Линейный электромагнитный ускоритель ферромагнитных цилиндрических тел
LINEAR ELECTROMAGNETIC ACCELERATOR OF FERROMAGNETIC CYLINDRICAL BODIES

Изобретение относится к линейным электромагнитным ускорителям ферромагнитных тел посредством электромагнитного поля и может быть применено для перемещения заготовок в средствах технологического оснащения.
Известны различные линейные ускорители ферромагнитных тел [1], [2], [3].
По патенту [1] многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа содержит ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем катушками тяговых соленоидов, имеющими внешние магнитопроводы и средства коммутации цепей питания по сигналам датчиков положения снаряда. Цилиндрический снаряд содержит углубления в виде продольных канавок, внутреннее отверстие в магнитопроводах выполнены с выемками, расположенными противоположно углублениям в снаряде, выемки в магнитопроводах соседних катушек расположены с относительным угловым смещением в несколько градусов. Использование данного изобретения позволяет обеспечить стабилизирующее вращение снаряда с линейным ускорением. Недостатком известного изобретения является отсутствие возможности прогнозируемого регулирования скорости метаемого снаряда заданной массы, по средствам изменения таких параметров как начальный ток цепи, начальное расстояние от центра метаемого тела до центра катушки соленоида и емкость конденсаторного источника энергии, что в свою очередь уменьшает точность подбора данных параметров, а следовательно и ведет к уменьшению эффективности преобразования электромагнитной энергии соленоида в кинетическую энергию метаемого тела.
В устройстве по патенту [2] многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа содержит ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол, с соосно закрепленными на нем тяговыми соленоидами, датчик линейного ускорения ствола, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии. Поочередно переключение соленоидов происходит при точном расположении снаряда внутри каждого соленоида. Информацией для определения положения снаряда является сигнал о мгновенном уровне отдачи, посыпающий в управляющее устройство от датчика линейного ускорения ствола. Использование данного изобретения повышает эффективность использования всей длины ствола и помехозащищенность конструкции. Недостатком известного изобретения является отсутствие возможности прогнозируемого регулирования скорости метаемого снаряда заданной массы, путем изменения таких параметров как начальный ток цепи, начальное расстояние от центра метаемого тела до центра катушки соленоида и емкость конденсаторного источника энергии, что в свою очередь уменьшает точность подбора данных параметров, а, следовательно, ведет к уменьшению эффективности преобразования электромагнитной энергии соленоида в кинетическую энергию метаемого тела.
В устройстве, реализуемом по патенту [3] многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель содержит ферромагнитное метаемое тело с возможностью его скольжения по внутренней поверхности цилиндрического немагнитного ствола, последовательно расположенные на немагнитном стволе с постоянным шагом и соосно закрепленные катушки тяговых соленоидов и датчики положения метаемого тела. Ускоритель также содержит средства коммутации катушек тяговых соленоидов с управляющим ими устройством и конденсаторный источник энергии. Использование данного изобретения позволяет повысить эффективность использования всей длины цилиндрического немагнитного ствола, увеличить конечную скорость метаемого тела на выходе из ускорителя, снизить требования к точности подачи сигнала управляющего устройства средствами коммутации при отключении катушек. Недостатком известного изобретения также является отсутствие возможности прогнозируемого регулирования скорости метаемого снаряда заданной массы, посредством изменения таких параметров как начальный ток цепи, начальное расстояние от центра метаемого тела до центра катушки соленоида и емкость конденсаторного источника энергии, что в свою очередь уменьшает точность подбора данных параметров, следовательно, ведет к уменьшению эффективности преобразования электромагнитной энергии соленоида в кинетическую энергию метаемого тела.
Наиболее близким аналогом по технической сути к заявленному линейному электромагнитному ускорителю является [3]. Ключевым недостатком технического решения является невозможность расчета скорости транспортирования объекта (детали, заготовки и т.п.), что ограничивает возможность применения устройства при транспортировке объектов производства. Данное техническое решение принимается в качестве прототипа.
