Электромагнитный импульсный двигатель


Устройство управления электромагнитным импульсным двигателем возвратно-поступательного движения

 

союз советсних

РЕСПУБЛИК (I9) SU(II) 165 (51)5 Н 02 Г 7/62

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

По ИЭ06РЕТЕКИЯМ И OTHPbtTHRM

ПРИ ГННТ СССР (21) 4 71 7786/07 (22) 12.07.89 (46) 23.06.91. Бки . K - 23 (71) Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (72) С.Б.Плотников и Г.В.11ещерский (53) 621.313.283 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1252905, кл. Н 02 P 7/62, 1986.

Авторское свидетельство СССР

К> 1403328, кл. Н 02 P 7/62, 1988. (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРО11АГН!1ТНЫ! И1П!УЛЬСНЫ!)! ДВИГАТЕЛЕМ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИИЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приводах с электрическими двигателями возвратно-поступательного движения, где необходимо регулировать

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приводах с электрическими двигателями возвратно-поступательного движения, где необходимо регулировать электромагнитное усилие двигателей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и увеличение надежности устройства.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства управления электромагнитным импульсным двигателем возвратнопоступательного движения, на фиг.2 зависимости напряжения U, прикладываемого к обмотке двигателя, и тока

I в его обмотке при различных углах коммутации Т в функции времени, на фиг.3 — качественные зависимости то2 электромагнитное усилие двигателей.

Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей и увеличениа надежности, Устройство содержит датчик тока 5, датчик напряжения 4, первьпr 1 и второй 2 аналого-цифровые преобразователи, цифроаналоговый преобразователь 3 и микропроцессорную систему 8, вырабатывающую код момента включения по моменту перехода напряжения через ноль и величине тока в эаданныи момент времени в предыдущем, цикле включения. Использование предложенного устройства позволит существенно сократить потребление двигателем энергии за счет об..спечения возможности регулирования уровня энергии подавляемых питающих импульсов при изменении величины наг рузки. 4 ил . ка в обмотке двигателя при различной величине нагрузки, противодействую щей перемещению якоря, на фиг.4 один из возможных алгоритмов работы микропроцессорной системы.

Устройство содержит первый 1 и

BTopof! 2 аналого-цифровые преобразователи, цифроаналоговый преобраэователь 3, датчики напряжения 4 и тока

5, силовой тиристорный ключ 6, формирователь импульсов 7 и микропроцессорную систему 8 и двигатель 9.

Двигатель для срабатывания может подключаться к сети в различные моменты времени (см. фиг.2), что соот— ветствует разным углам коммутации Т.

Если Т близок к нулю, то вся положительная полуволна напряжения прикла1658356 дывается к обмотке двигателя и по ней протекает ток I, передающий от сети наибольшую электрическую мощность.

В этом случае электромагнитное усилие может быть максимальным. Если увеличить угол коммутации, то это приве- дет к уменьшению энергии, поступающей в двигатель из сети, и к падению электромагнитного усилия. 1О

Рассматривают два крайних режима работы двигателя — холостой ход (х.х.), когда практически отсутствует нагрузка — усилие, противодействующее движению якоря, и режим корот- 15 кого замыкания (к.з.), при котором механическая нагрузка настолько велика, что якорь остается неподвижным.

Считают, что угол коммутации неизменен. 20

В режиме х.х. якорь двигателя быстро ускоряется и выбирает рабочий зазор. При этом индуктивность двигателя максимально быстро увеличивается, фронт нарастания тока (см. фиг.З) по- 2g логий, длительность импульса большая.

Режим х.х. характеризует избыток электромагнитного усилия по сравнению с усилием нагрузки. В этом случае целесообразно уменьшить вводимую в двигатель энергию. В этом режиме, если в момент времени Си м будут измерять значение импульсного тока, то оно будет максимальньяк.

В режиме к.э. при протекании тока зазор остается неизменным, а индукTlfBHoc Th H Te MHHHMRJIbHofl e ToK характеризуется крутым фронтом, большой ампЛитудой и интенсивным затуханием. В момент 1и,ч при к.з. фиксируется минимальное значение тока. В .случае к.з. целесообразно увеличить вводимую в двигатель энергию, т.е. уменьшить угол коммутации Т. Это позволит увеличить электромагнитное усилие до уровня, когда якорь начнет двигаться и совершать полезную работу.

Таким образом, на каждом энергетическом уровне (при каждом угле коммутации) существует диапазон нагрузок, при котором режим работы можно считать оптимальныи. Эти оптимальные нагрузки соответствуют некоторой совокупности оптимальных кривых тока, характеризуемых, по аналогии с рассмот- 55 ренным ранее, диапазоном оптимальных

1оIIã. мии 1 опт 1опт макс в "о мент времени tIIlM

Другими словами, анализируя величину тока в обмотке двигателя в момент t А„ можно получить данные, характеризующие величину нагрузки, и в случае, если она мала, то уменьшить вводимую в двигатель энергию, а если. она велика, то увеличить энергию и тем самым поддерживать режим работы двигателя на оптимальном по какомулибо критерию, например КПД, уровне.

