ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
ELECTRO-MECHANICAL CONVERTER FOR IMPACT MACHINES

Изобретение относится к области электрических машин с линейным возвратно-поступательным перемещением рабочего органа - якоря в ограниченных пределах и может быть использовано в механизмах ударного действия без применения промежуточных преобразователей, например в приводах молотов кузнечно-прессового оборудования, для забивки в грунт металлических или железобетонных свай, рыхления и уплотнения грунта, разрушения породы и асфальтобетона и т.д.
Известен привод электромолота, содержащий цилиндрический корпус-магнитопровод с полюсами и соосно установленными электромагнитными катушками прямого и обратного хода, направляющую трубу, ферромагнитный боек, датчики верхнего и нижнего положения ферромагнитного бойка, систему электропитания и управления (см. Авторское свидетельство СССР №497405, кл. E02D 7/06, публ. 30.12.1975). В нем не обеспечена высокая удельная энергия удара.
Известен электромеханический преобразователь для электромолота, содержащий корпус с трехфазной обмоткой статора линейного асинхронного двигателя, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения герметично установлен полый монолитный в нижней части якорь-боек с короткозамкнутой токопроводящей обмоткой по его внешней поверхности, шабот с амортизатором (см. Авторское свидетельство СССР №58669, кл. E02D 7/06, публ. 31.12.1940).
Недостатком такого привода электромолота являются его низкие КПД и надежность в работе из-за сложности конструкции и плохих условий охлаждения якоря-бойка и статора линейного электродвигателя.
Известен линейный электромагнитный двигатель, содержащий цилиндрический статор с размещенной в нем катушкой и якорь с возвратной пружиной, цилиндрическая часть которого размещена внутри катушки с возможностью взаимодействия со статором, а дисковая часть размещена в направляющем корпусе с возможностью взаимодействия с торцевой поверхностью статора, отличающийся тем, что направляющий корпус выполнен из ферромагнитного материала, а его часть, прилегающая к статору, выполнена большего диаметра (см. патент РФ №2065659, H02K 33/02, публ. 20.08.1996).
В известной конструкции небольшой рабочий ход якоря и мало начальное тяговое усилие. Кроме того, он имеет низкую удельную энергию удара. Недостатком такого электромолота является низкая надежность в работе из-за сложности конструкции и плохих условий охлаждения якоря-бойка и статора линейного асинхронного двигателя.
Известен электродвигатель для электромолота, содержащий размещенные в дополнительном корпусе верхний и нижний основные корпуса с трехфазными обмотками элементарных статоров линейных асинхронных электродвигателей, подшипники, установленные на концах основного корпуса, размещенный в статоре основного корпуса с возможностью свободного перемещения ферромагнитный якорь-боек с короткозамкнутой токопроводящей обмоткой по его внешней поверхности, датчики положения ферромагнитного якоря-бойка в основном корпусе электромолота, при этом верхний и нижний основные корпуса снабжены направляющими по длине хода ферромагнитного якоря-бойка, а дополнительный корпус выполнен из герметичных элементов, каждый из которых концентрично установлен относительно основных корпусов, верхней и нижней направляющих с образованием между ними воздушных промежутков, при этом верхняя направляющая выполнена с крышкой и пружинным амортизатором для взаимодействия с ферромагнитным якорем-бойком, в элементах дополнительного корпуса, концентрично размещенных относительно верхней и нижней направляющих, установлены соответственно всасывающий и вытяжной вентиляторы (см. патент РФ №2379422, кл. E02D 7/02, публ. 21.04.2008 г.).
Недостатком такого электромолота являются недостаточно высокая удельная энергия удара и низкая надежность в работе из-за сложности конструкции охлаждения якоря-бойка и статора линейного асинхронного двигателя.
Известен линейный электромагнитный двигатель, содержащий статор с размещенной внутри катушкой и якорем, выполненным в форме цилиндрической и дисковой жестко связанных между собой частей, примыкающий к статору ферромагнитный корпус, являющийся одновременно направляющей якоря, подшипники скольжения, возвратную пружину и регулировочную ферромагнитную шайбу, причем направляющий корпус выполнен из ферромагнитного материала меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору и установлен с возможностью взаимодействия с внешней дисковой частью якоря (см. патент РФ №2084071, H02K 33/02, публ. 10.07.1997 г.).
Известный двигатель имеет простую конструкцию, но не обеспечивает высокую удельную энергию удара.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является привод электромолота, выполненный в виде трехфазного асинхронного двигателя, трехфазная обмотка статора которого размещена в верхней части цилиндрического корпуса, внутри которого в подшипниках с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен трубчатый, монолитный в нижней части якорь-боек с короткозамкнутой токопроводящей обмоткой, причем в цилиндрическом корпусе установлены датчики верхнего и нижнего положения якоря-бойка (см. патент РФ №2315181, кл. Е21С 37/00, E02D 7/02, публ. 20.01.2008 г. - прототип).
