

Задатчик 12 механического момента выполнен в виде рамки 13 с двумя обмотками 14 и 15, насаженной на подвижную ось 11, и внутрирамочного постоянного магнита 16, закрепленного на корпусе. Причем выходной вал 3 и ось 11 соосны и установлены с возможностью поворота в опорах 17 и 18 соответственно. На оси 11 также жестко установлена заслонка 19 датчика 20 положения рамки, образованного двумя парами излучателей 21 и 21 и фотоприемников 22 и 22 , закрепленных на корпусе и разделенных заслонкой 19. Выходы фотоприемников 22 и 22 подключены к входам двухуровневого компаратора 23, выход которого соединен с управляющим входом ключевого устройства 24. К силовому входу ключевого устройства 24 подключен источник 25 постоянного тока, а к выходам - обмотки 14 и 15 задатчика 12 механического момента. Параллельно обмоткам 14 и 15 подключены входы формирователя 26 импульсов управления, к выходу которого подключены последовательно соединенные секции 7 и 7 обмотки. Два П-образных магнитопровода 6 и 6 закреплены на корпусе таким образом, что они замыкают явновыраженными полюсами магнитный поток, проходящий через постоянные магниты 10 и 10 , индуктор 8 и ротор 1.

Количество постоянных магнитов 10 и 10 определяется величиной момента вращения, развиваемого ротором 1.

Формирователь 26 импульсов управления (фиг. 2) состоит из генератора 27 одиночного импульса первого канала, включающего последовательно соединенные инвертор 28, триггер 29, RC-цепочку 30 и инвертор 31, причем выход инвертора 28 подключен к входу С триггера 29, выход которого через RC-цепочку 30 и инвертор 31 подключен к входу триггера 29, генератора 32 одиночного импульса второго канала, включающего последовательно соединенные триггер 33, RO-цепочку 34 и инвертор 34, причем выход триггера 33 через RC-цепочку 34 и инвертор 35 соединен с входом триггера 33, и триггера 36, вход которого соединен с выходом Q триггера 29, а вход - с выходом Q триггера 33. Причем входы триггеров 29 и 33 подключены через сопротивления 37 и 38 к источнику питания +5 В (на фиг. 2 не показан) соответственно, а вход инвертора 28 и вход С триггера 33 соединены с первым и вторым выходами ключевого устройства 24 соответственно.

В качестве излучателей 21 и 21 могут быть использованы светодиоды АЛ107А, а в качестве фотоприемников 22 и 22 - фототиристор, входящий в состав оптрона АОУ103А. Ключевое устройство 24 и источник 25 постоянного тока могут быть реализованы по одной из известных схем, а компаратор 23 и элементная база формирователя 26 импульсов управления - на микросхемах К10УД8А и К176ТМ2, К555ЛН2 соответственно.

Устройство работает следующим образом. При подаче питания на датчик 20 положения рамки излучатели 21 и 21 образуют два соответствующих световых потока, причем в исходном положении заслонка 19 устанавливается так, что перекрывает световой поток одного из излучателей, например 21. При этом второй излучатель 21 открыт, в результате чего на выходе фотоприемника 22 формируется выходной сигнал +U_о, который подается на вход компаратора 23, устанавливающий его в первое устойчивое состояние с уровнем выходного напряжения, равным +U_к, который поступает на управляющий вход ключевого устройства 24, подключающего источник 25 постоянного тока к одной из обмоток, например, 14 задатчика 12 механического момента.

В результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого потоком, протекающим по обмотке 14, с полем постоянного магнита 16 возникает момент, поворачивающий рамку 13 так, что излучатель 21 начинает закрываться, а излучатель 21 открываться. Так как датчик 20 положения рамки, компаратор 23 и ключевое устройство 24 образуют нелинейную часть системы со статической характеристикой, представленной на фиг. 3а, где - угол поворота рамки, U_o - уровень напряжения источника тока, то по мере уменьшения сигнала на выходе фотоприемника 22 происходит выключение компаратора 23, а затем при достижении сигнала на выходе компаратора 23 во второе устойчивое состояние с уровнем выходного напряжения равным -U_к. При этом происходит переключение ключевого устройства 24 и подключение источника 25 постоянного тока к второй обмотке 15 задатчика 12 механического момента. В результате этого в задатчике 12 механического момента создается момент, направление которого противоположно, и рамка 13 начинает двигаться в противоположную сторону. При этом излучатель 21 начинает закрываться, а излучатель 21 открываться. По мере уменьшения сигнала на выходе фотоприемника 22 происходит выключение компаратора 23, а затем при достижении сигнала на выходе фотоприемнике 22 порогового значения +U_о происходит переключение компаратора 23 в первое устойчивое состояние. Это вызывает новое переключение ключевого устройства 24 и подключение к источнику 25 постоянного тока обмотки 14 задатчика 12 механического момента. В результате этого переключения рамка 13 начинает двигаться в первоначальном направлении. Далее процесс переключения повторяется и рамка 13 задатчика 12 механического момента совершает гармонические колебания с некоторыми постоянными амплитудой и частотой. Такое же колебательное движение совершает и индуктор 8.