Рассматривая несколько (n) различных дискретных углов коммутации, можно составить таблицу матрицу, каждая строка которой будет характеризовать свой энергетический уровень и м.

Т

1 И jM, Оатю MQKC 1

Т h "иэм п onT,мин п опт, MQKC ll

Данные для этой таблицы могут быть получены экспериментально и (или) путем математического моделирования и занесены в постоянное запоминающее устройство микропроцессорной системы.

Устройство работает следующим образом.

После подачи электропитания на схему (см. фиг.1) происходит начальная загрузка программы в микропроцессорную систему и начинается ее выполнение. Первый и второй входы микропроцессорной системы настраиваются на прием информации, выход — на передачу. Переменной Е присваивается значение "1", что соответствует минимальному энергетическому уровню, далее в соответствии с Е происходит присвоение пеРеменных Т, и м

1 ит мс, с,. С датчика напряжения 4 -через айалого-цифровой преобразователь

1 вводится мгновенное значение напряжения питания, как только знак напряжения питания изменится с "- на

"+", микропроцессорная система 8 отрабатывает задержку Т и через выход микропроцессорной системы и цифроана- логовый преобразователь 3 выдается

58356

Формула

5 16 команда на формирователь импульсов 7 для открытия силового тиристорного ключа 6. Ключ открывается, по обмотке двигателя протекает ток, двигатель начинает движение. Микропроцессорная система 8 отрабатывает задержку ».»,к», после чего происходит считывание значения с датчика тока 5 через второй вход микропроцессорной системы 8 и второй аналого-цифровой преобразователь 2 далее это значение сравнива апт. мик» H 1о»»т,Макс(в Результате чего Е присваивается новое значение, и процесс повторяется, но уже с новыии значениями Е, Т, 0»»Т, мин " опт макс (см. ««» -x« ал горитма работы микропроцессорной системы фиг.6).

Использование предложенного устройства для управления двигатеЛем возвратно-поступательного движенияпозволит существенно сократить потребление двигателем энергии эа счет обеспечения возможности регулирования уровня энергии подаваемых питающих импульсов при изменении величины нагрузки, т.е. освобождает от необходимости питать двигатель импульсами, рассчитанными на максимальную нагрузку. Использование в предлагаемом устройстве регулирования по косвенному признаку — значению тока на характеристическом участке позволяет повысить надежность устройства и системы в целом за счет исключения из конструкции датчика положения и подводимых к нему низкопотенциальных слаботочных проводов, что приводит к увеличению срока службы устройства управления и системы в целом. изобретения

Устройство управления электромагнитным импульсным двигателем возвратно-поступательного движения, содержаг(ее силовой тиристорный ключ и формирователь импульсов, о т л и ч а ю— ц е е с я,тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей и увеличения надежности устройства, в него введены датчик тока и датчик напряжения, первый и второй аналогоцифровые преобразователи, цифроаналоговьп» преобразователь и микропроцессорная система, вырабатывающая код момента включения по моменту перехода напряжения через ноль и величине тока в заданный момент времени в предыду20 г»ем цикле включения, причем выход сети переменного тока соединен с входом силового тиристорного ключа и входом датчика напряжения, выход которого подключен к входу первого аналого-циф25 рового преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя сое. динен с первым входом микропроцессорной системы, выход датчика тока через второй аналого-цифровой преобразователь подключен к второму входу микропроцессбрной системы, выход микропро.— цессорной системы через цифроаналоговый преобразователь подключен к входу формирователя импульсов, выход кото35 рого соединен с управляющим входом силового тиристорного ключа, выход которого является рабочим выходом устройства, а информационным входом устройства является вход датчика то40

)658356

1658356

Составитель Е.Морозова

Редактор Т.Иванова Техред М.Дидык Корректор Л.Патай

Заказ 2436 Тирак 355 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

     

www.findpatent.ru

Электромагнитный двигатель

Подробности Категория: Патенты Никола Тесла

ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СОЕДИНЁННЫХ ШТАТОВ

НИКОЛА ТЕСЛА, ПРОЖИВАЮЩИЙ В НЬЮ-ЙОРКЕ, ШТАТ НЬЮ-ЙОРК, ПЕРЕУСТУПАЮЩИЙ ПРАВА НА ДАННОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ ФИРМЕ «ТЕСЛА ЭЛЕКТРИК КОМПАНИ», НЬЮ-ЙОРК