Известная конструкция привода электромолота имеет небольшой рабочий ход якоря и невысокую удельную энергию удара, что ограничивает область использования привода. Кроме того, привод сложен из-за необходимости применения промежуточного преобразователя вращательного движения в поступательное линейное перемещение.
Технический результат изобретения: увеличение удельной энергии удара и рабочего хода общего якоря, обеспечение возможности регулирования скорости, ускорения, перемещения и энергии его движения, расширение области применения электромеханического преобразователя за счет обеспечения максимальной длины рабочего хода исполнительного ударного органа не менее 400 мм.
Технический результат достигается тем, что в электромеханический преобразователь для машин ударного действия, включающий асинхронный двигатель переменного тока с катушками статора, подшипники, введен двигатель постоянного тока, асинхронный двигатель переменного тока и двигатель постоянного тока выполнены линейными цилиндрическими, якоря указанных двигателей объединены с возможностью регулирования ускорения образованного общего якоря и его возвратно-поступательного перемещения в ограниченных пределах соосно с катушками статора в подшипниках соответственно асинхронного двигателя переменного тока и двигателя постоянного тока, общий якорь снабжен средствами стабилизации от проворачивания его вокруг оси, а все подшипники выполнены в виде подшипников скольжения.
Якорь асинхронного двигателя переменного тока предпочтительно выполнить с параллельно расположенными поверхностями в виде двух продольных лысок, средства стабилизации от проворачивания общего якоря вокруг оси выполнены в виде, по меньшей мере, двух стабилизирующих элементов, имеющих антифрикционное покрытие по сопрягаемым с лысками поверхностям.
Для ускорения линейного перемещения общего якоря двигатель постоянного тока целесообразно выполнить в виде ускорителя, включающего корпус статора, выполненный из мягкой электротехнической стали, катушки статора, расположенные радиально по внутреннему диаметру корпуса статора и имеющие башмаки, соединенные с цилиндром внутреннего магнитопровода, внутри которого расположен якорь, состоящий из подвижного корпуса, выполненного цилиндрическим из магнитомягкого материала с торцевым фланцем, на указанном подвижном корпусе размещены дисковые катушки якоря, выводы которых подсоединены к контактным пластинам, расположенным на поверхности по внешнему диаметру дисковых катушек с возможностью включения в сеть тех дисковых катушек, которые расположены внутри цилиндра внутреннего магнитопровода ускорителя, внутри подвижного корпуса якоря ускорителя расположен неподвижный цилиндр с фланцем - дополнительный магнитопровод из мягкой стали, отделенный от корпуса якоря подшипником скольжения, верхняя часть неподвижного цилиндра - фланец закреплен на крышке ускорителя, в нижней части якоря ускорителя между фланцем и катушками расположен нулевой элемент, выполненный из непроводящего материала, на котором закреплены нижние контактные пластины катушек якоря ускорителя и непроводящая прокладка необходимого размера, между соседними дисковыми катушками якоря ускорителя размещены тонкие изолирующие прокладки, а между гайкой, стягивающей дисковые катушки якоря, и верхней дисковой катушкой размещена изолирующая прокладка.
Предпочтительно подшипник скольжения якоря ускорителя выполнить в виде слоя тонкой ленты из антифрикционного материала, навитой и закрепленной на поверхности неподвижного цилиндра.
На фланце подвижного корпуса якоря ускорителя в нижней части подвижного корпуса якоря ускорителя целесообразно выполнить резьбовые отверстия для крепления якоря ускорителя к якорю асинхронного двигателя переменного тока.
Для предотвращения дисковых катушек якоря ускорителя от проворачивания вокруг подвижного корпуса якоря на указанном подвижном корпусе целесообразно выполнить пазы, а всю конструкцию якоря скрепить с помощью заливки ее компаундом по всей длине до стягивающей верхней гайки.
Целесообразно крышку ускорителя центрировать внутри корпуса статора ускорителя с помощью конического сочленения и закрепить ее на корпусе статора ускорителя с помощью болтового соединения с фланцем корпуса статора ускорителя.
На фланце неподвижного цилиндра установлен корпус верхнего концевого датчика, в котором предусмотрены резьбовые отверстия для установки чувствительного элемента верхнего концевого датчика.
На верхнем торце цилиндра внутреннего магнитопровода ускорителя на его боковой поверхности целесообразно расположить механический концевой выключатель нижнего положения якоря ускорителя и закрепить нижнюю часть корпуса аналогового датчика положения якоря, ползунок которого соединен с верхней частью гайки, стягивающей дисковые катушки якоря ускорителя, а верхнюю часть корпуса указанного аналогового датчика прикрепить к корпусу статора ускорителя шпилькой.
Для включения в сеть дисковых катушек предпочтительно ввести щетки, закрепленные в щеточном узле, корпус которого закреплен на нижнем торце цилиндра внутреннего магнитопровода ускорителя.
