ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ВИБРОДВИГАТЕЛЬ
LINEAR ELECTROMAGNETIC VIBRATION MOTOR

Изобретение относится к области линейных электромагнитных двигателей, якорь которых совершает возвратно поступательное движение, и может быть использовано при конструировании привода (вибропривода, вибратора) концентрационных желобов, применяемых для классификации порошковых материалов по плотности.
Известен линейный электродвигатель (CN100505482 C от 10.07.2004, H02K-033/02, H02K-041/02), имеющий ферромагнитный статор с кольцевым зазором, внутри которого совершает возвратно поступательное движение катушка с переменным током и жёстко связанный с ней приводной вал двигателя, ограниченные в своем прямом и обратном ходе возвратными пружинами. Недостатком данного линейного электродвигателя является малая мощность, вследствие ограниченных габаритами размеров катушки и малая амплитуда перемещения приводного вала, Кроме того, недостатком данного двигателя, в части привода вибрационных классификаторов порошковых материалов по плотности, является незначительный перепад отрицательных ускорений при торможении приводного вала на прямом и обратном ходе.
Известен также вибрационный линейный привод (EP1684402 B1 от 19.01.2005, A61C-017/00, A61C-017/22, A61C-017/32, A61C-017/34, A61H-013/00, H02K-033/00, H02K-033/02, H02K-033/04, H02K-033/16, H02K-033/18), состоящий из статора с жёстко закреплённой на нем катушкой с переменным током, составного якоря, совершающего возвратно поступательные движения, содержащего ферромагнитный цилиндр и приводной вал, которые связанны между собой и со статором возвратными пружинами. Недостатками данного привода является малая амплитуда перемещения приводного вала и незначительный перепад отрицательных ускорений на прямом и обратном ходе якоря.
Наиболее близким по конструктивным особенностям к заявляемому линейному электромагнитному вибродвигателю является линейный электромагнитный двигатель, описанный в патенте RU2084071 от 10.07.1997, B21J-007/30, H01F-007/16, H02K-033/02. Данный линейный электромагнитный двигатель выбран за прототип, содержащий статор с размещённой в нём катушкой и якорем, выполненным в форме цилиндрической и дисковой частей, примыкающий к статору направляющий корпус, подшипники скольжения, возвратную пружину и регулировочную шайбу. К недостаткам указанного линейного электромагнитного двигателя, в части его использования в качестве вибропривода концентрационных желобов является малый перепад отрицательных ускорений при торможении якоря на прямом и обратном ходе и значительная энергия удара дисковой части якоря о направляющий корпус при возврате сжатой пружины в исходное положение.
Технической задачей является создание линейного электромагнитного вибродвигателя с увеличенным ресурсом эксплуатации, применение которого обеспечивает эффективное движение частиц порошкового материала высокой плотности, находящимся на концентрационном жёлобе, жёстко связанным с якорем линейного электромагнитного вибродвигателя, за счёт сил инерции в направлении обратного хода якоря после его резкого торможения, обеспечивает качественное разделение частиц по плотности.
Технический результат выражается в увеличении перепада отрицательных ускорений при торможении якоря на прямом и обратном ходе, при одновременном снижении энергии удара дисковой части якоря о направляющий корпус и уменьшении дребезжания якоря в момент его остановки при возврате сжатой пружины в исходное состояние.
Технический результат достигается тем, что в известном линейном электромагнитном двигателе, содержащем статор с размещённой в нём катушкой и якорем, выполненным в форме цилиндрической и дисковой частей, примыкающий к статору направляющий корпус, подшипники скольжения, возвратную пружину и регулировочную шайбу, якорь выполнен немагнитным с цилиндрической частью в виде трубки с перегородкой, внутри которой расположен подвижный шток из ферромагнитного материала.
Конструкция заявляемого линейного электромагнитного двигателя представлена на фиг. 1 в разрезе с видом сверху на момент запуска: статор 1 из термостойкого немагнитного конструкционного материала; катушка 2; якорь 3, выполненный из немагнитного материала, имеющий цилиндрическую часть 4, представляющую собой трубку с внутренней перегородкой 5, и дисковую часть 6; подвижный шток 7 из ферромагнитного материала, находящийся внутри цилиндрической части 4 якоря 3, L - длина хода подвижного штока 7; направляющий корпус 8 из конструкционной стали; подшипники скольжения 9, 10, 11 из материала с минимальным коэффициентом трения о металл; возвратная пружина 12; регулировочная шайба 13, обеспечивающая подгонку направляющего корпуса 8 под длину возвратной пружины 12.
