ЛИНЕЙНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LINEAR CYLINDRICAL ELECTRO-MAGNETIC ENGINE

Изобретение относится к области электрических машин с ускорением линейного возвратно-поступательного перемещения 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 энергомодуль с ускорением якоря, включающий линейный электрогенератор с якорем и статорными магнитами, вынесенную камеру сгорания, цилиндры и поршни привода компрессора, поршни и якорь выполнены с возможностью удерживания фиксатором ускорителя якоря в исходном положении для совершения рабочего цикла (см. патент РФ №2328608, F02K 71/00, публ. 10.07.2008 г.).
Недостаток известного энергомодуля с ускорением якоря в малой длине рабочего хода, которая не применяется в электрических машинах с высокой энергией удара, например в электромолотах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является линейный электромагнитный двигатель, содержащий цилиндрический статор с размещенной внутри катушкой и якорем, выполненным в форме цилиндра с дисковой частью, направляющий корпус из ферромагнитного материала, примыкающий к статору, с меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору, крышку направляющего корпуса, подшипники скольжения, возвратную пружину и демпфирующую шайбу, причем направляющий корпус в верхней части, примыкающей к крышке, выполнен с внутренним кольцевым выступом, сопряженным по диаметру с боковой поверхностью дисковой части якоря (см. патент РФ №2405237, H02K 33/02, публ. 27.11.2010 г. - прототип).
Известная конструкция двигателя потоянного тока имеет небольшой рабочий ход якоря без регулирования параметров перемещения якоря, что ограничивает его применение.
Технический результат изобретения: увеличение рабочего хода якоря и возможность регулирования скорости, ускорения, перемещения и энергии его движения.
Технический результат достигается тем, что в линейный цилиндрический электромагнитный двигатель постоянного тока, включающий корпус статора, катушки статора, якорь из ферромагнитного материала, по меньшей мере один подшипник скольжения, введены дисковые катушки якоря, контактные пластины, щетки для включения в электрическую сеть дисковых катушек, закрепленные в щеточном узле, цилиндр внутреннего магнитопровода, якорь расположен внутри цилиндра внутреннего магнитопровода и снабжен подвижным корпусом, выполненным цилиндрическим, дисковые катушки размещены на указанном подвижном корпусе и подсоединены выводами к контактным пластинам, расположенным на поверхности по внешнему диаметру дисковых катушек с возможностью включения в электрическую сеть тех дисковых катушек, которые расположены внутри цилиндра внутреннего магнитопровода.
Предпочтительно щеточный узел разместить в корпусе, закрепленном на нижнем торце цилиндра внутреннего магнитопровода ускорителя.
Катушки статора снабжены башмаками и расположены радиально по внутреннему диаметру корпуса статора, указанные башмаки соединены с цилиндром внутреннего магнитопровода, подвижный корпус якоря выполнен из магнитомягкого материала с торцевым фланцем и с расположенным внутри неподвижным цилиндром с фланцем - дополнительным магнитопроводом из мягкой стали, отделенным от подвижного корпуса якоря подшипником скольжения, верхняя часть неподвижного цилиндра - фланец - закреплен на крышке ускорителя, в нижней части якоря между фланцем и катушками расположен нулевой элемент, выполненный из непроводящего материала, на котором закреплены нижние контактные пластины катушек якоря и непроводящая прокладка необходимого размера, между соседними дисковыми катушками якоря размещены тонкие изолирующие прокладки, а между гайкой, стягивающей дисковые катушки якоря, и верхней дисковой катушкой размещена изолирующая прокладка.
Подшипник скольжения предпочтительно выполнить в виде слоя тонкой ленты из антифрикционного материала, навитой и закрепленной на поверхности неподвижного цилиндра.
На фланце корпуса якоря в нижней части подвижного корпуса якоря выполнены резьбовые отверстия для крепления якоря к жесткому телу.
Для предотвращения дисковых катушек якоря от проворачивания вокруг подвижного корпуса якоря на указанном подвижном корпусе предпочтительно выполнить пазы, а всю конструкция якоря скрепить с помощью заливки ее компаундом по всей длине до стягивающей верхней гайки.
Крышка центрирована внутри корпуса статора с помощью конического сочленения и закреплена с помощью болтового соединения с фланцем корпуса статора.
На верхнем торце цилиндра внутреннего магнитопровода на его боковой поверхности целесообразно расположить механический концевой выключатель нижнего положения якоря и закрепить нижнюю часть корпуса аналагового датчика положения якоря, ползунок которого соединить с верхней частью гайки, стягивающей дисковые катушки якоря, а верхнюю часть корпуса указанного аналогового датчика прикрепить к корпусу статора шпилькой.
