Способ построения линейного электропривода
METHOD FOR CONSTRUCTING A LINEAR ELECTRIC DRIVE

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения, в частности, к линейным вентильным электродвигателям, а именно способу обеспечения поступательного движения подвижной части (слайдера) линейного электродвигателя.
Из уровня техники известно, что на сегодняшний день линейные электродвигатели нашли применение во многих отраслях промышленности, в частности, в нефтедобывающей промышленности, где эффективно используются в качестве приводов для плунжерных погружных насосов. Из патентов на изобретения: UA115401 от 25.10.2017, UA118287 от 26.12.2018, UA118520 от 25.01.2019, RU2615775 от 11.04.2017, а также заявок на изобретения WO/2019/108160 от 11.07.2018, US20170284177A1 от 05.10.2017 известны погружные насосные установки с трехфазным линейным вентильным электродвигателем, где в расточке статора установлена подвижная часть (слайдер), который выполнен из постоянных магнитов и приводится в движение под воздействием бегущего магнитного поля статора.
Также из уровня техники известны магнито-винтовые и спиральные шаговые двигатели, где подвижная часть выполняет поступательное движение с одновременным спиральным вращением. Ниже приведены примеры известных технических решений. Основными преимуществами такого типа двигателей является высокая мощность электродвигателя, а также возможность точного позиционирования подвижной части.
На ряду с указанными преимуществами известные решения имеют и недостатки, такие как: наличие паразитного вращения ротора при поступательном движении, излишний нагрев, не возможность применения в высокочастотных двигателях, многодетальность и сложность сборки конструкции.
Заявленное изобретение призвано решить известные недостатки уровня техники.
Из патента на изобретение РФ № 2183773 от 20.02.2002 известна бесконтактная магнитная винтовая передача. Известное изобретение предназначено для создания сверхточного линейного привода в станкостроении, метрологии, оптике и электронной промышленности.
Бесконтактная магнитная винтовая передача содержит винт и гайку, включающую постоянный магнит, выполненный в виде кольца с направлением намагничивания вдоль его оси, установленный между магнитопроводами с полюсными наконечниками. На винте и полюсных наконечниках выполнена мелкомодульная резьба, канавки которой заполнены твердым немагнитным материалом заподлицо с вершинами гребней резьбы. Винт и гайка взаимодействуют между собой через радиальный зазор, в который через аэростатические дроссельные узлы, установленные на краях гайки, по подводящим каналам подается сжатая текучая среда от внешнего источника. В качестве аэростатических дроссельных элементов могут быть использованы кольца из пористого материала, жиклеры, калиброванные щелевые отверстия. В описанном изобретении повышена кинематическая точность и жесткость передачи при малых габаритных размерах.
К недостаткам известного технического решения можно отнести сложность конструкции, что усложняет его применение в разных отраслях промышленности. Также недостатком можно считать наличие паразитного вращательного движения, что снижает КПД системы.
Также из заявки на изобретение WO2016173293A1 от 03.11.2016 известен статорно-роторный механизм спирального шагового двигателя. Ротор содержит центральный вал и множество блоков ротора, причем блоки ротора непрерывно или раздельно равномерно расположены на окружности центрального вала. Статор содержит множество блоков статора, барьерный слой и крышку, причем блоки статора и блоки ротора в радиальном направлении расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. В заданном направлении осевая ширина рабочей поверхности блока статора  равна ширине оси блока ротора. Блоки статора выровнены относительно блоков ротора. Когда двигатель работает, между блоками статора и блоками ротора  создается динамическое спиральное магнитное поле, и под действием спирального магнитного поля возникает прямолинейное и круговое движение без трения между блоками статора и ротора. Согласно спиральному шаговому двигателю, одна из двух частей может совершать круговое движение, а другая – прямолинейное движение, или одна часть одновременно совершает круговое движение и прямолинейное движение.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести наличие паразитного вращательного движения ротора, что снижает КПД системы, а также приводит к дополнительному нагреву двигателя.
Техническая задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключается в реализации способа обеспечения поступательного движения подвижной части линейного электродвигателя, что позволяет повысить КПД системы, расширить ее функциональные и эксплуатационные возможности, а также обеспечить высокую точность управления положением подвижной части электродвигателя.
