СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ЯКОРЯ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ
METHOD TO GENERATE RECIPROCAL MOTION OF ANCHOR WITH ELECTROMAGNET DRIVE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным приводам, которые могут быть в составе коммутационных аппаратов и в других электромагнитных системах, в которых требуется получить большой ход движения якоря. В частности, предложенный привод может быть использован в электромагнитных машинах ударного действия, например в молотах, штампах и т.д.
Известен способ формирования поступательного движения якоря с электромагнитным приводом. (См., например, патент РФ №2343580, МПК H01F 7/18, H01H 47/32 «Электромагнитный привод», опубл. 10.01.2009).
В известном электромагнитном приводе движение якоря формируется за счет силы притягивания, создаваемой катушкой электромагнита, получающей электропитание от переменного или постоянного тока.
Недостаток известного технического решения состоит в том, что движение якоря в нем ограничено относительно небольшим ходом, что снижает диапазон его возможного применения.
Более близким по технической сущности и принятым за прототип является способ формирования поступательного движения якоря с электромагнитным приводом, описанный в патенте РФ №2046540, МПК 6 H02P 7/62, «Электромагнитный привод возвратно-поступательного движения», опубл. 20.10.1995.
В известном способе поступательное движение ферромагнитных якорей создается за счет электромагнитных приводов, выполненных в виде нескольких электромагнитов, размещенных один за другим в осевом направлении, включенных между собой согласно и получающих электропитание.
Система обеспечивает некоторое увеличение быстродействия и КПД привода.
Недостаток известного способа формирования поступательного движения якорей в электромагнитном приводе заключается в том, что в нем, так же как и в аналоге, не удается обеспечивать большой диапазон движения подвижного якоря. Кроме того, при малой величине свободного выбега якоря он обладает малым запасом кинетической энергии, поэтому известный привод нельзя использовать, например, в машинах ударного действия.
Целью данного изобретения является увеличение диапазона движения якоря, обеспечение повышенного зазора между подвижным и неподвижным контактом, повышение кинетической энергии якоря в процессе движения и повышение КПД.
Поставленная цель достигается за счет того, что в способе формирования поступательного движения якоря с электромагнитным приводом, побуждающим якорь перемещаться поступательно за счет включенных согласно расположенных один за другим в осевом направлении электромагнитов, согласно изобретению каждый электромагнит снабжают индивидуальным якорем, зазор между якорем и каждым последующим по направлению хода движения якорей электромагнитом устанавливают равным nδ, где δ - это зазор между первым якорем и первым электромагнитом, n - множитель, равный номеру электромагнита, к которому относится тот или иной якорь, для этого якоря снабжают цилиндрическими стержнями, в центре всех электромагнитов выполняют сквозные отверстия, через которые пропускают указанные стержни так, что головка каждого стержня соприкасается с тыльной поверхностью якоря, относящегося к последующему за ним электромагниту.
В варианте технического решения все электромагниты включают одновременно.
В варианте технического решения включение каждого последующего электромагнита производят от контактов предыдущего по ходу движения якоря.
В варианте технического решения после завершения перемещения каждого предыдущего по ходу движения электромагнита его отключают с помощью нормально-замкнутого контакта последующего электромагнита.
В варианте технического решения концевую часть последнего по ходу направления движения якоря снабжают ударной головкой.
В варианте технического решения расстояния между электромагнитами выполняют одинаковыми.
В варианте технического решения расстояние между каждым последующим по направлению хода движения электромагнитом выполняют с увеличением на nδ.
Установление зазора между подвижным якорем и неподвижным электромагнитом каждого последующего по ходу направления движения электромагнитного привода равным nδ, где δ - это зазор между первым якорем и первым электромагнитом, n - множитель, равный номеру электромагнита, к которому относится тот или иной якорь, позволяет обеспечить суммарный зазор между последним по ходу движения якорем и электромагнитом равным nδ, где n - общее число электромагнитов.
Наличие цилиндрических стержней, проходящих через сквозные отверстия электромагнитов так, что головка каждого стержня соприкасается с тыльной поверхностью якоря, относящегося к последующему за ним электромагниту, обеспечивает последовательную и нарастающую скорость движения подвижной системы якорей.
Включение всех электромагнитов одновременно упрощает систему управления электроприводом, приводящим в движение якоря.
Включение каждого последующего электромагнита за счет контактов предыдущего по ходу движения электромагнита способствует снижению общего пускового тока при включении системы привода электромагнитов.
Отключение каждого последующего по ходу движения электромагнита с помощью нормально-замкнутого контакта последующего электромагнита позволяет уменьшить нагрев катушек или повысить их тяговую силу при включении. Одновременно снижается и общий пусковой ток.
Снабжение концевой части якоря последнего по ходу направления движения якоря ударной головкой и выведение ее за пределы электромагнита дает возможность получить ударный инструмент с большим ходом ударной части, большой кинетической энергией и высокой скоростью удара.