Предельная минимальная скорость транспортирования обусловлена превышением исходной скорости, обеспечивающей доставку заготовки (детали) на требуемое расстояние. Это условие определяется конструкцией технологической оснастки в которую встраивается устройство, может колебаться в значительных пределах в зависимости от назначения и задается техническим заданием на технологическую оснастку. Предлагаемая зависимость позволяет определить достаточность исходной скорости перемещения заготовки для выполнения условий технического задания.
Максимальная скорость при перемещении подобных объектов ограничена возможностью их повреждения при контакте с элементами приемных устройств или между собой. Она зависит от прочности транспортируемых объектов, физико-механических свойств их материала, требований к качеству поверхности и указывается в техническом задании исходя из допустимых воздействий на транспортируемый объект. Авторы не затрагивают этого вопроса. Однако, предлагаемая зависимость может использоваться для определения максимальной начальной скорости, как исходных данных для расчета скорости контакта деталей с элементами приемных устройств или между собой.
Преимуществом предлагаемого решения является возможность расчета скорости перемещения в зависимости от параметров объекта (детали, заготовки и т.п.) и назначение параметров электромагнитного привода, обеспечивающих ограничение этой скорости.
Технический результат достигается путем прогнозируемого регулирования скорости перемещаемой детали исходя из технических условий поставленной задачи, посредством подбора таких параметров как начальная сила тока катушки, начальное расстояние от центра перемещаемого тела до центра катушки и емкость конденсаторного источника энергии, что позволит увеличить эффективность преобразования электромагнитной энергии катушки в кинетическую энергию метаемого тела.
Исходя из формулы Максвелла [4], второго закона Ньютона и считая разгон детали (заготовки) равноускоренным [5] , получим формулы для необходимых силы воздействия на заготовку и ускорения:
F
B
S
2
где  - электромагнитная сила, Н;  - индукция катушки, Тл;  - площадь поперечного сечения перемещаемой детали (заготовки), м;  - магнитная постоянна (=) Гн/м.
a
k
k
F
2
где  - ускорение, м/с;  - коэффициент единиц измерения (=1 - для Н),  - сила, Н; масса, кг.
t
где  - скорость в момент времени , м/с;  - скорость в момент начала отсчета времени, м/с.
k=
Исходя из вышеперечисленных формул, при условии начальной скорости , и коэфициенте 0
Формула магнитного поля на оси кругового тока [6], с учетом наличия сердечника на оси кругового тока с магнитной проницаемостью μ:
μ
I
RLC
r
Z
где  - магнитной проницаемостью перемещаемой детали, Гн/м;  - сила тока в катушке ( контуре), А;  - радиус среднего витка катушки, м;  - начальное расстояние от центра перемещаемой детали до цента катушки, м.
RLC
Формула силы тока в  контуре [7]:
dq
dt
где  - величина изменения заряда конденсатора (Кл) за время  (с).
RLC
Формула изменения заряда конденсатора в  контуре [7]:
q
e
β
t
ϕ
где  - величина заряда конденсатора в текущий момент времени, Кл;  - основание натурального логарифма (число Эйлера), 2,72;  - коэффициент затухания колебаний;  - время изменения заряда, с;  - частота затухающих колебаний, Гц;   - начальная фаза колебаний, рад.
Коэффициент затухания колебаний определяется по формуле:
R
L
где  - сопротивление электрической цепи катушки, Ом;  - индуктивность обмотки катушки, Гн.
Частота затухающих колебаний определяется по формуле:
ω
0
где  - частота собственных незатухающих колебаний, Гц.
Приняв во внимание, что движение тела равноускоренно, а процесс разгона перемещаемой детали (заготовки) осуществляется до середины длины катушки, тогда:
l
где  - длина катушки, м.
