ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД
PULSED ELECTROMAGNETIC DRIVE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электрическим приводам с импульсными электромагнитными двигателями и может быть использовано при создании электромагнитных прессов, молотов и других импульсных устройств с возвратно-поступательным движением рабочих органов.
Уровень техники
Известен электромагнитный двигатель [Патент РФ №2084071, МПК Н02K 33/02. H02F 7/16, В21J 7/30. Линейный электромагнитный двигатель/Г.Г. Угаров, В.Ю. Нейман; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН, №95110459/07; заявл. 02.06.95; опубл. 11.07.97. Бюл. №19], который содержит цилиндрический статор с размещенной внутри обмоткой возбуждения и комбинированный якорь, выполненный в форме цилиндра с дисковой частью, примыкающей к статору цилиндрический ферромагнитный направляющий корпус с меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору, подшипники скольжения и возвратную пружину. Направляющий корпус выполнен заодно с крышкой и установлен с возможностью соприкосновения с внешней дисковой частью якоря. Такая конфигурация двигателя с ферромагнитным направляющим корпусом обеспечивает удержание якоря на этапе трогания без применения отдельного устройства удержания.
Недостатком такого электромагнитного двигателя является шунтирование на этапе трогания верхнего рабочего зазора ферромагнитным направляющим корпусом, из-за чего в верхнем рабочем зазоре не происходит запасания магнитной энергии, в то время как в нижнем зазоре аналогичное запасание на этапе трогания происходит. Это снижает эффективность работы такого двигателя, обусловленную низким значением коэффициента преобразования потребляемой этим двигателем энергии источника питания в механическую энергию якоря и уменьшением развиваемого двигателем тягового усилия.
Известен электромагнитный двигатель с удержанием якоря [Патент РФ №59342U1, МПК Н02K 33/02. Линейный электромагнитный двигатель с удержанием якоря /В.И. Мошкин, К.М. Усанов, А.В. Волгин и В.А. Каргин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет», №2006127919/22; заявл. 31.07.2006; опубл. 10.12.2006. Бюл. №34], принятый за прототип. Такой линейный электромагнитный двигатель с двумя рабочими зазорами содержит цилиндрический статор с закрепленной внутри обмоткой возбуждения, комбинированный якорь, состоящий из цилиндрической и дисковой частей, возвратную пружину, неметаллический направляющий корпус и устройство удержания якоря, размещенное в крышке направляющего корпуса двигателя. Устройство удержания выполнено в виде плоского цилиндрического электромагнита с обмоткой удержания и с внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть комбинированного якоря двигателя.
н
уд
Несомненным преимуществом указанных двухзазорных конструкций линейных электромагнитных двигателей с устройством удержания якоря является повышенная энергия рабочего хода (энергия удара). Якорь таких двигателей начинает движение только тогда, когда величина тока трогания обмотки возбуждения достигнет установленного значения, а возросшее начальное тяговое усилие F превысит усилие удержания F, создаваемое устройством удержания якоря. При этом в двух рабочих зазорах, включенных по отношению к основному магнитному потоку последовательно, накапливается значительное количество магнитной энергии по сравнению с аналогичным однозазорным двигателем. В магнитной системе удерживающего электромагнита при этом также накапливается определенное количество магнитной энергии.
Недостатком прототипа является невысокая эффективность работы электромагнитного двигателя, обусловленная низким значением коэффициента преобразования потребляемой этим двигателем энергии источника питания в механическую энергию якоря и уменьшением развиваемого двигателем тягового усилия, поскольку накопленная в магнитном поле удерживающего электромагнита магнитная энергия не преобразуется в механическую энергию якоря. Кроме того, для питания обмоток удержания и возбуждения требуются либо отдельные устройства питания и управления, либо общее устройство, которое подает питание на обмотку возбуждения с временной задержкой по отношению к обмотке удерживающего электромагнита, как это выполнено, например, в устройстве для управления однообмоточным двигателем ударного действия [Патент РФ №46293U1, МПК Н02Р 7/62. Устройство для управления однообмоточным двигателем ударного действия / А.В. Волгин, К.М. Усанов, В.И. Мошкин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова», №2006127919/22; заявл. 31.07.2006; опубл. 10.12.2006. Бюл. №34], что усложняет устройство.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении коэффициента преобразования потребляемой электромагнитным приводом электрической энергии в механическую энергию якоря двигателя и в повышении эффективности работы привода с таким двигателем.