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

ОПИСАНИЕ, ЯВЛЯЮЩЕЕСЯ ЧАСТЬЮ ПАТЕНТА № 424036 ОТ 25 МАРТА 1890 Г. ЗАЯВКА ОТ 20 МАЯ 1889 Г., НОМЕР ЗАЯВКИ 311416 (МОДЕЛЬ НЕ ПРИЛАГАЕТСЯ)

Всем заинтересованным лицам:

Я, Никола Тесла, подданный Австрийской империи, родившийся в Смилянах Лики (провинция Австро-Венгрии), проживающий ныне в Нью-Йорке, штат Нью-Йорк, изобрел некоторые новые и полезные усовершенствования в электромагнитных двигателях, описание которых со ссылками на прилагающиеся чертежи приводится ниже.

Я изобрел и описал электромагнитный двигатель, приводимый в действие — или могущий быть приведенным в действие — переменным электрическим током, который теперь, правильно или нет, именуется двигателем с магнитной задержкой. Основной отличительный признак этого двигателя таков: якорь установлен в магнитном поле некоторого числа индукторов или полюсов различной магнитной проницаемости, то есть полюсов неодинаковой длины, массы или состава, и имеющих обмотку для управления двигателем, соединяемую с источником переменного тока. Когда по обмотке такого двигателя пропускается переменный ток, магниты или полюса не оказывают притяжения на якорь одновременно, и момент максимальной силы притяжения одних отстает от других, в результате чего возникает вращающий момент и двигатель начинает работать. Ранее я конструировал такие двигатели с замкнутыми якорными обмотками.

Еще один тип двигателя, который по тем же причинам может быть назван двигателем с магнитной задержкой, функционирование которого отличается от вышеописанного тем, что эффекты притяжения или фазы магнитных полюсов, отставая от фаз тока, которые их вызывают, проявляются синхронно, а не последовательно.

Для реализации этого изобретения я использую двигатель, в основу которого положен принцип, описанный в качестве формулы изобретения в моей заявке № 295745 от 8 января 1889 г.: якорь и обмотка индуктора намагничиваются единственной рабочей обмоткой или несколькими обмотками, действующими как одна.

Несколько модифицированная форма изобретенного мной двигателя представлена на прилагаемых рисунках.

Рисунок 1 — вид сбоку двигателя. Рисунок 2 — двигатель с частичным разрезом, расположен под прямым углом к рисунку 1. Рисунок 3 — вид спереди, и частичный разрез модифицированного типа, а рисунок 4 — подобный вид другой модификации.

На рисунках 1 и 2 А — основа или опора, В В — несущая рама двигателя. К ней привинчены два магнитных сердечника или полюсных наконечника СС" из железа или мягкой стали. Их можно разделить на секции или набрать из пластин, в последнем случае следует использовать пластины из твердого железа или стали, или же намотать на них замкнутую обмотку. О — якорь в форме диска из секций или пластин из железа и смонтированный внутри рамы между полюсными наконечниками СС', которые лучше сделать искривленными для их соответствия форме диска. На диске я могу расположить некоторое число замкнутых обмоток Е. ЕЕ — основные рабочие обмотки, закрепленные обычным способом опорной рамой или по-иному, но так, чтобы их магнитное поле охватывало наконечники С С' и якорь £). Наконечники С С' выступают за обмотку ЕЕ с противоположных сторон, как изображено на рисунках. Если по обмоткам ЕЕ пустить переменный ток, то якорь придет во вращение, что я объясняю следующим очевидной особенностью функционирования: импульс тока в обмотках ЕЕ устанавливает в двигателе два полюса. Выступающий конец полюсного наконечника С, например, будет иметь один знак, а соответствующий конец полюса С' — противоположный. На якоре также образуются два полюса под прямым углом к обмоткам ЕЕ: подобно полюсам на электромагните, они располагаются по тем же сторонам обмоток. Пока в них протекает ток, сколько-нибудь заметной тенденции к вращению не будет; но, когда импульс тока исчезнет или начнет ослабевать, магнитный эффект на якоре и на полюсных наконечниках СС' задержится или продолжится, что вызовет вращение якоря под действием силы отталкивания между двумя ближайшими точками максимального магнитного эффекта. Этот эффект поддерживается реверсированием тока, причем полярность обмотки возбуждения и якоря просто изменяется на противоположную. На один или оба элемента, то есть на якорь или рабочую обмотку, можно намотать замкнутые индуцированные обмотки для усиления этого эффекта, хотя на иллюстрациях я показал только одну обмотку, а в действительности каждый элемент двигателя образует обмотку возбуждения, на которой находятся обмотки с замкнутыми витками, причем токи наводятся главным образом в витках или обмотках, параллельных обмоткам /\Р. Модифицированный тип этого двигателя представлен на рисунке 3. Здесь С — одна из опор стоек, несущих подшипники для вала якоря. НН — стойки или стороны рамы, предпочтительно из ферромагнетика, концы СС' которых изогнуты для соответствия форме якоря И и образования полюсов индуктора. Конструкция якоря может быть такой же, как и на предыдущем рисунке, или же им может быть просто ферромагнитный диск или цилиндр, как показано, а обмотка или обмотки Т7/7 располагаются так, чтобы охватывать и якорь, и полюса СС'. Якорь можно снять с вала, причем последний пропускается через якорь после того, как он был установлен в надлежащем положении. Приведение в действие этого типа двигателя в принципе не отличается от описанного ранее и не нуждается в дальнейшем объяснении.

