ЛИНЕЙНАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
LINEAR MAGNETOELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводам возвратно-поступательного движения и может быть использовано в составе электрического привода поршневого компрессора.
Поршневые компрессоры выпускаются в широком ассортименте на большой диапазон мощностей и перемещений поршня. По физической природе создания усилия поршневые компрессоры бывают  пневматического, гидравлического, электромагнитного и магнитоэлектрического типа. Использование поршневых компрессоров  первых двух типов сопряжено с необходимостью размещения в непосредственной близости дополнительных гидравлических или пневматических систем, обладающих известными недостатками. Применение электромагнитных поршневых компрессоров связано с трудностью обеспечения заданного закона движения подвижной части и точного значения заданного электромагнитного усилия. В связи с этим задача разработки поршневых компрессоров магнитоэлектрического типа для систем требующих задание закона движения поршня и значительного электромагнитного усилия является актуальной. В связи с этим особый интерес представляют поршневые компрессоры с ходом поршня более 100 мм при значительном максимальном электромагнитном усилии выше 2000 Н.
Известен электромеханический привод, содержащий статор в виде пустотелого броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой возбуждения, а также якорь, состоящий из пары встречно ориентированных по отношению друг к другу полюсов постоянных магнитов, разделенных ферромагнитной вставкой, сердечник статора выполнен в виде пустотелого кольца с радиальной прорезью, обмотка возбуждения изготовлена в виде соленоида, соосного с сердечником статора, постоянные магниты и вставка выполнены в виде шайб и неподвижно закреплены на штоке, шток установлен в упругих опорах с возможностью осевого перемещения при этом ферромагнитная вставка расположена симметрично относительно полюсов наконечников сердечника статора [Патент RU №96109989, опубл. 27.11.97].
Известен электромеханический привод магнитоэлектрического типа, который содержит неподвижный статор в виде броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой возбуждения, подвижный якорь образован парой разделенных ферромагнитной вставкой встречно ориентированных полюсов постоянных магнитов, сердечник изготовлен в виде кольца, постоянные магниты на якоре закреплены на штоке, проходящем сквозь отверстие кольца сердечника и установленных в корпус двух пружин мембранного типа при симметричном расположении постоянныхмагнитов относительно полюсных наконечников сердечника [Патент RU №2098909, опубл. 10.12.97].
Наиболее близким к заявленной полезной модели является электромеханический привод магнитоэлектрического типа, содержащий неподвижный статор в виде броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой в нем, подвижный якорь с постоянными магнитами, в котором подвижный якорь образован пятью неферромагнитными рейками, соединенными скобами в виде трубы и выполненными из немагнитной стали, а постоянные магниты на якоре расположены по обе стороны между неферромагнитными рейками подвижного якоря и выполнены в виде отдельных радиально намагниченных сегментов [Патент RU №34287, опубл. 27.11.2003].
Недостатком приведенных конструкций магнитоэлектрического привода возвратно-поступательного движения является трудоемкость получения максимального электромагнитного усилия при создании ступеней поршневых компрессоров с рабочим давлением от 0,5 МПа при диаметре поршня до 100 мм и ходе поршня более 100 мм.
Указанный недостаток в предложенных конструкциях привода связан с использованием ферромагнитной вставки, разделяющей магнитный поток постоянных магнитов и тем самым уменьшающий максимальное значение электромагнитного усилия, а также ограничивающий перемещение якоря, а следовательно ход поршня компрессора.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание общего магнитного потока замыкающегося по внешнему и внутреннему магнитопроводу позволяющего повысить электромагнитное усилие при увеличении рабочего хода якоря. Предлагаемое изобретение представляет собой тихоходную длинноходовую линейную магнитоэлектрическую машину высокого давления.
Конструкция предлагаемой линейной магнитоэлектрической машины представлена на Фиг.1
Расчет магнитостатического поля и электромагнитного усилия линейной магнитоэлектрической машины в комплексе программ ELCUT(профессиональная версия) представлен на Фиг. 2.