Технический результат заключается в увеличении среднего тягового усилия электромагнитного двигателя, развиваемого на интервале шунтирования диодом последовательно соединенных обмоток возбуждения и удержания, когда от источника питания нет притока энергии в магнитное поле двигателя.
Технический результат обеспечивается следующей совокупностью признаков.
Импульсный электромагнитный привод, состоящий из устройства питания и управления с шунтирующим диодом и линейного электромагнитного двигателя с устройством удержания якоря, содержащего цилиндрический статор с обмоткой возбуждения, комбинированный якорь с плоской дисковой частью, возвратную пружину, направляющий корпус, причем устройство удержания якоря выполнено в виде цилиндрического электромагнита с магнитопроводом, обмоткой удержания и внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть комбинированного якоря, отличающийся тем, что обмотка возбуждения и обмотка удержания включены последовательно и зашунтированы диодом, а возвратная пружина имеет предварительное поджатие.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, и технический результат взаимосвязаны следующим образом.
Увеличение среднего значения тягового усилия электромагнитного двигателя, развиваемого на интервале шунтирования диодом последовательно соединенных обмоток возбуждения и удержания, увеличивает коэффициент преобразования потребляемой приводом электрической энергии в механическую энергию якоря двигателя и повышает эффективность работы привода.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена схема импульсного электромагнитного привода, на фиг. 2 - временные диаграммы тока и напряжения.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть осуществлено следующим образом.
У импульсного электромагнитного привода, состоящего из устройства питания и управления с шунтирующим диодом и линейного электромагнитного двигателя с устройством удержания якоря, содержащего цилиндрический статор с обмоткой возбуждения, комбинированный якорь с плоской дисковой частью, возвратную пружину, направляющий корпус, причем устройство удержания якоря выполнено в виде цилиндрического электромагнита с магнитопроводом, обмоткой удержания и внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть комбинированного якоря, обмотка возбуждения и обмотка удержания включены последовательно и зашунтированы диодом, а возвратная пружина имеет предварительное поджатие.
Таким образом, назначение изобретения - применение его в качестве импульсного электромагнитного привода - реализуется.
Сведения, подтверждающие возможность получения при осуществлении изобретения технического результата (причинно-следственная связь существенных признаков с указанным техническим результатом), состоят в следующем.
м
м.доп
Выполнение возвратной пружины с предварительным поджатием в исходном положении якоря приводит к соприкосновению плоской части комбинированного якоря с магнитопроводом устройства удержания. Благодаря этому при появлении и возрастании тока от источника питания через последовательно соединенные обмотки возбуждения и удержания возникает удерживающее якорь усилие, превышающее тяговое усилие. Одновременно с возрастанием тока при неподвижном якоре происходит накопление магнитной энергии W в рабочих зазорах электромагнитного двигателя и дополнительной магнитной энергии W в зазорах устройства удержания якоря.
м.доп
м
При движении якоря на интервале шунтирования диодом последовательно соединенных обмоток возбуждения и удержания, когда от источника питания уже нет притока энергии в магнитное поле рабочих зазоров двигателя, часть энергии магнитного поля W устройства удержания при снижении тока обмотки дополнительно передается в энергию магнитного поля рабочих зазоров W электромагнитного двигателя, что приводит к повышению среднего значения тягового усилия F(f), пропорционального уменьшению магнитной энергии рабочего зазора при его перемещении х:
м
м.доп
где W- энергия магнитного поля в рабочих зазорах электромагнитного двигателя; W - часть энергии магнитного поля устройства удержания, дополнительно передаваемая в энергию магнитного поля рабочих зазоров;
F(t) - среднее тяговое усилие на интервале шунтирования.
Таким образом, применение возвратной пружины с предварительным поджатием, последовательное соединение обмоток возбуждения и удержания и их шунтирование диодом приводит к повышению среднего тягового усилия на интервале шунтирования.
Следовательно, совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Описание конструкции устройства.