Корпус статора ускорителя предпочтительно выполнить из ферромагнитного материала.
В нижней части корпуса статора ускорителя по его внутренней поверхности целесообразно разместить фланец магнитопровода ускорителя с подшипником скольжения на внутренней поверхности.
Во внутренней части подвижного корпуса якоря ускорителя содержится узел ограничительной демпфирующей пружины, корпус которого предпочтительно закрепить на нижнем торце неподвижного цилиндра - дополнительного магнитопровода.
На башмаках магнитопровода ускорителя предусмотрены технологические резьбовые отверстия для сборки магнитопровода ускорителя и резьбовые отверстия для крепления башмаков к корпусу статора ускорителя.
Предпочтительно иметь асинхронный двигатель переменного тока, включающий корпус статора, во внутренней расточке которого в подшипниках скольжения статора расположен его якорь, выполненный из чередующихся колец из проводящего и ферромагнитного материала с возможностью продольного перемещения соосно с катушками статора, расположенными между пакетами магнитопровода статора, и содержащий корпус, выполненный цилиндрической формы из магнитномягкого материала и имеющий в верхней части фланец с отверстиями для крепления его к корпусу якоря ускорителя, на корпусе якоря линейного двигателя закреплены чередующиеся шайбы, набранные из тонких пластин электротехнической стали, и диски из алюминия, две продольные лыски в виде параллельно расположенных поверхностей длиной, превышающей рабочий ход якоря, выполнены в нижней части якоря по его наружному диаметру, между фланцем и шайбами якоря линейного двигателя установлен верхний элемент магнитопровода подвижной части с пазами, а в нижней части цилиндра корпуса якоря линейного двигателя по его внутренней поверхности расположены крепежный фланец с резьбовыми отверстиями, упорное кольцо и стопорная шайба, стопорная шайба размещена в специальной канавке-проточке на внутренней поверхности корпуса якоря линейного двигателя, на внешней поверхности нижней части корпуса якоря линейного двигателя с помощью болтов закреплен нижний фланец подвижной части - якоря, стягивающий конструкцию из ферромагнитных шайб и алюминиевых колец, насаженных по внешнему диаметру корпуса якоря, и имеющий резьбовые отверстия для крепления рабочего инструмента, по внутреннему диаметру каждого кольца из алюминия между корпусом якоря и кольцом из алюминия размещено дополнительное кольцо магнитопровода меньшего диаметра, выполненное из тонких пластин электротехнической стали, а кольца из алюминия, расположенные выше продольных лысок, имеют дополнительные ферромагнитные кольца, набранные из тонких пластин электротехнической стали, стабилизирующие элементы закреплены на нижнем фланце, размещенном в нижней части корпуса статора линейного двигателя.
Предпочтительно пакеты магнитопровода статора выполнить из тонких пластин электротехнической стали.
Катушки и пакеты магнитопровода статора целесообразно сгруппировать в отдельные узлы по шесть катушек и семь пакетов, каждый указанный узел ограничить сверху и снизу стяжными пластинами.
Целесообразно стабилизирующие элементы выполнить в виде Г-образных ограничителей поворота общего якоря.
Корпус статора асинхронного двигателя переменного тока предпочтительно выполнить из ферромагнитного материала.
На корпусе статора асинхронного двигателя переменного тока на внешней его поверхности целесообразно разместить крепежный фланец.
Корпуса статоров асинхронного двигателя переменного тока и двигателя постоянного тока целесообразно соединить между собой соответствующими фланцами и выполнить с вентиляционными отверстиями.
Сущность изобретения в объединении в одной конструкции АЛЦД переменного тока и ускорителя, выполненного в виде ЛЦД постоянного тока, для ускорения общего якоря: трехфазный асинхронный линейный цилиндрический двигатель АЛЦД с ограниченными общегабаритными размерами и линейным возвратно-поступательным перемещением якоря для увеличения энергии удара до необходимого уровня в конце рабочего хода якоря совмещен с дополнительным электромеханическим преобразователем - ускорителем электродинамического типа, якорь которого жестко соединен с якорем АЛЦД, оба якоря перемещаются в подшипниках скольжения, величина перемещения (L) общего якоря непрерывно контролируется датчиком линейного перемещения общего якоря - аналоговым датчиком положения.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг.1 изображена верхняя часть электромеханического преобразователя для машин ударного действия, выполненная в виде линейного цилиндрического двигателя (ЛЦД) постоянного тока.
На фиг.2 изображена нижняя часть электромеханического преобразователя для машин ударного действия, выполненная в виде трехфазного асинхронного линейного цилиндрического двигателя (АЛЦД).
На фиг.3 изображен увеличенный фрагмент электромеханического преобразователя для машин ударного действия в области сопряжения трехфазного асинхронного линейного цилиндрического двигателя (АЛЦД) с линейным цилиндрическим двигателем (ЛЦД) постоянного тока.