Технический результат, достигнутый от реализации заявленного изобретения заключается в повышении удельной мощности электродвигателя, уменьшении шага полюсного деления, что приводит к повышению точности позиционирования подвижной части электродвигателя.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что согласно заявленному способу на обмотке статора формируют вращающееся магнитное поле, при этом расточку статора находящуюся в магнитном поле постоянных магнитов слайдера выполненного с постоянным радиальным магнитным сопротивлением, формируют с постоянным магнитным сопротивлением замкнутым через элементы слайдера по спирали зубцового винта. Таким образом обеспечивают концентрацию магнитного поля статора на зубцовом винте и перемещение вектора магнитного поля статора в немагнитном зазоре между статором и слайдером по траектории, заданной указанным зубцовым винтом. Посредством чего, вектор магнитного поля статора в пределах каждого витка зубцового винта взаимодействует с вектором магнитного поля слайдера, формируя вектор силы F с движущей осевой составляющей Fx, преобразуя вращательно-поступательное движение магнитного поля статора в поступательное движение слайдера.
Возвратно-поступательное движение слайдера обеспечивают посредством периодической смены фаз питающего напряжения обмотки статора, чем обеспечивают смену направления перемещения вектора магнитного поля статора по зубцовому винту.
В приведенном варианте реализации изобретения, при поступательном движении слайдер, позиционируют относительно статора посредством ограничителей радиального перемещения обеспечивая постоянный немагнитный зазор между элементами статора и слайдера. Зубцовый винт магнитопровода линейного привода формируют, по меньшей мере, однозаходным.
Сущность заявляемого изобретение поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами:
фиг.1 - конструктивная схема линейного электропривода (вариант 1);
фиг.2 - конструктивная схема линейного электропривода (вариант 2);
фиг.3 - конструктивная схема линейного электропривода (вариант 3);
фиг.4 - схема взаимодействия магнитных полей статора и слайдера линейного электропривода в определенный момент времени.
Заявляемое изобретение может быть реализовано в различных технологических процессах и механизмах где существует необходимость обеспечения контролируемого поступательного движения механизмов с высокой точностью позиционирования подвижных частей, в частности, в медицине, робототехнике, станкостроении, машиностроении.
Заявленное изобретение объединяет в себе преимущества известных из уровня техники способов обеспечения возвратно-поступательного движения слайдера (ротора) электродвигателя, устраняя при этом указанные выше недостатки.
Согласно одному из возможных вариантов реализации изобретения, линейный привод 1 (фиг.1-3) может быть реализован при построении линейного вентильного электродвигателя (ЛВЭД) и состоит из статора 2, содержащего магнитопровод из магнитного материала и трехфазную обмотку. Также указанный ЛВЭД содержит подвижную часть (слайдер) 3 выполненный с постоянным магнитным сопротивлением, выполняющую возвратно-поступательные движения относительно статора 2. Слайдер 3 (фиг.2) сформирован из набора постоянных магнитов 4 c концентраторами 5 магнитного поля между ними.
Также возможен вариант выполнения без концентраторов магнитного поля, при этом магниты установлены вблизи друг друга, а векторы магнитных полей концентрируются между соседними магнитами.
Постоянные магниты 4 установлены последовательно с периодической сменой полярности SN одного магнита по отношению к предыдущему NS. В одном из возможных вариантов реализации слайдер 3, выполняют из немагнитного стержня, при этом постоянные магниты 4 выполнены в виде колец и установлены на поверхности стержня, такая форма магнитов позволяет обеспечить постоянное магнитное сопротивление. Концентраторы 5 имеют больший радиальный размер по отношению к магнитам 4 и установлены периодически, разделяя магниты. Концентраторы 5 обеспечивают позиционирование слайдера 3 относительно статора 2, ограничивая радиальное перемещение и формируют постоянный немагнитный зазор 6 между расточкой статора и элементами слайдера. В приведенном варианте реализации слайдер 3, установлен внутри расточки статора 2. Также возможен вариант (фиг.2), при котором расточка статора 2 расположена внутри слайдера 3, при этом слайдер выполнен пустотелым.