На фланце неподвижного цилиндра установлен корпус верхнего концевого датчика, в котором предусмотрены резьбовые отверстия для установки чувствительного элемента верхнего концевого датчика.
На башмаках магнитопровода предусмотрены технологические резьбовые отверстия для сборки магнитопровода и резьбовые отверстия для крепления башмаков к корпусу статора.
Предпочтительно корпус статора выполнить из ферромагнитного материала.
В нижней части корпуса статора по его внутренней поверхности целесообразно разместить фланец магнитопровода ускорителя.
Корпус статора имеет вентиляционные отверстия.
Сущность изобретения: линейный цилиндрический электромагнитный двигатель выполнен в виде ускорителя жесткого тела (например, якоря другого двигателя), сопряженного с его якорем для увеличения энергии удара до необходимого уровня в конце хода якоря.
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 изображен линейный цилиндрический электромагнитный двигатель. На фиг.1 приняты следующие обозначения:
- подвижный корпус 1 якоря;
- подшипник 2 скольжения якоря (в виде слоя тонкой ленты из антифрикционного материала);
- корпус 3 статора;
- катушки 4 статора (8 шт.);
- башмаки 5 (катушек 4 статора);
- цилиндр 6 внутреннего магнитопровода;
- фланец 7 (подвижного корпуса 1 якоря);
- дисковые катушки 8 (якоря);
- контактные пластины 9 (по 2 шт. на каждую дисковую катушку 8);
- щетки 10;
- корпус 11 щеточного узла;
- неподвижный цилиндр 12 (дополнительный магнитопровод);
- фланец 13 неподвижного цилиндра 12;
- крышка 14;
- коническое сочленение 15;
- корпус 16 верхнего концевого датчика;
- сердечник 17 верхнего концевого датчика (из ферромагнитного материала);
- немагнитный шток 18;
- пружина 19;
- болтовое соединение 20;
- фланец 21 корпуса 3 статора;
- концевой датчик 22 (выключатель нижнего положения якоря);
- гайка 23 (стягивающая дисковые катушки 8 якоря);
- нулевой элемент 24 (из непроводящего материала, например текстолита);
- текстолитовая прокладка 25;
- тонкие изолирующие прокладки 26 (по числу дисковых катушек 8);
- изолирующая прокладка 27;
- пазы 28;
- резьбовые отверстия 29 (для крепления якоря к жесткому телу, например к якорю асинхронного линейного цилиндрического двигателя переменного тока - далее по тексту АЛЦД).
- фланец 30 магнитопровода (для замыкания магнитного потока);
- технологические отверстия 31 резьбовые (для сборки магнитопровода);
- отверстия 32 резьбовые (для крепления башмаков 5 к корпусу 3 статора);
- отверстия 33 резьбовые (для установки верхнего концевого датчика);
- отверстия 34 (вентиляционные);
- подшипник 35 скольжения якоря (расположен на фланце 30 магнитопровода);
- жесткое тело 36 (например, якорь АЛЦД).
Линейный цилиндрический двигатель (ЛЦД) постоянного тока (фиг.1) 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 3 статора, выполненного из мягкой электротехнической стали, катушек 4 статора, расположенных радиально по внутреннему диаметру корпуса 3 статора. Башмаки 5 катушек 4 статора соединены с цилиндром 6 внутреннего магнитопровода и с корпусом 3 статора ускорителя. На башмаках 5 магнитопровода ускорителя предусмотрены технологические отверстия 31 резьбовые и отверстия 32 резьбовые для крепления башмаков 5 к корпусу 3 статора ускорителя. Внутри цилиндра 6 внутреннего магнитопровода расположен якорь ускорителя, состоящий из цилиндрического подвижного корпуса 1, выполненного из магнитномягкого материала с фланцем 7 на торце. На подвижном корпусе 1 размещены дисковые катушки 8 якоря, выводы которых подсоединены к контактным пластинам 9, расположенным на поверхности по внешнему диаметру дисковых катушек 8 так, что включенными в сеть остаются дисковые катушки 8, расположенные внутри цилиндра 6 внутреннего магнитопровода ускорителя. Включение дисковых катушек 8 осуществляется щетками 10, закрепленными в щеточном узле, корпус 11 которого закреплен на нижнем торце цилиндра 6 внутреннего магнитопровода ускорителя. Внутри подвижного корпуса 1 якоря ускорителя установлен неподвижный цилиндр 12 - дополнительный магнитопровод, выполненный из мягкой стали и отделенный от подвижного корпуса 1 якоря подшипником 2 скольжения в виде слоя тонкой ленты из антифрикционного материала, навитой на его наружной поверхности и закрепленной с помощью сварки или пайки. Верхняя часть неподвижного цилиндра 12 - фланец 13 - закрепляется на крышке 14 ускорителя, центрируется с крышкой 14 с помощью конического сочленения 15 и закрепляется на корпусе 3 статора с помощью болтового соединения 20 с фланцем 21 указанного корпуса 3.