На фиг.1-3 приняты следующие обозначения:
- корпус 1 статора (АЛЦД);
- катушка 2 статора (АЛЦД);
- пакеты 3 магнитопровода статора (АЛЦД);
- пластины 4 из электротехнической стали (пакетов 3 магнитопровода статора);
- подшипники 5 скольжения статора (АЛЦД);
- корпус 6 якоря (АЛЦД);
- кольца 7 якоря (из ферромагнитного материала);
- кольца 8 из алюминия;
- подвижный корпус 9 якоря ускорителя;
- подшипник 10 скольжения якоря ускорителя;
- корпус 11 статора ускорителя;
- катушки 12 статора ускорителя (8 шт.);
- башмаки 13 (катушек 12 статора ускорителя);
- цилиндр 14 внутреннего магнитопровода;
- фланец 15 (подвижного корпуса 9 якоря ускорителя);
- дисковые катушки 16 (якоря ускорителя);
- контактные пластины 17 (по 2 шт. на каждую дисковую катушку 16);
- щетки 18;
- корпус 19 щеточного узла;
- неподвижный цилиндр 20 (дополнительный магнитопровод);
- фланец 21 неподвижного цилиндра 20;
- крышка 22 ускорителя;
- коническое сочленение 23;
- корпус 24 верхнего концевого датчика;
- сердечник 25 верхнего концевого датчика (из ферромагнитного материала);
- немагнитный шток 26;
- пружина 27;
- болтовое соединение 28;
- фланец 29 корпуса 11 статора ускорителя;
- концевой датчик 30 (выключатель нижнего положения якоря ускорителя);
- гайка 31 (стягивающая дисковые катушки 16 якоря ускорителя);
- нулевой элемент 32 (из непроводящего материала, например текстолита);
- текстолитовая прокладка 33;
- тонкие изолирующие прокладки 34 (по числу дисковых катушек 16);
- изолирующая прокладка 35;
- пазы 36;
- резьбовые отверстия 37 (для крепления якоря ускорителя к якорю АЛЦД);
- фланец 38 корпуса 6 (АЛЦД);
- отверстие 39 во фланце 38;
- первая продольная лыска 40;
- вторая продольная лыска 41;
- верхний элемент 42 магнитопровода;
- пазы 43 верхнего элемента 42 магнитопровода;
- крепежный фланец 44;
- упорное кольцо 45;
- стопорная шайба 46;
- канавка-проточка 47;
- болты 48 (4 шт.);
- нижний фланец 49 якоря АЛЦД;
- дополнительные кольца 50 магнитопровода (из тонких пластин электротехнической стали);
- дополнительные ферромагнитные кольца 51;
- фланец 52 корпуса 1 АЛЦД;
- фланец 53 (для соединения корпуса 11 ускорителя и корпуса 1 АЛЦД);
- отверстия 55 (вентиляционные);
- стабилизирующие элементы 56 (2 шт.);
- антифрикционное покрытие 57 (на стабилизирующих элементах 56);
- нижний фланец 58 (для установки корпуса 1 АЛЦД);
- фланец 59 магнитопровода ускорителя (для замыкания магнитного потока);
- ограничительная демпфирующая пружина 60 хода общего якоря;
- корпус 61 узла ограничительной демпфирующей пружины;
- корпус 62 аналогового датчика положения общего якоря;
- ползунок 63 аналогового датчика;
- шпилька 64;
- стяжные пластины 65;
- отверстия 66 (для стяжек статора АЛЦД);
- технологические отверстия 67 резьбовые (для сборки магнитопровода ускорителя);
- отверстия 68 резьбовые (для крепления башмаков 13 к корпусу 11 статора ускорителя);
- отверстия 69 резьбовые (для установки верхнего концевого датчика);
- фланец 70 (в верхней части корпуса 1 статора АЛЦД);
- подшипник 71 скольжения (на фланце 59 якоря ускорителя);
- корпуса 72 подшипников 5 скольжения (3 шт.) АЛЦД;
- L - длина рабочего хода общего якоря.
Электромеханический преобразователь для машин ударного действия включает (фиг.1, 2, 3) асинхронный линейный цилиндрический двигатель (АЛЦД) переменного тока (фиг.2), в корпусе 1 статора которого размещены катушки 2 статора. К корпусу 1 присоединен и корпус 11 линейного цилиндрического двигателя (ЛЦД) постоянного тока (фиг.1), причем якоря указанных двигателей объединены с возможностью регулирования ускорения образованного общего якоря и его возвратно-поступательного перемещения в ограниченных пределах соосно с катушками 2 статора в трех подшипниках скольжения 5 АЛЦД, подшипнике 10 скольжения ЛЦД, подшипнике 71 на фланце 59 ЛЦД, общий якорь снабжен средствами стабилизации от проворачивания его вокруг оси. Якорь АЛЦД переменного тока выполнен с параллельно расположенными поверхностями в виде первой и второй продольных лысок 40, 41. Средства стабилизации от проворачивания общего якоря вокруг оси выполнены в виде по меньшей мере двух стабилизирующих элементов 56, имеющих антифрикционное покрытие 57 по сопрягаемым с указанными лысками 40, 41 поверхностям.