Один из наиболее важных отличительных признаков двигателей переменного тока заключается в том, что они должны быть приспособлены для эффективной работы в существующих системах переменного тока, где почти все без исключения генераторы дают ток с большим числом периодов. Подобный двигатель я получил, развивая принцип работы двигателя, изображенного на рисунке 3, и сконструировав таким образом многополюсный двигатель, представленный на рисунке 4. Для этого я использую кольцевую раму / из ферромагнетика с направленными внутрь ребрами или выступами К, концы которых согнуты в одном направлении и, как правило, имеют такую форму, чтобы соответствовать кривизне поверхности якоря. Обмотки Т7/7 наматываются от каждого элемента К к ближайшему, а концы или петли каждой обмотки или пучка провода направляются в сторону вала так, чтобы с каждой стороны якоря образовывались 11-образные группы витков. Наконечники СС', обычно концентрические с якорем, образуют реборды, вдоль которых укладывается обмотка, и должны несколько выступать за нее, как изображено. Якорь И в форме цилиндра или барабана имеет ту же конструкцию, что и в описанных ранее двигателях, и смонтирован так, чтобы вращаться внутри кольцевой рамы J и между и-образными концами или дугами обмоток Т7. Обмотки Т7 соединены параллельно или последовательно с источником переменного тока и намотаны так, что с импульсом тока заданного направления образуют переменные полюсные наконечники С одного знака и наконечники С' противоположного знака. Принцип работы этого двигателя тот же, что и у описанного выше, поскольку, если взять два произвольных наконечника СС', то импульс тока, проходящий по соединяющей их — или уложенной на обоих — обмотке, стремится установить на их концах полюса противоположного знака и установить на якорном сердечнике между ними полюса того же знака, что и полюса ближайшего наконечника С. После ослабления или прекращения импульса тока, установившего эти полюса, магнитный эффект, отстающий от соответствующей фазы тока и продолжающийся в полюсных наконечниках С С' и на якоре, из-за силы отталкивания вызывает вращение якоря. Этот эффект продолжается с каждым реверсированием тока. Что происходит с одной парой полюсных наконечников, одновременно происходит со всеми, так что импульс вращения вычисляется как сумма сил, генерированных наконечниками, как описано выше. В таком двигателе магнитная задержка или магнитный эффект также усилится, если один или оба сердечника обмотать замкнутыми обмотками. На рисунке якорный сердечник изображен именно с такой обмоткой. При использовании замкнутых обмоток сердечники должны быть набраны из отдельных пластин.

Очевидно, что для приведения в движение описанного двигателя или управления им можно использовать как пульсирующий, так и переменный ток; но я предпочитаю использовать переменный.

Разумеется, для рациональной конструкции следует учитывать число секций, массу железа в сердечниках, их размер и число периодических изменений тока, используемого для питания двигателя. Иными словами, для достижения наилучших результатов во всех таких двигателях следует придерживаться верного соотношения между числом периодических изменений и массой, размером и составом железа. Всё это легко поймет специалист в данной сфере.

Формула изобретения такова:

  1. В двигателе переменного тока сочетание сердечников якоря и индуктора, стационарных рабочих обмоток, расположенных на этих сердечниках и предназначенных создавать полюса в обоих, и сердечников индуктора, выступающих из-под обмоток и предназначенных для того, чтобы оказывать намагничивающее воздействие после ослабления или исчезновения импульса тока, вызвавшего этот ток.
  2. В двигателе переменного тока сочетание круглого якорного сердечника, опорной рамы, сердечников индуктора, продолжающих ее и выступающих над краями якоря, и рабочих обмоток, окружающих названный сердечник и части сердечников индукторов.
  3. Сочетание якоря-ротора, кольцевой рамы J, ребер К, полюсных надставок, выступающих за части якоря, и рабочих обмоток Т7, намотанных на участки полюсных наконечников и пропущенных дугой над краями якоря.

Никола Тесла.

Свидетели: Р.Дж.Стоуни Младший, Э.П. Коффин.