На поверхности крышки 14 и фланца 13 неподвижного цилиндра 12 содержится корпус 16 верхнего концевого датчика (выключателя верхнего положения якоря с жестким телом 36), выполненный из немагнитного материала. Внутри указанного корпуса 16 находится сердечник 17 из ферромагнитного материала, закрепленный на немагнитном штоке 18 и подпружиненный в нижней части пружиной 19 и ряд отверстий для установки других видов датчиков.
На верхнем торце цилиндра 6 внутреннего магнитопровода на его боковой поверхности расположен механический концевой датчик 22 - выключатель нижнего положения якоря с жестким телом 36. В нижней части якоря ускорителя между фланцем 7 подвижного корпуса 1 и дисковыми катушками 8 расположен нулевой элемент 24, выполненный из непроводящего материала (например, текстолита), на внешней поверхности которого закреплены нижние контактные пластины 9 дисковых катушек 8 якоря ускорителя и текстолитовая прокладка 25 необходимого размера. Между соседними дисковыми катушками 8 якоря ускорителя размещаются тонкие изолирующие прокладки 26 и между гайкой 23, стягивающей дисковые катушки 8 якоря, и верхней дисковой катушкой 8 размещена изолирующая прокладка 27. Для предотвращения дисковых катушек 8 якоря от проворачивания вокруг подвижного корпуса 1 якоря на подвижном корпусе 1 якоря выполнены пазы 28, а вся конструкция якоря скрепляется с помощью заливки ее твердеющим компаундом (например, эпоксидной смолой) по всей длине до стягивающей верхней гайки 23, а на фланце 7 в нижней части цилиндрического подвижного корпуса 1 якоря ускорителя выполнены резьбовые отверстия 29 для крепления якоря ускорителя к жесткому телу (например, якорю АЛЦД переменного тока). На корпусе 3 статора ускорителя предусмотрены вентиляционные отверстия 34.
Линейный цилиндрический двигатель (ЛЦД) постоянного тока представляет собой ускоритель, обеспечивающий ускорение линейного перемещения жесткого тела 36, совмещенного с его якорем. Ускоритель работает следующим образом. Жесткое тело 36, например якорь асинхронного линейного цилиндрического двигателя (АЛЦД) переменного тока, совмещают с якорем ускорителя (ЛЦД постоянного тока). При подаче напряжения якорь ускорителя с жестким телом 36 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 (на фиг.1 показан только его корпус 16) и система питания (не показана) ускорителя переключается на режим опускания якоря, т.е. реверсируется. Якорь с жестким телом 36 совершает движение вниз, производя рабочий ход длиной L. При движении якоря с жестким телом 36 вниз на него действуют три силы: сила тяжести якоря с жестким телом 36, сила, создаваемая при взаимодействии магнитного поля статора АЛЦД с якорем АЛЦД, и сила, создаваемая якорем ускорителя (ЛЦД постоянного тока) при взаимодействии магнитного поля дисковых катушек 8 якоря ускорителя, находящихся в магнитном поле катушек 4 статора ускорителя, с магнитным полем катушек 4 статора ускорителя.
Магнитное поле дисковых катушек 8 якоря ускорителя создается током в указанных катушках 8, подводимым с помощью щеток 10 к тем дисковым катушкам 8, которые находятся в данный момент в магнитном поле катушек 4 статора ускорителя. Магнитное поле статора ускорителя концентрируется в рабочем воздушном зазоре во внутренней части цилиндра 6 внутреннего магнитопровода статора ускорителя, где в данный момент находятся дисковые катушки 8 якоря с током.