ϕ=
После подстановок в формулу Максвелла и преобразований, а также учитывая, что значение начальной фазы колебаний 0, получаем:
m
S
C
Z
C
U,
m
S
Поставленная задача достигается тем, что в линейном электромагнитном ускорителе для перемещения ферромагнитных цилиндрических деталей (заготовок) массой  и площадью поперечного сечения , имеющем источник питания, состоящий из конденсаторной батареи емкостью  и узла регулирования заряда по средством измерения емкости конденсаторной батареи и напряжения заряда, включающем цилиндрическую трубу из немагнитного материала ось которой совпадает с осью перемещаемой детали (заготовки), а диаметр обеспечивает зазор, для прохождения детали (заготовки) по трубке, причем снаружи на трубке расположена катушка с датчиком положения тела в среднем сечении катушки, который соединен с управляющим устройством и конденсаторным источником энергии катушки, начальное расстояние от центра перемещаемой детали до центра катушки , начальная сила тока цепи катушки  и емкость конденсаторного источника энергии  связаны с требуемой скоростью  массой  и площадью сечения  тела следующим условием:
m
где  - масса перемещаемой детали (заготовки), кг;
S
2
- площадь поперечного сечения детали, м;
U
-требуемая скорость перемещения детали тела, м/с;
- магнитная проницаемость материала перемещаемой детали, Гн/м;
R
- сопротивление электрической цепи катушки, Ом;
L
- индуктивность катушки, Гн;
l
- длина катушки, м;
r
- радиус среднего витка катушки, м;
Z
- начальное расстояние от центра перемещаемой детали до центра катушки, м;
- начальная сила тока катушки, А;
C
- емкость конденсаторного источника энергии, Ф.
- магнитная постоянная,  Гн/м;
e
- основание натурального логарифма (число Эйлера), 2,72.
m
U
S
R
l
L
r
Z
C
Исходя из условий технической задачи: массы перемещаемой детали (заготовки) , необходимой скорости перемещаемой детали , площади поперечного сечения перемещаемой детали , сопротивления электрической цепи катушки , длины катушки , индуктивности катушки , радиус среднего витка обмотки катушки , магнитной проницаемости перемещаемой детали , определяются регулируемые параметры: начальное расстояние от центра перемещаемой детали до центра катушки , начальная сила тока катушки  и емкость конденсаторного источника энергии .
U
S
R
L
r
Скорости перемещаемой детали  определяется из технического задания. Площадь поперечного сечения перемещаемой детали (заготовки) цилиндрической формы  определяется по известной формуле. Сопротивления электрической цепи катушки  определяется как сумма сопротивлений катушки, средств коммутации, эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторного источника энергии и соединяющих проводников. Индуктивности катушки  определяется из ее конструктивных параметров по известной формуле. Радиус среднего витка обмотки катушки  определяется как четверть суммы внутреннего и внешнего диаметров катушки. Магнитная проницаемость метаемого тела  определяется по известной формуле, исходя из материала перемещаемой детали (заготовки).
На фиг. приведена схема расположения основных элементов конструкции линейного электромагнитного ускорителя деталей в технологической оснастке и его функциональная электрическая схема.
Линейный электромагнитный ускоритель деталей (заготовки) в технологической оснастке (фиг. ) содержит перемещаемую деталь (заготовку) 1, расположенную соосно цилиндрической немагнитной трубки 2, с необходимым зазором, обеспечивающим беспрепятственного прохождения перемещаемой детали (заготовки) 1 по трубке 2. На внешней поверхности немагнитной трубки 2 расположена катушка 3, так чтобы ее центр совпадал с расположением датчиков положения перемещаемой детали (заготовки) 4, расположенных в пазах немагнитной трубки 2. Датчик положения перемещаемой детали (заготовки) 4 соединен с управляющим устройством 5, к которому также подключены средства коммутации катушки 6 и конденсаторный источник энергии 7.
Z
C
После задания начального расстояние от центра перемещаемой детали (заготовки) до центра катушки , начальной силы тока катушки  и емкость конденсаторного источника энергии , управляющее устройство 5 подает электрический заряд с конденсаторного источника энергии 7, при помощи средств коммутации 6, на катушку 3. Перемещаемая деталь (заготовка) 1 приводится в движение и по достижении центра катушки срабатывает датчик расположения перемещаемой детали (заготовка) 4, средством коммутации 6 размыкается цепь, что позволяет избежать тормозного эффекта за счет обратного втягивания перемещаемой детали (заготовка) 1 катушкой 3 при прохождении центра катушки 3.
Z
C
Новым признаком изобретения является возможность точного прогнозирования скорости перемещаемой детали (заготовка) исходя из вышеописанного условия, посредством регулирования таких параметров как начальное расстояние от центра перемещаемой детали до центра катушки , начальная сила тока катушки  и емкость конденсаторного источника энергии .