Вариант, когда расстояния между электромагнитами выполняют одинаковыми, позволяет упростить конструкцию системы.
Если расстояние между каждым последующим по направлению хода движения электромагнитом выполняют с увеличением на nδ, то в этом случае уменьшаются габаритные размеры электропривода.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 показана конструкция устройства, иллюстрирующая предложенный способ.
На фиг.2 изображено устройство ударной головки.
На фиг.3 представлен вариант принципиальной электрической схемы одновременного включения электромагнитов.
На фиг.4 - принципиальная электрическая схема с последовательным включением электромагнитов.
На фиг.5 - вариант принципиальной электрической схемы с последовательным отключением электромагнитов.
На фиг.6 показано устройство нормально-замкнутого контакта.
На фиг.7 представлен вариант конструкции устройства.
Конструкция, реализующая способ формирования поступательного движения якоря с электромагнитным приводом выполнена следующим образом. Неподвижные электромагниты 1, 2, 3, 4, 5 (фиг.1) расположены на равном расстоянии один за другим в осевом направлении и прикреплены к общему корпусу (на фиг. не показан). Подвижные части - якоря соответственно 6, 7, 8, 9, 10 электромагнитов установлены по отношению к каждому электромагниту с зазором (на фиг. не обозначен), различающимся на величину nδ, где δ - зазор первого по ходу движения якоря, n - множитель, имеющий номер электромагнита, к которому относится тот или иной якорь. На фиг.1 отсчет начинается слева направо. В центре всех электромагнитов имеется сквозное отверстие (на фиг. не обозначено), сквозь которое свободно проходит цилиндрический стержень (на фиг. не обозначен), жестко соединенный с соответствующим якорем. Длина каждого стержня такова, что его головка соприкасается с тыльной поверхностью якоря, относящегося к последующему за ним электромагниту. В частности стержень якоря 6 соприкасается с тыльной стороной якоря 7, стержень якоря 7 соприкасается с тыльной стороной якоря 8 и т.д. Электромагниты снабжены двойными обмотками возбуждения 11, 12, 13, 14, 15, обеспечивающими поступательное движение соответствующего якоря. Обмотки каждого якоря разделены в центре из-за сквозных отверстий и включены последовательно. Между якорем и соответствующим электромагнитом установлены возвратные пружины (на фиг. не обозначены). Жесткость пружин обратно пропорциональна зазору между соответствующим якорем и электромагнитом. Каждый электромагнитный привод снабжают нормально-открытым контактом соответственно 16, 17, 18, 19 и 20. При этом расстояние между контактами различается на величину nδ. Т.е. расстояние между контактами 20 последнего по направлению движения привода оказывается наибольшим. Помимо указанных нормально-открытых контактов каждый привод снабжен нормально-замкнутым контактом. На фиг.1 показан один такой контакт, обозначенный цифрой 21.
В варианте технического решения концевую часть головки цилиндра якоря 10, последнего по ходу направления движения якорей, связанного с электромагнитом 5 (фиг.2), выводят сквозь отверстие за пределы этого электромагнита и снабжают ее ударной головкой 22.
В варианте технического решения обмотки 11, 12, 13, 14, 15 всех электромагнитов (фиг.3) включают одновременно, для чего служит общий выключатель 23.
В варианте технического решения включение каждого последующего электромагнита производят за счет нормально-открытых (н-о) контактов предыдущего по ходу движения якорей электромагнита. В частности, как это показано на фиг.4, н-о контакт 16 при перемещении якоря 6 установлен в цепи питания обмотки 12 соответствующего электромагнита, н-о контакт 17 находится в цепи питания обмотки 13, н-о контакт 18 расположен в цепи питания обмотки 14 и, наконец, н-о контакт 19 включен в цепи обмотки 15. Последний контакт 20 является рабочим и предназначен для включения или отключения нагрузки.
В варианте технического решения после срабатывания каждого предыдущего по ходу движения электромагнита его отключают с помощью нормально-замкнутого контакта последующего якоря. В частности, как это показано на фиг.5, нормально-замкнутый (н-з) контакт 24 размыкает цепь питания обмотки 11, н-з контакт 25 размыкает цепь питания обмотки 12, н-з контакт 26 размыкает цепь питания обмотки 13 и, наконец, н-з контакт 27 размыкает цепь питания обмотки 14. Обмотка возбуждения 15 в своей цепи н-з контакта не имеет.
Нормально-замкнутые контакты, производящие последовательное отключение предыдущих обмоток возбуждения состоят из контактных элементов 28 (фиг.6), один из которых сочленен с корпусом неподвижного электромагнита 29. Второй контактный элемент сочленен также с неподвижным корпусом и расположен на гибкой пластине 30. В свою очередь якорь снабжен выступом 31, выходящим за пределы его поверхности, обращенной в сторону притягивающего его электромагнита. Высота выступа несколько меньше зазора δ.