Импульсный электромагнитный привод (фиг. 1) содержит электромагнитный двигатель с удержанием якоря, состоящий из цилиндрического статора 1 с обмоткой возбуждения 2, комбинированного якоря с плоской дисковой частью 3, возвратной пружины 4, направляющего корпуса 5. Двигатель снабжен устройством удержания якоря, выполненным в виде цилиндрического электромагнита с магнитопроводом 6, обмоткой удержания 7 и внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть 3 комбинированного якоря. Устройство удержания якоря размещено в плоской, ограниченно подвижной крышке направляющего корпуса 5. Обмотка возбуждения 2 через обмотку удержания 7 подключена к зажимам устройства питания 8. Параллельно цепи из последовательного соединения обмоток возбуждения и удержания включен диод 9 катодом в сторону положительного вывода устройства питания 8, которое включается устройством управления 10.
Импульсный электромагнитный привод работает следующим образом.
0
Устройство управления 10 задает длительность открытого состояния управляемого выпрямителя устройства питания 8. В момент времени t устройством 10 подается управляющий сигнал включения управляемого выпрямителя, через который источник питания подключается к последовательно соединенным обмоткам удержания 7 и возбуждения 2. Ток в этих обмотках при неподвижном якоре возрастает от нуля в соответствии с выражением при среднем значении выпрямленного напряжения U:
<mrow><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>U</mi><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>е</mi><mrow><mfrac><mi>t</mi><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>В</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
н
уд.макс
уд
где  - электромагнитная постоянная времени цепи обмоток; L, R, L, R - соответственно начальная индуктивность и сопротивление обмотки возбуждения и максимальная индуктивность и сопротивление обмотки удержания.
δ.в
δ.н
уд
δ
С ростом тока в цепи обмоток тяговое усилие верхнего F и нижнего F рабочих зазоров и усилие удержания F начинают возрастать. Эти усилия выразим с помощью формулы Максвелла (на один зазор), согласно которой тяговое усилие F определяется магнитным потоком Ф через начальный рабочий зазор δ и площадью S распределения этого потока:
где w·i(t) - МДС обмотки возбуждения;
0
-7
µ=4π·10Гн/м.
уд
уд
в.0
уд
Усилие удержания F определяется магнитным потоком Ф через начальный воздушный зазор δ (на фиг. 1 показан утолщенной линией), образованный поверхностью сопряжения ярма 6 электромагнита удержания и плоской дисковой части якоря 3, и площадью S распределения этого потока:
уд
где w·i(t) - МДС обмотки удержания;
в.0
δ - начальный воздушный зазор, образованный поверхностью сопряжения ярма электромагнита удержания и плоской дисковой части якоря двигателя;
уд
S- площадь распределения магнитного потока электромагнита удержания.
уд
В выражениях (1) и (2) w и w - числа витков обмотки возбуждения и обмотки удержания.
в.0
в.0
Так как МДС обмотки возбуждения всегда больше, чем МДС обмотки удержания, то согласно (1) и (2) с ростом тока скорость роста тягового усилия во времени будет выше скорости роста усилия удержания. Однако на этапе трогания якоря из-за разницы начальных зазоров δ и δ в исходном положении за счет предварительного поджатая возвратной пружины 4 абсолютные значения усилия удержания будут пока превышать абсолютные значения тягового усилия двигателя. Это объясняется весьма значительной разницей начальных зазоров, когда в выражениях (1) и (2) их отношение δ/δ=100…200.
1
2
2
2
Движение якоря начнется с некоторой временной задержкой (в момент времени t на фиг. 2), когда возрастающее тяговое усилие двигателя превысит по величине возрастающее с меньшей интенсивностью усилие удержания якоря. Сразу после этого (в момент времени t) по окончании управляющего сигнала устройства 10 напряжение устройства питания 8 (кривая 11 на фиг. 2) с закрытием его выпрямителя становится равным нулю, и диод 9 откроется. К моменту времени t ток несколько возрастет до максимального значения I, а в магнитной системе устройства удержания якоря будет накоплена магнитная энергия:
м.уд2
2
где W - энергия магнитного поля устройства удержания, соответствующая максимальному значению тока I;
уд.макс
L - максимальная индуктивность обмотки удержания.
2
2
3
3
3
С момента времени t ток обмоток возбуждения и удержания (кривая 12 на фиг. 2) замыкается через диод, а сам контур обмоток оказывается отключенным от источника. При движении якоря рабочий зазор между статором и якорем уменьшается, и совершается механическая работа за счет расходования ранее накопленной магнитной энергии рабочих зазоров двигателя. При этом индуктивность обмотки возбуждения увеличивается, противо-ЭДС движения возрастает, а ток - уменьшается. Дополнительно на интервале t…t (фиг. 2) шунтирования диодом 9 ток уменьшается из-за потерь энергии на активных сопротивлениях обмоток возбуждения и удержания  В момент времени t (фиг. 2) полностью выбирается зазор между якорем и статором, а ток падает до значения I, и далее механическая энергия двигателя становится равной нулю.