Н.  ТЕСЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ   № 424036    25 МАРТА 1890 Г.

Н.  ТЕСЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ   № 424036    25 МАРТА 1890 Г.

radiofanatic.ru

Импульсный электромагнитный привод | Банк патентов

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим приводам с импульсными электромагнитными двигателями возвратно-поступательного действия. Импульсный электромагнитный привод состоит из линейного электромагнитного двигателя с устройством удержания якоря, содержащего цилиндрический статор (1) с обмоткой возбуждения (2), комбинированный якорь (3), возвратную пружину (4) с предварительным поджатием, направляющий корпус (5), устройство питания (8), шунтирующий диод (9) и устройство управления (10). Устройство удержания якоря состоит из цилиндрического электромагнита с магнитопроводом (6), обмоткой удержания (7) и внешней притягивающейся дисковой части комбинированного якоря (3). Технический результат заключается в увеличении среднего тягового усилия электромагнитного двигателя, развиваемого на интервале шунтирования диодом последовательно соединенных обмоток возбуждения и удержания. 2 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электрическим приводам с импульсными электромагнитными двигателями и может быть использовано при создании электромагнитных прессов, молотов и других импульсных устройств с возвратно-поступательным движением рабочих органов.

Уровень техники

Известен электромагнитный двигатель [Патент РФ №2084071, МПК Н02K 33/02. H02F 7/16, В21J 7/30. Линейный электромагнитный двигатель/Г.Г. Угаров, В.Ю. Нейман; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН, №95110459/07; заявл. 02.06.95; опубл. 11.07.97. Бюл. №19], который содержит цилиндрический статор с размещенной внутри обмоткой возбуждения и комбинированный якорь, выполненный в форме цилиндра с дисковой частью, примыкающей к статору цилиндрический ферромагнитный направляющий корпус с меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору, подшипники скольжения и возвратную пружину. Направляющий корпус выполнен заодно с крышкой и установлен с возможностью соприкосновения с внешней дисковой частью якоря. Такая конфигурация двигателя с ферромагнитным направляющим корпусом обеспечивает удержание якоря на этапе трогания без применения отдельного устройства удержания.

Недостатком такого электромагнитного двигателя является шунтирование на этапе трогания верхнего рабочего зазора ферромагнитным направляющим корпусом, из-за чего в верхнем рабочем зазоре не происходит запасания магнитной энергии, в то время как в нижнем зазоре аналогичное запасание на этапе трогания происходит. Это снижает эффективность работы такого двигателя, обусловленную низким значением коэффициента преобразования потребляемой этим двигателем энергии источника питания в механическую энергию якоря и уменьшением развиваемого двигателем тягового усилия.

Известен электромагнитный двигатель с удержанием якоря [Патент РФ №59342U1, МПК Н02K 33/02. Линейный электромагнитный двигатель с удержанием якоря /В.И. Мошкин, К.М. Усанов, А.В. Волгин и В.А. Каргин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет», №2006127919/22; заявл. 31.07.2006; опубл. 10.12.2006. Бюл. №34], принятый за прототип. Такой линейный электромагнитный двигатель с двумя рабочими зазорами содержит цилиндрический статор с закрепленной внутри обмоткой возбуждения, комбинированный якорь, состоящий из цилиндрической и дисковой частей, возвратную пружину, неметаллический направляющий корпус и устройство удержания якоря, размещенное в крышке направляющего корпуса двигателя. Устройство удержания выполнено в виде плоского цилиндрического электромагнита с обмоткой удержания и с внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть комбинированного якоря двигателя.

Несомненным преимуществом указанных двухзазорных конструкций линейных электромагнитных двигателей с устройством удержания якоря является повышенная энергия рабочего хода (энергия удара). Якорь таких двигателей начинает движение только тогда, когда величина тока трогания обмотки возбуждения достигнет установленного значения, а возросшее начальное тяговое усилие Fн превысит усилие удержания Fуд, создаваемое устройством удержания якоря. При этом в двух рабочих зазорах, включенных по отношению к основному магнитному потоку последовательно, накапливается значительное количество магнитной энергии по сравнению с аналогичным однозазорным двигателем. В магнитной системе удерживающего электромагнита при этом также накапливается определенное количество магнитной энергии.