Линейный цилиндрический двигатель (ЛЦД) постоянного тока выполнен в виде ускорителя и предназначен для сообщения необходимой скорости общему якорю в конце рабочего хода, что обеспечивает требуемую энергию на рабочем инструменте, закрепленном на общем якоре. Ускоритель состоит (фиг.1) из корпуса 11 статора, выполненного из мягкой электротехнической стали, катушек 12 статора, расположенных радиально по внутреннему диаметру корпуса 11 статора. Башмаки 13 катушек 12 соединены с цилиндром 14 внутреннего магнитопровода и с корпусом 11 статора ускорителя. На башмаках 13 магнитопровода ускорителя предусмотрены технологические отверстия 67 резьбовые и отверстия 68 резьбовые для крепления башмаков 13 к корпусу 11 статора ускорителя. Внутри цилиндра 14 внутреннего магнитопровода расположен якорь ускорителя, состоящий из цилиндрического подвижного корпуса 9, выполненного из магнитномягкого материала с торцевым фланцем 15. На подвижном корпусе 9 размещены дисковые катушки 16 якоря, выводы которых подсоединены к контактным пластинам 17, расположенным на поверхности по внешнему диаметру дисковых катушек 16 так, что включенными в сеть остаются дисковые катушки 16, расположенные внутри цилиндра 14 внутреннего магнитопровода ускорителя. Включение дисковых катушек 16 осуществляется щетками 18, закрепленными в щеточном узле, корпус 19 которого закреплен на нижнем торце цилиндра 14 внутреннего магнитопровода ускорителя. Внутри подвижного корпуса 9 якоря ускорителя содержится неподвижный цилиндр 20 - дополнительный магнитопровод, выполненный из мягкой стали и отделенный от подвижного корпуса 9 якоря ускорителя подшипником скольжения 10 в виде слоя тонкой ленты из антифрикционного материала, навитой на его наружной поверхности и закрепленной с помощью сварки или пайки. Верхняя часть неподвижного цилиндра 20 - фланец 21 закрепляется на крышке 22 ускорителя, центрируется с крышкой 22 с помощью конического сочленения 23 и закрепляется на корпусе 11 статора с помощью болтового соединения 28 с фланцем 29 указанного корпуса 11.
В нижней части корпуса 11 статора ускорителя по его внутренней поверхности размещен фланец 59 магнитопрповода ускорителя с подшипником 71 скольжения на его внутренней поверхности. Во внутренней части подвижного корпуса 9 якоря ускорителя содержится узел ограничительной демпфирующей пружины 60 хода общего якоря, корпус 61 которого закреплен на нижнем торце неподвижного цилиндра 20 - дополнительного магнитопровода.
На поверхности крышки 22 ускорителя и фланца 21 неподвижного цилиндра 20 содержится корпус 24 верхнего концевого датчика (выключателя верхнего положения общего якоря), выполненный из немагнитного материала, и ряд отверстий для установки других видов датчиков.
Внутри указанного корпуса 24 находится сердечник 25 из ферромагнитного материала, закрепленный на немагнитном штоке 26 и подпружиненный в нижней части пружиной 27. На верхнем торце цилиндра 14 внутреннего магнитопровода ускорителя на его боковой поверхности расположен механический концевой датчик 30 - выключатель нижнего положения общего якоря и закреплена нижняя часть корпуса 62 аналогового датчика положения общего якоря. Ползунок 63 указанного аналогового датчика соединен с верхней частью гайки 31, стягивающей дисковые катушки 16 якоря ускорителя, а верхняя часть корпуса 62 аналогового датчика положения прикреплена к корпусу 11 статора ускорителя шпилькой 64. В нижней части якоря ускорителя между фланцем 15 подвижного корпуса 9 и дисковыми катушками 16 расположен нулевой элемент 32, выполненный из непроводящего материала (текстолита), на внешней поверхности которого закреплены нижние контактные пластины 17 дисковых катушек 16 якоря ускорителя и текстолитовая прокладка 33 необходимого размера. Между соседними дисковыми катушками 16 якоря ускорителя размещаются тонкие изолирующие прокладки 34 и между гайкой 31, стягивающей дисковые катушки 16 якоря, и верхней дисковой катушкой 16 размещена изолирующая прокладка 35. Для предотвращения дисковых катушек 16 якоря ускорителя от проворачивания вокруг подвижного корпуса 9 якоря на подвижном корпусе 9 якоря ускорителя выполнены пазы 36, а вся конструкция якоря скрепляется с помощью заливки ее твердеющим компаундом (например, эпоксидной смолой) по всей длине до стягивающей верхней гайки 31, а на фланце 15 в нижней части цилиндрического подвижного корпуса 9 якоря ускорителя выполнены резьбовые отверстия 37 для крепления якоря ускорителя к якорю АЛЦД переменного тока.