уд
шт
тр
як
шт
тр
як
шт
уд
уд
як
шт
уд
як
тр
2
2
2
Заявляемый линейный электромагнитный вибродвигатель работает следующим образом. При подаче импульса тока на катушку 2 подвижный шток 7 из ферромагнитного материала, конец которого находится на уровне входного отверстия катушки 2, начинает своё движение внутри трубки цилиндрической части 4 якоря 3 за счёт взаимодействия с магнитным полем катушки 2. По причине небольшой силы трения подвижного штока 7 из ферромагнитного материала о внутреннюю стенку трубки цилиндрической части 4, якорь 3 начинает двигаться в направлении возвратной пружины 12, обеспечивая её предварительное сжатие. После достижения подвижным штоком 7 из ферромагнитного материала перегородки 5 создаётся основное усилие на якорь 3 со стороны магнитного поля катушки 2, обеспечивая полное сжатие пружины 12. Так как сжатие пружины 12 осуществляется в два этапа, общее время на сжатие увеличивается, что существенно снижает отрицательное ускорение при торможении на прямом ходе якоря 3. После завершения импульса тока через  катушку 2 пружина 12 возвращает якорь 3 в исходное положение до удара его дисковой части 6 о стенку направляющего корпуса 8 с силой F.  В момент удара подвижный шток 7 из ферромагнитного материала массой m продолжает движение относительно цилиндрической части 4 якоря 3 за счёт силы инерции с начальной скоростью V, удерживая дисковую часть 6 якоря 3 на стенке направляющего корпуса 8 от отскока назад за счёт силы трения F. При этом, энергия удара якоря 3 общей массой m о стенку направляющего корпуса 8 уменьшается, за счёт продолжающегося движения подвижного штока 7 из ферромагнитного материала, на величину mхV/2 = FхL и становится равной (m хV/2 - mхV/2). Здесь L – максимальная длина хода подвижного штока 7 из ферромагнитного материала в цилиндрической части 4 якоря 3 после его удара о стенку направляющего корпуса 8. Одновременно, в момент удара якоря 3 о стенку направляющего корпуса 8 увеличивается его отрицательное ускорение при торможении, за счёт практически полного исключения массы подвижного штока 7 из ферромагнитного материала из общей массы якоря 3 при сохранении силы удара F. В этом случае отрицательное ускорение будет равно F/( m- m), а не F/m, если бы шток 7 из ферромагнитного материала был неподвижен относительно цилиндрической части 4 якоря 3. Максимальная длина хода L подвижного штока 7 из ферромагнитного материала в цилиндрической части 4 якоря 3 определяется силой трения F и ограничивается скважностью подаваемых импульсов тока на катушку 2. На величину прироста перепада отрицательных ускорений при торможении якоря 3 и снижения энергии удара якоря 3 о направляющий корпус 8 влияет также присоединенная к якорю 3 масса концентрационного жёлоба (не показан).
2
2
2
2
Вариант заявляемого линейного электромагнитного вибродвигателя был изготовлен в Региональном центре коллективного пользования Томского государственного университета (ТРЦКП) и применён в качестве вибропривода концентрационного жёлоба при реализации способа классификации частиц порошкового материала по плотности, описанного в патенте RU2764420 от 17.01.2022. Достигнут перепад отрицательных ускорений при торможении на прямом и обратном ходе якоря 3 с присоединённой массой жёлоба 5 кг, с 0,15 м/с до 190 м/с , в то время как с жёстко зафиксированным штоком 7 из ферромагнитного материала в цилиндрической части 4 якоря 3 этот перепад составляет 0.6 м/с и 168 м/с. Энергия удара якоря 3 о направляющий корпус 8 была уменьшена на 11%. При этом, дребезжание якоря 3 в момент торможения на обратном ходе полностью отсутствовал.