В варианте технического решения расстояние между каждым последующим по направлению хода движения якорей электромагнитом увеличивают на nδ (фиг.7). На фиг.7 сходные элементы имеют одинаковое с фиг.1 обозначение.
Электропитание схемы может осуществляться как от цепи переменного, так и постоянного тока.
Способ формирования поступательного движения якоря с электромагнитным приводом работает следующим образом.
При включении общего включателя 23 (фиг.3) на все обмотки электромагнитов одновременно подается электропитание. За счет электромагнитных сил, создаваемых обмотками, все якоря будут стремиться притянуться к полюсам соответствующих электромагнитов. Однако поскольку зазоры между якорями и электромагнитами различаются, то наибольшая электромагнитная сила будет иметь место между электромагнитом 1 и якорем 6 (фиг.1) При этом головка его цилиндрического стержня, соприкасаясь с тыльной поверхностью якоря 7, будет перемещать этот якорь в сторону электромагнита 2, сокращая расстояние между ним и электромагнитом 2 на величину δ. Аналогичное действие будут производить все цилиндрические стержни, проталкивая соответствующие якоря. Когда зазор между якорем 7 и электромагнитом 2 достигнет величины δ, сила взаимодействия между ними достигнет номинальной величины, а цилиндрический стержень его якоря продвинет последующий якорь 8 в сторону электромагнита 3. За счет имеющейся связки между головками стержней и следующих за ними якорей все они продолжат движение. Когда расстояние между якорем 8 и электромагнитом 3 достигнет значения δ, их взаимодействие продолжит активный процесс перемещения последующих якорей. Затем устанавливается зазор δ между якорем 9 и электромагнитом 4. Вступая в период активного движения, он также продвинет все оставшиеся якоря на величину δ. Процесс продолжится и на конечной стадии вступает в свой активный черед взаимодействие между якорем 10 и электромагнитом 5. При этом сам процесс движения будет в некоторой степени напоминать пуск многоступенчатой ракеты, так как каждое новое включение последующего электромагнита будет сообщать подвижной системе якорей дополнительное ускорение. Поэтому последняя ступень включения будет двигать якорь 10 с большей скоростью, чем предыдущие, и с большей скоростью, чем в традиционных релейно-контактных устройствах. Таким образом, за счет последовательного активного взаимодействия всех электромагнитных приводов удается обеспечить ускоренное движение якорей, увеличить просвет между контактами последней ступени включения. Очевидно, что повышенный в несколько раз зазор между контактами, превосходящий по величине в сравнении с традиционной системой, и более высокая скорость движения контактов может обеспечить улучшенные коммутационные свойства системы. При этом движение на размыкание будет происходить с ускорением, что снизит вероятность возникновения электрической дуги между размыкаемыми контактами. Для возвращения системы в исходное состояние достаточно разомкнуть контакт 23 (фиг.3).
Высокая скорость движения последней ступени включения позволяет применить данный способ в ударных устройствах. Для этого концевую часть цилиндрического стержня якоря 10 (фиг.2), последнего по ходу движения электромагнита, снабжают ударной головкой 22.
Если включение каждого последующего электромагнита производят за счет н-о контактов предыдущего по ходу движения электромагнита, (фиг.4), то это приведет к снижению общего пускового тока при включении системы привода электромагнитов.
В варианте, когда отключение каждого последующего по ходу движения электромагнита производится с помощью нормально-замкнутого контакта (фиг.5), выступы 31 (фиг.6) каждого якоря нажимают на гибкую пластину 30, что приводит к размыканию контактов 26 и выключению предыдущего электромагнита. За счет указанной длины выступа выключение производится после того, как предыдущий якорь достиг своего крайнего, втянутого состояния. Этот способ позволяет уменьшить нагрев катушек или повысить их тяговую силу при включении. Одновременно снижается и общий пусковой ток.
Если расстояние между каждым последующим по направлению хода движения электромагнитом увеличивают на nδ (фиг.7), то в этом случае уменьшается общая длина всего устройства, что и снижает габаритные размеры возвратно-поступательного электромагнитного привода.
Особым достоинством данного изобретения является возможность применить устройства, выполненные согласно предлагаемому способу в качестве ударного инструмента, способного, например, забивать гвозди, пробивать отверстия в стенах и т.д. Такое решение повышает универсальность системы.
Технико-экономические достоинства способа формирования поступательного движения якоря с электромагнитным приводом заключаются в следующем.
1. Увеличен в несколько раз зазор между контактами в сравнении с традиционными релейно-контактными системами, что обеспечивает улучшенные коммутационные свойства таких реле или контакторов.
2 Повышена универсальность устройств, поскольку они могут выполнять функции ударных инструментов.