Шаговый электродвигатель – это электродвигатель с дискретными угловыми перемещениями ротора (подвижной части), осуществляемыми за счет импульсов сигнала управления. Вращение двигателя осуществляется «шагами», от чего происходит название устройства. Заданному числу электрических импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов

Принцип функционирования шаговых двигателей представлен на рисунке 1. На данном рисунке изображены 4 обмотки, находящиеся под углом 90º относительно друг друга, относящиеся к статору (неподвижной части) шагового электродвигателя. В момент подачи напряжения U1 на первую обмотку происходит поворот ротора на угол 90º. В случае поочередной подачи напряжений U2, U3, U4 на соответствующие обмотки вал продолжит вращение. Для изменения направления вращения необходимо изменить очередность подачи импульсов на соответствующие обмотки

Реактивный шаговый двигатель имеет ротор с явно выраженными полюсами, изготовленными из магнитомягких сплавов. Как правило, ротор набирается из пластин. Конструкция ротора реактивного шагового двигателя в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами (рисунок 2). Выключенный реактивный шаговый двигатель не имеет фиксирующего (тормозящего) момента при вращении вала.

Данные двигатели применяются, когда требуется обеспечить не очень большой момент и когда допустимы достаточно большие углы поворота двигателя.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор, изготовленный из постоянного магнита, в котором может быть два или большее количество полюсов (рисунок 3). Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Статор обычно имеет две фазы.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами создают большие вращающие моменты и обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала.

Гибридные шаговые двигатели были созданы с целью объединения лучших свойств реактивных шаговых двигателей и шаговых двигателей с постоянными магнитами.

Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси. Конструктивно ротор представляет собой два круглых полюса, на поверхности которых нанесены радиальные зубья (рисунок 4). Зубья верхней половины ротора являются северными полюсами, а зубья нижней половины южными.

Верхняя и нижняя половины ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубьев (рисунок 5 а). Число пар полюсов ротора равно количеству зубьев на одной из его половин.

Статор обычно имеет две или четыре фазы, распределенные между парами явно выраженных полюсов (рисунок 5 б). Статор также имеет зубья, обеспечивающие большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки.

Принцип работы гибридного шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

Гибридные шаговые двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Широкое применение шаговые двигатели получили в станках с числовым программным управлением (ЧПУ), робототехнике, устройствах хранения и считывания информации

Поиск патентных публикаций (заявки, патенты на изобретения, полезные модели) по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые электродвигатели» проводился в следующих базах патентной информации:

В результате поиска по подклассам МПК H02K, H02N, H02P и ключевым словам stepper motor, step motor, stepping motor и hybrid было получено распределение патентных публикаций по странам за период c 2000 г. по 2021 г., представленное на рисунках 6 и 7.

На рисунке 8 представлено распределение количества патентных публикаций по годам за период с 2000 г. по 2021 г.

На рисунках 9 и 10 представлено распределение количества патентных публикаций по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели» среди стран лидеров за период с 2000 г. по 2009 г. и с 2010 г. по 2021 г. соответственно.

Из распределений, представленных на рисунках 8 10, можно сделать вывод, что, начиная с 2000 г., наблюдается общая тенденция увеличения количества патентных публикаций по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели». В период с 2000 г. по 2009 г. лидирующие позиции по количеству патентных публикаций по данному направлению занимала Япония. В период с 2010 г. по 2021 г. лидирующие позиции по количеству патентных публикаций занимал Китай, а Япония находилась на втором месте. На третьем месте по количеству патентных публикаций в период с 2000 г. по 2021 г. находились США.

На рисунке 11 представлено распределение количества патентных публикаций по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые электродвигатели» за период с 2010 г. по 2021 г. Распределение представлено для 10-ти компаний, имеющих наибольшее количество публикаций.

Так как Китай, Япония и США являются лидерами по количеству патентных публикаций, целесообразно рассмотреть патентные публикации патентных ведомств данных стран.

На рисунке 12 представлено распределение патентных публикаций китайского патентного ведомства за период с 2010 г.по 2021 г. по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые электродвигатели». Распределение представлено для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.

На рисунках 13 и 14 представлены аналогичные распределения патентных публикаций патентных ведомств Японии и США соответственно.

Из распределений, представленных на рисунках 12 – 14, можно сделать вывод, что на территории Китая подают заявки и получают охранные документы преимущественно организации, зарегистрированные в Китае. При этом на территории Японии и США патентуют свои разработки компании, зарегистрированные в разных странах. Например, на территории Японии получают охранные документы как японские компании, так и компании, зарегистрированные, например, в США и Южной Корее. На территории США патентуют разработки компании из США, Японии, Китая, Тайваня и других стран.