Недостатком прототипа является невысокая эффективность работы электромагнитного двигателя, обусловленная низким значением коэффициента преобразования потребляемой этим двигателем энергии источника питания в механическую энергию якоря и уменьшением развиваемого двигателем тягового усилия, поскольку накопленная в магнитном поле удерживающего электромагнита магнитная энергия не преобразуется в механическую энергию якоря. Кроме того, для питания обмоток удержания и возбуждения требуются либо отдельные устройства питания и управления, либо общее устройство, которое подает питание на обмотку возбуждения с временной задержкой по отношению к обмотке удерживающего электромагнита, как это выполнено, например, в устройстве для управления однообмоточным двигателем ударного действия [Патент РФ №46293U1, МПК Н02Р 7/62. Устройство для управления однообмоточным двигателем ударного действия / А.В. Волгин, К.М. Усанов, В.И. Мошкин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова», №2006127919/22; заявл. 31.07.2006; опубл. 10.12.2006. Бюл. №34], что усложняет устройство.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении коэффициента преобразования потребляемой электромагнитным приводом электрической энергии в механическую энергию якоря двигателя и в повышении эффективности работы привода с таким двигателем.

Технический результат заключается в увеличении среднего тягового усилия электромагнитного двигателя, развиваемого на интервале шунтирования диодом последовательно соединенных обмоток возбуждения и удержания, когда от источника питания нет притока энергии в магнитное поле двигателя.

Технический результат обеспечивается следующей совокупностью признаков.

Импульсный электромагнитный привод, состоящий из устройства питания и управления с шунтирующим диодом и линейного электромагнитного двигателя с устройством удержания якоря, содержащего цилиндрический статор с обмоткой возбуждения, комбинированный якорь с плоской дисковой частью, возвратную пружину, направляющий корпус, причем устройство удержания якоря выполнено в виде цилиндрического электромагнита с магнитопроводом, обмоткой удержания и внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть комбинированного якоря, отличающийся тем, что обмотка возбуждения и обмотка удержания включены последовательно и зашунтированы диодом, а возвратная пружина имеет предварительное поджатие.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, и технический результат взаимосвязаны следующим образом.

Увеличение среднего значения тягового усилия электромагнитного двигателя, развиваемого на интервале шунтирования диодом последовательно соединенных обмоток возбуждения и удержания, увеличивает коэффициент преобразования потребляемой приводом электрической энергии в механическую энергию якоря двигателя и повышает эффективность работы привода.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена схема импульсного электромагнитного привода, на фиг. 2 - временные диаграммы тока и напряжения.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть осуществлено следующим образом.

У импульсного электромагнитного привода, состоящего из устройства питания и управления с шунтирующим диодом и линейного электромагнитного двигателя с устройством удержания якоря, содержащего цилиндрический статор с обмоткой возбуждения, комбинированный якорь с плоской дисковой частью, возвратную пружину, направляющий корпус, причем устройство удержания якоря выполнено в виде цилиндрического электромагнита с магнитопроводом, обмоткой удержания и внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть комбинированного якоря, обмотка возбуждения и обмотка удержания включены последовательно и зашунтированы диодом, а возвратная пружина имеет предварительное поджатие.

Таким образом, назначение изобретения - применение его в качестве импульсного электромагнитного привода - реализуется.

Сведения, подтверждающие возможность получения при осуществлении изобретения технического результата (причинно-следственная связь существенных признаков с указанным техническим результатом), состоят в следующем.

Выполнение возвратной пружины с предварительным поджатием в исходном положении якоря приводит к соприкосновению плоской части комбинированного якоря с магнитопроводом устройства удержания. Благодаря этому при появлении и возрастании тока от источника питания через последовательно соединенные обмотки возбуждения и удержания возникает удерживающее якорь усилие, превышающее тяговое усилие. Одновременно с возрастанием тока при неподвижном якоре происходит накопление магнитной энергии Wм в рабочих зазорах электромагнитного двигателя и дополнительной магнитной энергии Wм.доп в зазорах устройства удержания якоря.

При движении якоря на интервале шунтирования диодом последовательно соединенных обмоток возбуждения и удержания, когда от источника питания уже нет притока энергии в магнитное поле рабочих зазоров двигателя, часть энергии магнитного поля Wм.доп устройства удержания при снижении тока обмотки дополнительно передается в энергию магнитного поля рабочих зазоров Wм электромагнитного двигателя, что приводит к повышению среднего значения тягового усилия F(f), пропорционального уменьшению магнитной энергии рабочего зазора при его перемещении х:

где Wм - энергия магнитного поля в рабочих зазорах электромагнитного двигателя; Wм.доп - часть энергии магнитного поля устройства удержания, дополнительно передаваемая в энергию магнитного поля рабочих зазоров;

F(t) - среднее тяговое усилие на интервале шунтирования.

Таким образом, применение возвратной пружины с предварительным поджатием, последовательное соединение обмоток возбуждения и удержания и их шунтирование диодом приводит к повышению среднего тягового усилия на интервале шунтирования.

Следовательно, совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Описание конструкции устройства.