Предлагаемая конструкция магнитоэлектрической машины, используемой в качестве привода, содержит неподвижный статор 1 в виде броневого сердечника, образованного ферромагнитными плитами 2, соединенными между собой болтовым соединением 3, внутри статора 1 расположены две обмотки4, каждая из которых состоит из n катушек 5, n - целое, не нулевое число, причем обмотки с одной стороны упираются в ограничительные упорные кольца 6, подвижный ферромагнитный якорь 7 изготовлен прямоугольного сечения, на гранях которого любым способом закреплены m постоянных магнитов 8 призматической формы, m - четное, целое не нулевое число, причем постоянные магниты 8 могут быть объединены в группы, образуя составной полюс, и на каждой грани якоря 7 обращены к катушкам одноименными полюсами, таким образом, чтобы общий магнитный поток постоянных магнитов 8замыкался по статору 1 и якорю 7,между постоянными магнитами 8, образующими одну пару полюсов по отношению к катушкам 4, соединенных последовательно встречно друг с другом, максимальное расстояние хода якоря 7 определяется в виде суммы длины одноименного полюса, образованного одним или несколькими постоянными магнитами, и общей длины параллельно соединенных катушек 4 в виде обмотки, обращенной к одноименному полюсу, с двух сторон неподвижного статора 1 закреплены две крышки 9, в которых установлены подшипники скольжения или качения 10, по которым перемещается якорь 6, крышки связаны между собой шпильками 11.
2
2
2
Для предлагаемой конструкции количество катушек  n=8 (по четыре катушки соединенных последовательно или параллельно, обращенных к одноименному полюсу), количество постоянных магнитов m=16 (по восемь постоянных магнитов, закрепленных с каждой стороны ферромагнитного сердечника якоря на гранях одноименными полюсами). Причем на каждой грани два постоянных магнита образуют составной полюс. Катушки в количестве четырех штук соединены последовательно или параллельно и образуют одну обмотку. Параллельное соединение катушек позволяет уменьшить электрическое сопротивление, однако, может быть предусмотрено и последовательное соединение катушек одной обмотки, в этом случае обеспечивается равенство тока во всех катушках. Постоянные магниты расположены на гранях якоря прямоугольного сечения по два на каждой грани, таким образом, что восемь постоянных магнитов находятся в зоне одной обмотки, образуя одну группу постоянных магнитов, а другие восемь постоянных магнитов находятся в зоне другой обмотки. Группы постоянных магнитов обращены к обмоткам разными полюсами. Расстояние между группами постоянных магнитов равно 200 мм и составляет ход якоря. Постоянные магниты выполнены призматической формы 100х50х10 мм. Геометрическое сечение каждой обмотки 400х20 мм, при этом каждая катушка имеет сечение 100х20мм. Количество витков каждой катушки равно 500. В соответствии с расчетами, при плотности тока в обмотках 4А/мммаксимальное электромагнитное усилие, обусловленное взаимодействием постоянных магнитов и обмоток с током составляетне менее 2 000 Н (Фиг.2). В зависимости от технического задания для привода поршневого компрессора конкретного назначения указанные параметры могут быть изменены.
Принцип работы линейной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме основан на взаимодействии магнитного поля создаваемого постоянными магнитами и током, протекающим по виткам обмоток. При подключении источника электропитания через устройство управления (на Фиг. не показаны) к обмоткам 4 по ним протекает электрический ток, причем каждая группа катушек, соединенных последовательно или параллельно, встречается с другой группой катушек встречно последовательно или параллельно, таким образом, каждая обмотка, состоящая из четырех последовательно или параллельно соединенных катушек при прохождении тока взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к возникновению электромагнитной силы, действующей на якорь 7. Так как постоянные магниты 8 закреплены на подвижном якоре 7, якорь 7 приходит в движение в направлении действия силы, перемещаясь до тех пор, пока постоянные магниты 8, обращенные одним полюсом к обмотке находятся в зоне ее действия. При изменении направления тока в обмотках, происходит изменение направления электромагнитной силы и, как следствие, изменение направления движения якоря 7. Движущийся якорь 7 может быть присоединен к штоку поршневого компрессора (на Фиг. не показано) и таким образом, линейная магнитоэлектрическая машина в двигательном режиме представляет собой электромеханический преобразователь, рабочим органом которого является шток поршневого компрессора, а сам цилиндр компрессора рабочей машиной.
Линейная магнитоэлектрическая машина может находиться в генераторном режиме. В этом случае электропитание от устройства управления на обмотку линейной магнитоэлектрической машины не подается, а работу по перемещению якоря выполняет газ рабочей машины, при нагнетании газа в цилиндр компрессора, шток приходит в движение и перемещает, связанный с ним якорь линейной магнитоэлектрической машины, при этом постоянные магниты, движущиеся в области катушки, в соответствии с законом электромагнитной индукции создают в них электродвижущую силу. Электрическая энергия полученная, таким образом, может быть возвращена через устройство управления (на Фиг. не показана) в электрическую сеть или накапливаться в аккумуляторной батарее (на Фиг. не показано).
Таким образом, предложенная конструкция длинноходовой линейной магнитоэлектрической машины позволяет увеличить электромагнитное усилие, обеспечивающее высокое давление в поршневых компрессорных ступенях.