На втором месте по количеству публикаций в патентном ведомстве Китая находится компания Changzhou Baolong Motor Co. Основным направлением деятельности компании является производство электродвигателей, шаговых двигателей, моторов, редукторов и сервоприводов. Компания осуществляет поставки продукции в Северную и Южную Америку, страны Европы, Азии. Продукция находит применение в системах безопасности, медицинских приборах, офисной технике и промышленном оборудовании.

Наибольшее количество патентных публикаций в патентном ведомстве Японии имеет компания Minibea Mitsimi Inc., которая является одной из крупнейших организаций, изготавливающих детали и элементы машин, а также электромеханические устройства. Например, компания является крупным поставщиком прецизионных механических устройств, различных датчиков, электродвигателей, вентиляторов и, в том числе, шаговых двигателей.

Наибольшее количество патентных публикаций в патентном ведомстве США имеет компания Lin Engineering Inc. Основным направлением работы компании является создание устройств, обеспечивающих управление движением. Линейка продуктов компании включает гибридные шаговые электродвигатели, сервоприводы, редукторы и др.

Рост количества патентных публикаций по направлению «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели» может быть объяснен тем, что данные двигатели активно применяются в станках и устройствах с ЧПУ, в робототехнике, компьютерной технике. Например, одно из свойств шаговых двигателей – отсутствие свободного вращения – позволяет обойтись без датчика положения, т.к. угол на который был сделан поворот двигателя уже известен контроллеру.

Так как в настоящее время в мире активно проводятся разработки по созданию и внедрению гибридных шаговых двигателей, целесообразно проанализировать публикационную активность российских организаций.

На рисунке 15 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели» за период с 2012 г. по 2021 г. (по данным портала eLibrary).

На рисунке 16 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели» по организациям за период с 2010 г. по 2021 г. Распределение представлено для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.

Из распределений, представленных на рисунках 15 и 16, видно, что за период с 2010 г. по 2021 г. наблюдается увеличение количества публикаций непатентной литературы по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели». Можно сделать вывод, что в России наблюдается увеличение количества исследовательских работ по данному направлению. При этом публикации непатентной литературы осуществляются образовательными и научно-исследовательскими организациями. Из анализа распределений, представленных на рисунках 6, 7, 9, 10 и 16 следует, что данные организации не рассматривают возможность потенциальной коммерциализации полученных результатов. Кроме того, иностранные организации также не рассматривают возможность охраны своих разработок на территории Российской Федерации.

Необходимо отметить, что на российском рынке присутствуют российские компании, производящие шаговые двигатели. В связи с этим, можно сделать вывод, что данные организации либо выбирают для своих технологий форму правовой охраны «секрет производства (ноу-хау)», либо не принимают меры по охране своих разработок.

В результате анализа патентной информации по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели» было получено распределение патентных публикаций по группам МПК (рисунок 17). Распределение представлено по 6-ти группам МПК, по которым выявлено больше всего публикаций.

В результате анализа было выявлено, что патентные публикации распределяются по следующим группам МПК:

Патентная активность в сфере гибридных шаговых двигателей обусловлена, с одной стороны, преимуществами данного типа шаговых двигателей по сравнению с другими типами, а с другой – активным внедрением в производство и повседневную жизнь станков и устройств с ЧПУ, робототехники, устройств хранения и считывания информации, мобильной техники и т.д.

Существует тенденция увеличения количества патентных документов и публикаций научно-технической информации по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели». Большое количество заявок подается в патентные ведомства Китая, Японии и США.

Согласно проведенному анализу, патенты, охраняющие технические решения по теме «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели», будут востребованы в ближайшее время на мировом рынке. Таким образом, проведение работ по данному направлению и последующее патентование технических решений является перспективным.

Ввиду того, что охранные документы по направлению «Высокоскоростные гибридные шаговые двигатели» в Российской Федерации отсутствуют, российским компаниям на фоне активности иностранных конкурентов необходимо увеличить количество разработок по данному направлению, сформировать портфель прав и обеспечить патентование своих разработок по перспективным, с точки зрения коммерческой реализации, направлениям и технологиям. При этом, ввиду высокой активности патентования разработок зарубежными конкурентами, а также ввиду наличия большого количества публикаций по данному направлению, в настоящее время могут возникнуть сложности при патентовании перспективных разработок и технологий.