В АЛЦД переменного тока якорь содержит корпус 6, выполненный из магнитомягкого материала цилиндрической формы и содержащий в верхней части фланец 38 с отверстиями для крепления его с подвижным корпусом 9 якоря ускорителя. На корпусе 6 якоря АЛЦД закреплены чередующиеся кольца 7 якоря из ферромагнитного материала, набранные из тонких пластин электротехнической стали и кольца 8 из алюминия. В нижней части якоря АЛЦД по его наружному диаметру выполнены первая и вторая продольные лыски 40 и 41 с параллельно расположенными поверхностями на длину, превышающую рабочий ход (L) якоря. Между фланцем 38 корпуса 6 и указанными кольцами 7 и 8 якоря АЛЦД содержится верхний элемент 42 магнитопровода подвижной части с пазами 43, а в нижней части цилиндрического корпуса 6 якоря АЛЦД по его внутренней поверхности расположены крепежный фланец 44 с резьбовыми отверстиями, упорное кольцо 45 и стопорная шайба 46. Стопорная шайба 46 размещена в специальной канавке-проточке 47 на внутренней поверхности корпуса 6 линейного двигателя. На внешней поверхности нижней части корпуса 6 якоря АЛЦД с помощью болтов 48 закреплен нижний фланец 49 подвижной части - якоря АЛЦД, стягивающий конструкцию в виде колец 7 из ферромагнитного материала и колец 8 из алюминия, расположенных по внешнему диаметру цилиндра 6 корпуса якоря АЛЦД. На фланце 49 предусмотрены резьбовые отверстия для крепления рабочего инструмента (не показан). По внутреннему диаметру каждого кольца 8 из алюминия между корпусом 6 и указанным кольцом 8 размещено дополнительное кольцо 50 магнитопровода меньшего диаметра, набранное из тонких пластин электротехнической стали, а кольца 8 из алюминия, расположенные выше продольных лысок 40 и 41, имеют дополнительные ферромагнитные кольца 51, набранные из тонких пластин электротехнической стали. Статоры АЛЦД и ускорителя размещены соответственно в корпусах 1 и 11 из ферромагнитного материала, соединенных между собой с помощью соответствующих фланцев 52, 53 и сцентрированных специальной посадкой. На корпусе 1 статора АЛЦД на внешней его поверхности размещен крепежный фланец 70. Катушки 2 статора и пакеты 3 (ферромагнитные) магнитопровода статора АЛЦД сгруппированы в узлы по шесть катушек 2 статора и семь указанных пакетов 3 каждый. Сверху и снизу каждый узел ограничен стяжными пластинами 65, а для стягивания всей конструкции статора АЛЦД в нем и в корпусах 72 его подшипников 5 скольжения предусмотрены отверстия 66.
На корпусах 1, 11 статоров соответственного АЛЦД и ускорителя предусмотрены вентиляционные отверстия 55.
Образованный общий якорь всего устройства фиксируется от проворачивания вокруг оси двумя стабилизирующими элементами 56, имеющими антифрикционное покрытие 57 по сопрягаемым с якорем поверхностям - первой и второй продольным лыскам 40 и 41. Стабилизирующие элементы 56 закреплены на нижнем фланце 58, размещенном в нижней части корпуса 1 статора АЛЦД, и выполнены в виде Г-образных ограничителей поворота общего якоря.
Устройство работает следующим образом. На катушки 2 статора АЛЦД подается система трехфазных напряжений так, что общий якорь АЛЦД и ускорителя движется от своего нижнего положения, определяемого величиной рабочего хода (L), до верхнего положения. В зависимости от требований технологического процесса скорость подъема может регулироваться за счет подключения ускорителя на обратный ход, т.е. на подъем. По достижении максимума подъема срабатывает верхний концевой датчик (указанный датчик не показан, показан только его корпус 24) и система питания (не показана) всего устройства переключается на режим опускания общего якоря, т.е. реверсируется. Общий якорь совершает движение вниз, производя рабочий ход. При движении общего якоря вниз на него действуют три силы: сила тяжести общего якоря, сила, создаваемая при взаимодействии магнитного поля статора АЛЦД с проводниками якоря АЛЦД, и сила, создаваемая якорем ускорителя при взаимодействии магнитного поля катушек дисковых 16 якоря ускорителя, находящихся в магнитном поле катушек 12 статора ускорителя, с магнитным полем катушек 12 статора ускорителя.
Магнитное поле дисковых катушек 16 якоря ускорителя создается током в указанных катушках 16, подводимым с помощью щеток 18 к тем дисковым катушкам 16, которые находятся в данный момент в магнитном поле катушек 12 статора ускорителя. Магнитное поле статора ускорителя концентрируется в рабочем воздушном зазоре во внутренней части цилиндра 14 внутреннего магнитопровода статора ускорителя, где в данный момент находятся дисковые катушки 16 якоря с током.