Применение ключевого устройства 24 и источника 25 постоянного тока позволяет формировать в обмотках 14, 15 прямоугольные импульсы тока, при наличии которых обеспечивается постоянство мощности, выделяемой в обмотках 14, 15. Последовательность импульсов с первого и второго выходов ключевого устройства 24 (фиг. 3б) поступают на первый и второй входы формирователя 26 импульсов управления, в котором по срезу задающего импульса на его первом входе и по фронту задающего импульса на его втором входе формируется управляющий импульс длительностью (см. фиг. 3в). Причем период следования импульсов управления совпадает с периодом следования задающих импульсов и равен Т.

Управляющий импульс U₂₆ с выхода формирователя 26 импульсов управления подается на секции 7 и 7 обмотки магнитопровода 5, в которых протекающий ток создает магнитный поток _эм, замыкающийся через кольцо 2 и индуктор 8. В процессе колебаний индуктора 8 между направлением потоков _эм и _пм, где _пм - магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 10 и 10 , возникает некоторый угол (фиг. 4а). Благодаря магнитным силам ротор 1 начинает поворачиваться так, чтобы поток _эм совпал с потоком _пм. При этом сила F_вр (фиг. 4б), направленная по касательной к кольцу 2, создает вращающий момент М_вр, а сила F_пр создает некоторое осевое усилие, в целом ряде случаев компенсирующие силы, действующие в осевом направлении.

Таким образом, из диаграммы фиг. 4а,б видно, что при поступлении в секции 7 и 7 обмотки импульса управления U₂₆ происходит существенное увеличение магнитного потока _эм + _пм и вследствие одновременного перемещения индуктора 8 создается сила F_вр, приводящая во вращение ротор 1.

При возвратном движении индуктора 8 управляющий импульс U₂₆ в обмотках магнитопровода 5 отсутствует, вследствие чего силовое взаимодействие между индуктором 8 и ротором 1 уменьшается, так как кольцо 2 выполнено из магнитомягкого материала, характеризующегося быстрым размагничивающим при отсутствии внешнего магнитного поля, и ротор 2 продолжает по инерции вращение в первоначальном направлении.

Автоколебания задатчика 12 механического момента формируют частоту следования импульсов управления, которая определяет частоту взаимодействия ротора 1 и индуктора 8, а следовательно, и скорость вращения ротора. Естественно, что с увеличением частоты автоколебаний ротор подталкивается чаще и его вращение будет более непрерывным (стабильным). При этом под стабильностью скорость вращения ротора поднимается неравномерность за время оборота. Регулируя длительность и амплитуду импульсов управления, можно соответствующим образом регулировать скорость вращения ротора и величину создаваемого крутящего момента на выходном валу 3 устройства.

Для предотвращения энергетических потерь, связанных с возникновением вихревых токов, кольцо 2 крепится с помощью неэлектропроводной и немагнитопроводящей прокладки 4.

Формирователь 26 импульсов управления работает следующим образом. Генератор 27 одиночного импульса первого канала, работающий в ждущем режиме, по фронту инвертированного импульса первого канала (фиг. 5б) формирует отрицательный импульс малой длительности (0,5-3 мкс) (фиг. 5в), который поступает на вход триггера 36. Генератор 32 одиночного импульса второго канала вырабатывает отрицательный импульс малой длительности (0,5-3 мкс) по фронту задающего импульса второго канала (фиг. 5г). Сформированный таким образом импульс (фиг. 5д) поступает на вход триггера 36. В результате на инверсном выходе триггера 36 формируется положительный импульс (фиг. 5е), по которому осуществляется магнитное взаимодействие между ротором 1 и индуктором 8.