2
2
3
При наличии последовательно соединенных и замкнутых между собой через диод обмоток возбуждения и удержания часть магнитной энергии, запасенной в магнитной системе устройства удержания к моменту времени t, при уменьшении тока от I до I на интервале шунтирования диодом, перераспределяется в дополнительную энергию магнитного поля рабочих зазоров двигателя, а затем преобразуется в дополнительную механическую энергию.
3
Тогда выражение дополнительной магнитной энергии для конечного состояния, соответствующего моменту времени t на фиг. 2, примет вид:
уд.мин
где L - минимальная индуктивность обмотки удержания, соответствующая конечному положению якоря. Эта дополнительная энергия повышает среднее тяговое усилие электромагнитного двигателя на интервале шунтирования диодом обмоток возбуждения и удержания.
Выполнено математическое моделирование магнитной системы импульсного линейного электромагнитного двигателя с устройством удержания якоря. На основе проведенного численного эксперимента определены запасы магнитной энергии в магнитных системах устройства удержания якоря и двигателя типа ПЭМ-1,0 с известными геометрическими параметрами [Математическое моделирование импульсных линейных электромагнитных двигателей. / В.И. Мошкин, Г.Г. Угаров, Д.Н. Шестаков, С.Ю. Помялов. Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2014. Том. 2. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2014. - С. 348-352]. При использовании магнитной энергии устройства удержания якоря расчеты для такого среднеходового электромагнитного двигателя показали возможность увеличения его механической работы на 1…1,5%, а для короткоходового двигателя - на 4…6%.
2
м.доп
Таким образом, в преобразовании энергии магнитного поля в механическую энергию, участвует больше энергии, чем ее запасено к моменту t в магнитном поле рабочих зазоров двигателя, у которого обмотка удержания запитана от отдельного источника, на величину энергии W.
2
3
Для достижения технического результата важно, чтобы на интервале шунтирования диодом t…t (фиг. 2) при движении якоря магнитная энергия, запасенная в магнитном поле устройства удержания, не рассеивалась значительно на активном сопротивлении обмотки удержания. Для этого электромагнитную постоянную времени этой обмотки необходимо увеличивать за счет, например, выполнения обмотки удержания проводом большего сечения.
M
Запасти магнитную энергию и затем передать ее рассмотренным выше способом в магнитное поле рабочих зазоров возможно и с помощью дросселя, конструктивно не связанного с электромагнитным двигателем. Однако лишь использование в конструкции двигателя встроенного в него устройства удержания якоря позволит накопить в рабочих зазорах двигателя значительное количество магнитной энергии. Без устройства удержания якоря накопить значительное количество магнитной энергии W возможно лишь с помощью подачи на обмотки повышенного в несколько раз (форсированного) напряжения. Однако при этом существенно возрастут потери в магнитопроводе от вихревых токов и снизится коэффициент преобразования потребляемой двигателем энергии источника питания в механическую энергию якоря. В предлагаемом изобретении роль дросселя органично выполняет устройство удержания якоря, встроенное в конструкцию.
0
2
Включение обмотки удержания последовательно с обмоткой возбуждения позволит за счет роста интервала времени t…t (фиг. 2) накопить в магнитных системах двигателя и устройства удержания необходимое количество магнитной энергии при сравнительно невысоком напряжении источника питания, не прибегая к режиму форсированного питания, вызывающему значительный рост потерь от вихревых токов в магнитопроводах двигателя и устройства удержания якоря.
Кроме того, по сравнению с прототипом, в предлагаемом изобретении имеется возможность уменьшить площадь окна под обмотку 2 в расточке статора 1. При этом значение плотности тока в обмотке возбуждения увеличится, возрастут потери на ее активном сопротивлении, но они будут скомпенсированы притоком энергии в магнитное поле рабочих зазоров из магнитного поля устройства удержания. Уменьшение площади окна обмотки возбуждения при заданных габаритных размерах двигателя позволит увеличить поверхность полюса статора и за счет этого увеличить тяговое усилие дополнительно к описанному выше эффекту преобразования магнитной энергии устройства удержания в энергию магнитного поля рабочих зазоров двигателя.