В приведенном варианте реализации изобретения статор 2 состоит из шихтованного магнитопровода. Расточка статора содержит зубцовый винт 7 (фиг.3) с немагнитным винтовым зазором 8. Указанный зубцовый винт выполняют, по меньшей мере, однозаходным, при этом, повышение количества витков винта обеспечивает повышение удельной мощности электропривода. Немагнитный винтовой зазор 8 сформирован между зубцами 9 магнитопровода. В пазах между зубцами уложена обмотка статора (на фиг.3 обмотка обозначена чередованием фаз А;В;С между зубцами 9-9n). Немагнитный винтовой зазор 8 сопряжен с немагнитным зазором 6 между слайдером 3 и статором 2. На зубцах 9 указанного винта 7 концентрируется магнитное поле статора. Постоянный радиальный немагнитный зазор 6 между зубцами статора 9 и магнитами с концентраторами 5 магнитного поля слайдера 3 обеспечивает одинаковое радиальное магнитное сопротивление в каждой точке поверхности слайдера, что не позволяет магнитному потоку статора 2 провернуть слайдер 3 относительно его продольной оси.
Реализованный в описанном конструктивном решении способ построения линейного привода заключается в том, что на обмотку статора 2 подаются импульсы напряжения управляемой частоты, создающие вращающееся магнитное поле, вектор которого концентрируется на зубцах 9 расточки статора 2. Направление векторов в каждом из зубцов статора 2 в один из моментов времени обозначено на фиг.3 условными обозначениями, круг с точкой и круг с крестиком. Расточку статора 2 находящуюся в магнитном поле постоянных магнитов 4 слайдера 3 с постоянным радиальным магнитным сопротивлением, формируют с постоянным магнитным сопротивлением замкнутым через элементы слайдера 4,5 по спирали зубцового винта 7, чем обеспечивают концентрацию магнитного поля статора на зубцовом винте 7. При этом указанные конструктивные признаки задают вращающемуся магнитному полю поступательное движение, перемещая вектор магнитного поля статора по траектории заданной указанным винтовым немагнитным зазором 8 по зубцовому винту 7. Таким образом, вектор 10 магнитного поля статора в пределах каждого витка зубцового винта 7 взаимодействует с вектором 11 магнитного поля слайдера, формируя вектор силы F с движущей осевой составляющей Fx (вектор перемещения), преобразуя вращательно-поступательное движение магнитного поля статора в поступательное движение слайдера 3.
Согласно приведенному варианту реализации изобретения возвратно-поступательное движение слайдера обеспечивают посредством периодической смены фаз питающего напряжения обмотки статора 3. В результате чего вектор магнитного поля статора перемещается по зубцовому винту 7 с периодической сменой направления.
Во временя поступательного движения слайдер 3 позиционируют относительно статора 2 посредством ограничителей радиального перемещения, обеспечивая постоянный немагнитный зазор 6. В данном варианте реализации концентраторами 5, обеспечивают постоянный радиальный немагнитный зазор 6 между элементами статора 2 и слайдера 3, обеспечивая, таким образом, постоянное магнитное сопротивление по всей окружности слайдера 3.
Также постоянство немагнитного зазора может обеспечиваться без дополнительных конструктивных элементов постпредством взаимодействия магнитных полей статора и слайдера.
На фиг. 3 показано состояние магнитной системы и элементов конструкции линейного привода в определенный момент времени, что в полной мере отображает работу системы согласно заявленному способу, так как система является цикличной. На приведенной схемы отображены величины векторов Fx в один из моментов времени. Величина вектора Fx, а значит, сила перемещения увеличивается с приближением зубца статора 9n к концентратору слайдера 5n, при этом в немагнитном зазоре также возникает сонаправленный вектор Fx меньшей величины, который будет увеличиваться по мере приближением зубца к концентратору с уменьшением немагнитного зазора.
Реализация заявленного способа позволяет создать высокочастотный линейный привод, уменьшив шаг полюсного деления на слайдере, чем  повысить точность позиционирования слайдера. Также описанное решение позволяет повысить КПД, а значит и удельную мощность (Н/мм), так как, векторы магнитного поля статора непрерывно взаимодействуют с магнитным полем постоянных магнитов слайдера, создавая силу перемещения Fx по всей поверхности концентраторов магнитного поля или магнитов в варианте исполнения без концентраторов.