Магнитопровод ускорителя состоит из двух ветвей. Первая ветвь состоит из корпуса 11 статора ускорителя, башмаков 13 катушек 12 статора, цилиндра 14 внутреннего магнитопровода, подвижного корпуса 9 якоря ускорителя, неподвижного цилиндра 20, фланца 21, крышки 22 ускорителя. Вторая ветвь состоит из корпуса 11 статора ускорителя, башмаков 13 катушек 12 статора, цилиндра 14 внутреннего магнитопровода, подвижного корпуса 9 якоря ускорителя, корпуса 6 якоря АЛЦД, колец 7 якоря из ферромагнитного материала якоря АЛЦД и фланца 59, замыкающего магнитную цепь второй ветви. Суммарный магнитный поток, замыкающийся по двум ветвям, создает в воздушном зазоре между цилиндром 14 внутреннего магнитопровода и подвижным корпусом 9 якоря ускорителя требуемую индукцию, а магнитное поле проводников с током дисковых катушек 16, находящихся в магнитном поле катушек 12 статора ускорителя, при взаимодействии с ним создает необходимое усилие, действующее на общий якорь всего устройства. Результат такого взаимодействия определяется силой Ампера в виде
a
F=B·l·I·W,
где
F - сила определяется в Ньютонах (Н), 1(Н)=0,102 кГ;
В - индукция в зазоре (Тл);
a
l - активная длина одного проводника катушки;
I - ток в проводнике (А);
W - число проводников, одновременно находящихся в магнитном поле цилиндра 14 внутреннего магнитопровода.
Регулируя составляющие В (Тл) и I (А), можно получать различные усилия, действующие на общий якорь устройства. Толщина материалов, составляющих отдельные участки цепи магнитопровода, подбирается так, что при любом положении общего якоря суммарная магнитная проводимость для магнитного потока статора ускорителя остается примерно постоянной, это дает возможность регулировать усилие, создаваемое на якоре ускорителя в необходимых пределах.
Вторая составляющая общего усилия, создаваемого на якоре устройства, - это усилие, возникающее при взаимодействии магнитного поля катушек 2 статора АЛЦД с кольцами 8 (проводниками) из алюминия и кольцами 7 якоря АЛЦД. Магнитное поле статора АЛЦД изменяется с частотой питающей сети, равной 50 Гц, и наводимая в кольцах 8 (проводниках) ЭДС от изменяющегося поля создает внутри проводников соответствующий ток, который, взаимодействуя с магнитным полем катушек 2 статора, создает на якоре некоторое усилие.
При выборе соотношений между размерами катушек 2 статора, пакетами 3 магнитопровода статора и якоря, рабочего воздушного зазора между статором и якорем, полюсного шага и ряда других могут быть использованы рекомендации при проектировании трехфазных асинхронных цилиндрических линейных двигателей. Рекомендации учтены при проектировании АЛЦД переменного тока. Наличие воздушного зазора между статором и якорем линейного двигателя позволяет ограничить толщину пакетов 3 магнитопровода статора и толщину ферромагнитных колец 7 магнитопровода якоря АЛЦД. С целью увеличения глубины проникновения переменного магнитного потока, создаваемого катушками 2 статора АЛЦД, в якорь и уменьшения потоков рассеяния на якоре АЛЦД предусмотрены дополнительные кольца 50 магнитопровода, набранные из тонких пластин электротехнической стали, и дополнительные ферромагнитные кольца 51.
Магнитные потоки катушек 2 статора, по которым в данный момент протекает переменный ток, замыкаются по цепи, состоящей из пакетов 3 магнитопровода статора АЛЦД, воздушного зазора между статором и якорем АЛЦД (на фигурах не показано), колец 7 якоря (из ферромагнитного материала), дополнительных ферромагнитных колец 51 и дополнительного кольца 50 - магнитопровода якоря АЛЦД. В качестве материала для изготовления магнитопроводов статора и якоря АЛЦД использована изотропная тонкая в виде пластин электротехническая сталь, магнитные свойства которой одинаковы во всех направлениях в отличие от анизотропной электротехнической стали, используемой в магнитопроводах трансформаторов.
Переменный магнитный поток катушек 2 статора АЛЦД, замыкаясь по магнитопроводам, указанным выше, полностью охватывают кольца 8 из алюминия, наводя в них ЭДС, мгновенное значение которой определяется скоростью изменения магнитного потока в виде е=-dФ/dt, т.е. первой производной от потока во времени. Мгновенное значение тока (i) в кольце 8 из алюминия, протекающего под действием ЭДС (е), определяется как i≈e/R, где R - активное сопротивление кольца 8 из алюминия (индуктивным сопротивлением указанного кольца 8 можно пренебречь).