Z
C
Применение предложенного технического решения позволяет повысить точность определения таких параметров как, начальное расстояние от центра перемещаемой детали (заготовка) до центра катушки , начальная сила тока катушки  и емкость конденсаторного источника энергии  и позволит увеличить эффективности преобразования электромагнитной энергии катушки в кинетическую энергию метаемого тела.
m=
l=
d
S
U
6
l
L
r
R
e
2
Пример. Для перемещения цилиндрической детали изготовленной из стали 40, массой 0,061 кг, длиной 100 мм,=10 мм площадью поперечного сечения =0,0000785 м необходимо разогнать ее до скорости не менее = м/с. Имеется катушка, внешний диаметр которой 0,045 м и внутренним диаметром 0,014 м, длиной =0,22 м, диаметр провода катушки 1 мм, число витков в катушки - 2032, индуктивность =0,0012928 Гн и радиусом среднего витка катушки =14,75 мм. Общее сопротивление цепи катушки =7,75 Ом, магнитная проницаемость перемещаемого тела в данном случае =7500 Гн/м, основание натурального логарифма =2,72, магнитная постоянная = Гн/м.
Измерение фактической скорости проводилось методом видеофиксации.
Z
C
Методом подбора значений начального расстояния от центра перемещаемой детали до центра катушки , начальной силы тока катушки  и емкости конденсаторного источника энергии  и подстановкой в вышеупомянутое условие добиваются его соблюдения.
Z
C
В данном случае, при начальном расстоянии от центра перемещаемой детали до центра катушки =0,163 м , начальной силы тока цепи =34 А и емкости конденсаторного источника энергии =0,002 Ф условие соблюдается:
.
Z
Z
При изменении расстояния от центра перемещаемой детали до центра катушки , например при =0,165 получаем:
.
Условие не соблюдается, в результате фактическая скорость перемещения детали ниже значение скорости заданной условием на 0,19 м/с.
I
I
0
0
При изменении начальной силы тока катушки , например при =33 А, получаем:
.
Условие не соблюдается, в результате фактическая скорость перемещения детали ниже значение скорости заданной условием на 0,12 м/с.
m=
l=
S
U
2
В результате задача перемещения цилиндрической детали изготовленного из стали 40, диаметром 10 мм, массой 0,061 кг, длиной 0,1 м, площадью поперечного сечения =0,0000785 м со скоростью =6,24 м/с считается решенной.
Z
C
По сравнению с прототипом, удалось повысить эффективность преобразования электромагнитной энергии катушки в кинетическую энергию перемещаемой детали (заготовки), путем подбора значений начального расстояния от центра перемещаемой детали до центра катушки , начальной силы тока цепи катушки  и емкости конденсаторного источника энергии  с учетом соблюдения вышеупомянутого условия.
Источники информации, принятые во внимание
1. Патент РФ № 2258885 С1. Электромагнитный ускоритель с вращением снаряда / Е.В. Васильев // Опубл. 20.08.2005 в БИ №23.
2. Патент РФ № 2331033 С1. Многоступенчатый электромагнитный ускоритель с датчиком ускорения / Е.В. Васильев // Опубл. 10.08.2008 в БИ №22.
3. Патент РФ № 2735510 С1. Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель / В.Ю. Нейман, Л.А. Нейман // Опубл. 03.11.2020 в БИ №31.
4. А.Г. Сливинская, «Электромагниты и постоянные магниты». Учебное пособие для студентов вузов. - М., «Энергия», 1972., 248 с. с ил.
5. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич, «Справочник по элементарной физике». - М., 1964., 248 с. с ил.
6. И.Е. Иродов, «Основные законы электромагнетизма» Учебное пособие для студентов вузов. - 2-е, стереотип. - М.: Высш. Шк., 1991., - 288 с. с ил.
7. С.О. Зубович, «Изучение свободных затухающих колебаний [Электронный ресурс]: методические указания / С.О. Зубович, А.Л. Суркаев // Сборник «Методические указания» - Волжский: ВПИ (филиал) ГОУВПО ВолгГТУ, 2015., 15 с. с ил.