Импульсный электромагнитный привод (фиг. 1) содержит электромагнитный двигатель с удержанием якоря, состоящий из цилиндрического статора 1 с обмоткой возбуждения 2, комбинированного якоря с плоской дисковой частью 3, возвратной пружины 4, направляющего корпуса 5. Двигатель снабжен устройством удержания якоря, выполненным в виде цилиндрического электромагнита с магнитопроводом 6, обмоткой удержания 7 и внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть 3 комбинированного якоря. Устройство удержания якоря размещено в плоской, ограниченно подвижной крышке направляющего корпуса 5. Обмотка возбуждения 2 через обмотку удержания 7 подключена к зажимам устройства питания 8. Параллельно цепи из последовательного соединения обмоток возбуждения и удержания включен диод 9 катодом в сторону положительного вывода устройства питания 8, которое включается устройством управления 10.

Импульсный электромагнитный привод работает следующим образом.

Устройство управления 10 задает длительность открытого состояния управляемого выпрямителя устройства питания 8. В момент времени t0 устройством 10 подается управляющий сигнал включения управляемого выпрямителя, через который источник питания подключается к последовательно соединенным обмоткам удержания 7 и возбуждения 2. Ток в этих обмотках при неподвижном якоре возрастает от нуля в соответствии с выражением при среднем значении выпрямленного напряжения U:

где

- электромагнитная постоянная времени цепи обмоток; Lн, R, Lуд.макс, Rуд - соответственно начальная индуктивность и сопротивление обмотки возбуждения и максимальная индуктивность и сопротивление обмотки удержания.

С ростом тока в цепи обмоток тяговое усилие верхнего Fδ.в и нижнего Fδ.н рабочих зазоров и усилие удержания Fуд начинают возрастать. Эти усилия выразим с помощью формулы Максвелла (на один зазор), согласно которой тяговое усилие F определяется магнитным потоком Ф через начальный рабочий зазор δ и площадью Sδ распределения этого потока:

где w·i(t) - МДС обмотки возбуждения;

µ0=4π·10-7Гн/м.

Усилие удержания Fуд определяется магнитным потоком Фуд через начальный воздушный зазор δв.0 (на фиг. 1 показан утолщенной линией), образованный поверхностью сопряжения ярма 6 электромагнита удержания и плоской дисковой части якоря 3, и площадью Sуд распределения этого потока:

где wуд·i(t) - МДС обмотки удержания;

δв.0 - начальный воздушный зазор, образованный поверхностью сопряжения ярма электромагнита удержания и плоской дисковой части якоря двигателя;

Sуд - площадь распределения магнитного потока электромагнита удержания.

В выражениях (1) и (2) w и wуд - числа витков обмотки возбуждения и обмотки удержания.

Так как МДС обмотки возбуждения всегда больше, чем МДС обмотки удержания, то согласно (1) и (2) с ростом тока скорость роста тягового усилия во времени будет выше скорости роста усилия удержания. Однако на этапе трогания якоря из-за разницы начальных зазоров δ и δв.0 в исходном положении за счет предварительного поджатая возвратной пружины 4 абсолютные значения усилия удержания будут пока превышать абсолютные значения тягового усилия двигателя. Это объясняется весьма значительной разницей начальных зазоров, когда в выражениях (1) и (2) их отношение δ/δв.0=100…200.

Движение якоря начнется с некоторой временной задержкой (в момент времени t1 на фиг. 2), когда возрастающее тяговое усилие двигателя превысит по величине возрастающее с меньшей интенсивностью усилие удержания якоря. Сразу после этого (в момент времени t2) по окончании управляющего сигнала устройства 10 напряжение устройства питания 8 (кривая 11 на фиг. 2) с закрытием его выпрямителя становится равным нулю, и диод 9 откроется. К моменту времени t2 ток несколько возрастет до максимального значения I2, а в магнитной системе устройства удержания якоря будет накоплена магнитная энергия:

где Wм.уд2 - энергия магнитного поля устройства удержания, соответствующая максимальному значению тока I2;

Lуд.макс - максимальная индуктивность обмотки удержания.

С момента времени t2 ток обмоток возбуждения и удержания (кривая 12 на фиг. 2) замыкается через диод, а сам контур обмоток оказывается отключенным от источника. При движении якоря рабочий зазор между статором и якорем уменьшается, и совершается механическая работа за счет расходования ранее накопленной магнитной энергии рабочих зазоров двигателя. При этом индуктивность обмотки возбуждения увеличивается, противо-ЭДС движения возрастает, а ток - уменьшается. Дополнительно на интервале t2…t3 (фиг. 2) шунтирования диодом 9 ток уменьшается из-за потерь энергии на активных сопротивлениях обмоток возбуждения и удержания

В момент времени t3 (фиг. 2) полностью выбирается зазор между якорем и статором, а ток падает до значения I3, и далее механическая энергия двигателя становится равной нулю.