Наведенный в кольце 8 из алюминия ток (i) создает свой магнитный поток. Взаимодействие магнитных потоков статора и кольца 8 из алюминия определяет силу взаимодействия статора и якоря АЛЦД. Направление взаимодействия можно изменять, изменяя последовательность чередования фаз катушек 2 статора АЛЦД. При одной последовательности подключения статорных катушек 2 статора в АЛЦД усилие, действующее на якорь АЛЦД, направлено на подъем якоря, при другой последовательности чередования фаз катушек 2 статора усилие на якорь действует в сторону опускания.
Перемещение общего якоря, образованного якорем АЛЦД и якорем ускорителя, контролируется датчиком линейного перемещения общего якоря - аналоговым датчиком положения общего якоря, корпус 62 которого нижней частью закреплен на цилиндре 14 внутреннего магнитопровода, а верхней частью с помощью шпильки 64 прикреплен к корпусу 11 статора ускорителя. Ползунок 63 аналогового датчика, соединенный с верхней частью гайки 31 поводком (на фигурах не показано), синхронно перемещается с общим якорем на величину (L) рабочего общего якоря, изменяя общее сопротивление аналогового датчика положения общего якоря. Аналоговый датчик положения общего якоря выполнен как реостатный с двумя параллельными ветвями, которые объединяются с помощью ползунка 63.
В зависимости от положения ползунка 63 меняется общее сопротивление проводящей цепи указанного аналогового датчика (проводника). Изменение сопротивления аналогового датчика от перемещения ползунка 63 носит линейный характер,
R=k·l,
где R - общее сопротивление (Ом);
l - величина перемещения ползунка 63 (м), l≤L;
k - постоянный коэффициент, зависящий от материала проводника датчика (Ом/м).
При движении общего якоря вверх, на расстоянии, равном примерно 0,1·Lmax до верхней мертвой точки, срабатывает верхний концевой датчик (на фигурах не показан), корпус 24 которого закреплен на фланце 21 и крышке 22 ускорителя, а сердечник 25, закрепленный на немагнитном штоке 26 и подпружиненный снизу пружиной 27, перемещаясь вверх, взаимодействует с верхним концевым датчиком, который с помощью резьбового отверстия 69 закрепляется на корпусе 24 указанного датчика. В качестве верхнего концевого датчика может быть использован индуктивный датчик. По сигналу верхнего концевого датчика система питания (на фигурах не показана) всего устройства или реверсируется, или переводится в режим удержания общего якоря в верхней точке хода якоря в соответствии с требованиями технологического процесса.
Аналогично работает нижний концевой датчик 30, который согласно требованиям технологического процесса при достижении общим якорем крайнего нижнего положения выдает сигнал на управляющую систему (на фигурах не показана) и управляющая система, либо отключает питание от всего устройства, либо реверсирует его.
Для смягчения жесткости удара при остановке общего якоря в крайнем верхнем положении используется ограничительная демпфирующая пружина 60 цилиндрической формы, корпус 61 узла которой закреплен на нижнем торце неподвижного цилиндра 20 - дополнительного магнитопровода ускорителя. По внешней поверхности неподвижного цилиндра 20 установлен подшипник скольжения 10 в виде навитой ленты из антифрикционного материала (бронза или латунь) толщиной 0,25÷0,50 мм, которая закрепляется на поверхности неподвижного цилиндра 20 либо пайкой, либо сваркой. Наличие указанной ленты между подвижным корпусом 9 якоря ускорителя и неподвижным цилиндром 20 магнитопровода ускорителя уменьшает коэффициент трения и предохраняет трущиеся поверхности от залипания при прохождении по ним магнитного потока.
Для включения якоря ускорителя в работу при его верхнем положении предназначен нулевой элемент 32, расположенный в нижней части якоря ускорителя и имеющий на внешней поверхности две контактные пластины 17, закрепленные диаметрально противоположно относительно друг друга и контактирующие со щетками 18. Через щетки 18 и контактные пластины 17 к системе питания подключаются дисковые катушки 16 якоря ускорителя, находящиеся внутри цилиндра 14 внутреннего магнитопровода ускорителя. Все дисковые катушки 16 якоря ускорителя соединены так, что при перемещении якоря ускорителя вверх или вниз с помощью щеток 18 подключенными к источнику питания (на фигурах не показано) остаются только те дисковые катушки 16 (четыре дисковые катушки 16), которые в данный момент находятся внутри цилиндра 14 внутреннего магнитопровода. Этим обеспечивается минимум потерь в дисковых катушках 16 якоря ускорителя. Подведение электроэнергии внутрь преобразователя и вентиляция осуществляются через отверстия 55 в корпусах 1, 11 статоров соответственно АЛЦД и ускорителя.
Предлагаемый электромеханический преобразователь имеет высокую удельную энергию удара, возможность регулирования скорости, ускорения, перемещения и энергии движения исполнительного ударного органа при обеспечении максимальной длины рабочего хода исполнительного ударного органа не менее 400 мм.