Магнитопровод ускорителя состоит из двух ветвей. Первая ветвь состоит из корпуса 3 статора ускорителя, башмаков 5 катушек 4 статора, цилиндра 6 внутреннего магнитопровода, подвижного корпуса 1 якоря ускорителя, неподвижного цилиндра 12, фланца 13, крышки 14 ускорителя. Вторая ветвь состоит из корпуса 3 статора ускорителя, башмаков 5 катушек 4 статора, цилиндра 6 внутреннего магнитопровода, подвижного корпуса 1 якоря ускорителя, жесткого тела 36 (например, корпуса якоря АЛЦД) и фланца 30 магнитопровода ускорителя, замыкающего магнитную цепь второй ветви. На внутренней поверхности указанного фланца 30 расположен подщипник 35 скольжения. Суммарный магнитный поток, замыкающийся по двум ветвям, создает в воздушном зазоре между цилиндром 6 внутреннего магнитопровода и подвижным корпусом 1 якоря ускорителя требуемую индукцию, а магнитное поле проводников с током дисковых катушек 8, находящихся в магнитном поле катушек 4 статора ускорителя, при взаимодействии с ним создает необходимое усилие, действующее на якорь с жестким телом 36. Результат такого взаимодействия определяется силой Ампера в виде:
F=B·la·I·W,
где F - сила определяется в Ньютонах (Н), 1(Н)=0,102 кГ;
В - индукция в зазоре (Тл);
la - активная длина одного проводника катушки;
I - ток в проводнике (А),
W - число проводников, одновременно находящихся в магнитном поле цилиндра 6 внутреннего магнитопровода.
Регулируя составляющие В (Тл) и I (А), можно получать различные усилия, действующие на якорь с жестким телом 36. Толщина материалов, составляющих отдельные участки цепи магнитопровода, подбирается так, что при любом положении якоря с жестким телом 36 суммарная магнитная проводимость для магнитного потока статора ускорителя остается примерно постоянной, это дает возможность регулировать усилие, создаваемое на якоре ускорителя в необходимых пределах.
Перемещение якоря ускорителя с жестким телом 36 (якорем АЛЦД) контролируется датчиком линейного перемещения образованного общего якоря - аналоговым датчиком положения общего якоря (не показан).
При движении общего якоря вверх, на расстоянии, равном примерно 0,1·Lmax до верхней мертвой точки, срабатывает верхний концевой датчик (не показан), корпус 16 которого закреплен на фланце 13 неподвижного цилиндра 12 и крышке 14 ускорителя, а сердечник 17, закрепленный на немагнитном штоке 18 и подпружиненный снизу пружиной 19, перемещаясь вверх, взаимодействует с верхним концевым датчиком, который с помощью резьбового отверстия 33 закрепляется на корпусе 16 указанного датчика. В качестве верхнего концевого датчика может быть использован индуктивный датчик. По сигналу верхнего концевого датчика система питания (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 22, который согласно требованиям технологического процесса при достижении общим якорем крайнего нижнего положения выдает сигнал на управляющую систему (не показана) и управляющая система либо отключает питание от всего устройства либо реверсирует его.
По внешней поверхности неподвижного цилиндра 12 установлен подшипник 2 скольжения в виде навитой ленты из антифрикционного материала (бронза или латунь) толщиной 0,25-0,50 мм, которая закрепляется на поверхности неподвижного цилиндра 12 либо пайкой, либо сваркой. Наличие указанной ленты между подвижным корпусом 1 якоря ускорителя и неподвижным цилиндром 12 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 24, расположенный в нижней части якоря ускорителя и имеющий на внешней поверхности две контактные пластины 9, закрепленные диаметрально противоположно относительно друг друга и контактирующие со щетками 10. Через щетки 10 и контактные пластины 9 к системе питания подключаются дисковые катушки 8 якоря ускорителя, находящиеся внутри цилиндра 6 внутреннего магнитопровода ускорителя. Все дисковые катушки 8 якоря ускорителя соединены так, что при перемещении якоря ускорителя вверх или вниз, с помощью щеток 10, подключенными к источнику питания (не показано) остаются только те дисковые катушки 8 (четыре дисковые катушки 8), которые в данный момент находятся внутри цилиндра 6 внутреннего магнитопровода. Этим обеспечивается минимум потерь в дисковых катушках 8 якоря ускорителя. Подведение электроэнергии внутрь преобразователя и вентиляция осуществляются через отверстия 34 вентиляционные в корпусе 3 статора ускорителя.
Предлагаемый ЛЦД имеет возможность регулирования скорости, ускорения, перемещения и энергии движения исполнительного ударного органа при обеспечении максимальной длины рабочего хода исполнительного ударного органа не менее 400 мм.