При наличии последовательно соединенных и замкнутых между собой через диод обмоток возбуждения и удержания часть магнитной энергии, запасенной в магнитной системе устройства удержания к моменту времени t2, при уменьшении тока от I2 до I3 на интервале шунтирования диодом, перераспределяется в дополнительную энергию магнитного поля рабочих зазоров двигателя, а затем преобразуется в дополнительную механическую энергию.

Тогда выражение дополнительной магнитной энергии для конечного состояния, соответствующего моменту времени t3 на фиг. 2, примет вид:

где Lуд.мин - минимальная индуктивность обмотки удержания, соответствующая конечному положению якоря. Эта дополнительная энергия повышает среднее тяговое усилие электромагнитного двигателя на интервале шунтирования диодом обмоток возбуждения и удержания.

Выполнено математическое моделирование магнитной системы импульсного линейного электромагнитного двигателя с устройством удержания якоря. На основе проведенного численного эксперимента определены запасы магнитной энергии в магнитных системах устройства удержания якоря и двигателя типа ПЭМ-1,0 с известными геометрическими параметрами [Математическое моделирование импульсных линейных электромагнитных двигателей. / В.И. Мошкин, Г.Г. Угаров, Д.Н. Шестаков, С.Ю. Помялов. Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2014. Том. 2. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2014. - С. 348-352]. При использовании магнитной энергии устройства удержания якоря расчеты для такого среднеходового электромагнитного двигателя показали возможность увеличения его механической работы на 1…1,5%, а для короткоходового двигателя - на 4…6%.

Таким образом, в преобразовании энергии магнитного поля в механическую энергию, участвует больше энергии, чем ее запасено к моменту t2 в магнитном поле рабочих зазоров двигателя, у которого обмотка удержания запитана от отдельного источника, на величину энергии Wм.доп.

Для достижения технического результата важно, чтобы на интервале шунтирования диодом t2…t3 (фиг. 2) при движении якоря магнитная энергия, запасенная в магнитном поле устройства удержания, не рассеивалась значительно на активном сопротивлении обмотки удержания. Для этого электромагнитную постоянную времени этой обмотки необходимо увеличивать за счет, например, выполнения обмотки удержания проводом большего сечения.

Запасти магнитную энергию и затем передать ее рассмотренным выше способом в магнитное поле рабочих зазоров возможно и с помощью дросселя, конструктивно не связанного с электромагнитным двигателем. Однако лишь использование в конструкции двигателя встроенного в него устройства удержания якоря позволит накопить в рабочих зазорах двигателя значительное количество магнитной энергии. Без устройства удержания якоря накопить значительное количество магнитной энергии WM возможно лишь с помощью подачи на обмотки повышенного в несколько раз (форсированного) напряжения. Однако при этом существенно возрастут потери в магнитопроводе от вихревых токов и снизится коэффициент преобразования потребляемой двигателем энергии источника питания в механическую энергию якоря. В предлагаемом изобретении роль дросселя органично выполняет устройство удержания якоря, встроенное в конструкцию.

Включение обмотки удержания последовательно с обмоткой возбуждения позволит за счет роста интервала времени t0…t2 (фиг. 2) накопить в магнитных системах двигателя и устройства удержания необходимое количество магнитной энергии при сравнительно невысоком напряжении источника питания, не прибегая к режиму форсированного питания, вызывающему значительный рост потерь от вихревых токов в магнитопроводах двигателя и устройства удержания якоря.

Кроме того, по сравнению с прототипом, в предлагаемом изобретении имеется возможность уменьшить площадь окна под обмотку 2 в расточке статора 1. При этом значение плотности тока в обмотке возбуждения увеличится, возрастут потери на ее активном сопротивлении, но они будут скомпенсированы притоком энергии в магнитное поле рабочих зазоров из магнитного поля устройства удержания. Уменьшение площади окна обмотки возбуждения при заданных габаритных размерах двигателя позволит увеличить поверхность полюса статора и за счет этого увеличить тяговое усилие дополнительно к описанному выше эффекту преобразования магнитной энергии устройства удержания в энергию магнитного поля рабочих зазоров двигателя.

Формула изобретения

Импульсный электромагнитный привод, состоящий из устройства питания и управления с шунтирующим диодом и линейного электромагнитного двигателя с устройством удержания якоря, содержащего цилиндрический статор с обмоткой возбуждения, комбинированный якорь с плоской дисковой частью, возвратную пружину, направляющий корпус, причем устройство удержания якоря выполнено в виде цилиндрического электромагнита с магнитопроводом, обмоткой удержания и внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть комбинированного якоря, отличающийся тем, что обмотка возбуждения и обмотка удержания включены последовательно и зашунтированы диодом, а возвратная пружина имеет предварительное поджатие.

bankpatentov.ru