ИНДУКЦИОННО-ДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИВОД
INDUCTIVE DYNAMIC DRIVE

Изобретение относится к электрическим приводам с индукционно-динамическим двигателем, применяемым для создания импульсных механических воздействий на нагрузку, например, в источниках сейсмических колебаний, использующихся для выполнения сейсморазведочных работ на поверхности земли или в воде, а также в устройствах для различных промышленных технологий, требующих приложения к нагрузке импульсных механических воздействий.
Известно техническое решение индукционно-динамического привода (Л.Н.Карпенко. Быстродействующие электродинамические отключающие устройства. Изд-во «Энергия», Ленинградское отделение, 1973 г., стр.5…10), принятое за аналог. Это решение содержит емкостной накопитель энергии с зарядным устройством, коммутирующий прибор для разряда накопителя на обмотку возбуждения индукционно-динамического двигателя и шунтирующий обмотку возбуждения силовой диод.
При разряде через коммутирующий прибор емкостного накопителя энергии на катушку возбуждения двигателя создается магнитное поле, проходящее между катушкой и прилегающим к плоскости катушки электропроводящим якорем, в котором индуцируется электрический ток. При этом между катушкой и якорем создается электродинамическая сила, передаваемая якорем на рабочий объект-нагрузку в виде подвижного устройства электрического выключателя.
Недостаток аналога состоит в низком значении создаваемого двигателем механического импульса на якорь, обусловленного снижением индукции магнитного поля между катушкой и якорем и, следовательно, создаваемой механической силы, за счет диффузии магнитного поля из зазора в материал катушки и якоря на глубину проникновения поля и за счет увеличения зазора между якорем и катушкой возбуждения при работе привода. Это техническое решение также не позволяет оперативно изменять длительность создаваемой силы и создаваемого механического импульса, что снижает его технические характеристики и ограничивает возможности применения.
Известно устройство (прототип) для возбуждения сейсмических колебаний (Изобретение SU 1817707 A3, опубл. 23.05.93 в бюл. №19), индукционно-динамический привод которого содержит две накопительные емкости с общим зарядным устройством и два тиристора с индивидуальными схемами их управления. Индукционно-динамический двигатель выполнен с двумя расположенными концентрично и в одной плоскости катушками возбуждения. Якорь двигателя выполнен в виде прилегающей к катушкам электропроводной мембраны сейсмоисточника, перемещение которой при работе привода создает давление в водной среде, что сопровождается созданием в ней сейсмических волн.
Признаками технического решения по прототипу, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются обмотка возбуждения индукционно-динамического двигателя, применение емкостного накопителя энергии с зарядным устройством и коммутируемого прибора для разряда накопителя на обмотку возбуждения.
Предложенный в прототипе привод имеет следующие недостатки, снижающие создаваемое им усилие на якорь двигателя, технические и эксплуатационные характеристики привода. Диффузия магнитного поля из зазора между катушкой возбуждения и якорем снижает энергию магнитного поля в зазоре и величину создаваемого приводом механического импульса. Привод не обеспечивает оперативного управления длительностью создаваемого механического импульса. Применение двух емкостных накопителей энергии, которые через отдельные управляемые приборы (тиристоры) подключаются к соответствующим катушкам обмотки возбуждения двигателя через три питающих кабеля, снижает надежность работы и технические характеристики привода.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении создаваемого приводом механического импульса, обеспечении возможности оперативного управления длительностью создаваемого усилия и повышения технических характеристик привода.
Технический результат предложенного решения состоит в увеличении и регулировании длительности тока в обмотке возбуждения при его близких к максимальным значениях.
Упомянутые задача и технический результат достигаются тем, что предложенное техническое решение содержит индукционно-динамический двигатель, к обмотке возбуждения которого через управляемый коммутирующий прибор присоединен первый накопительный конденсатор с зарядным устройством, к первому конденсатору через диод присоединен второй накопительный конденсатор, снабженный зарядным устройством с регулируемым выходным напряжением, а параллельно обмотки возбуждения присоединен второй диод.
На фиг.1 приведена электрическая схема привода с индукционно-динамическим двигателем, а на фиг.2 - графики изменения напряжений и тока в основных элементах схемы и создаваемых двигателем импульсных сил.
Привод содержит конденсатор 1 (емкостной накопитель энергии) с устройством 2 для его заряда. Тиристор 3 включен в цепь разряда конденсатора 1 на катушку 4 обмотки возбуждения индукционно-динамического двигателя, якорь которого выполнен в виде прилегающей к плоскости катушки электропроводной пластины 5. Параллельно конденсатору 1 через диод присоединен конденсатор 7, снабженный зарядным устройством 8 с регулируемым выходным напряжением. Диод 9 присоединен параллельно катушке 4.
2m
1m
m1
2m
1m
2m
Работает привод (фиг.1) следующим образом. Конденсаторы 1 и 7 схемы питания привода в исходном состоянии заряжены, соответственно, от зарядных устройств 2 и 8 до необходимых напряжений, причем максимальное зарядное напряжение на конденсаторе 7 может регулироваться посредством зарядного блока от нуля до некоторого значения U, которое меньше, чем U, где U - напряжение предварительного заряда конденсатора 1 (например, U=0,5U). Возможность изменения U необходима для обеспечения изменения создаваемого приводом механического импульса.
(э)
При открытии тиристора 3 (фиг.1) (схема его управления на фиг.1 не показана) конденсатор 1 разряжается на катушку возбуждения 4 двигателя, что приводит к созданию вокруг катушки магнитного потока Ф, индуцированию вихревого тока в прилегающего к плоскости катушки электропроводного якоря 5 и созданию между катушкой 4 и якорем 5 электродинамической силы Р, определяемой током i в катушке возбуждения 4 и эквивалентным значением индуктивности L катушки возбуждения.
где х - зазор между катушкой и якорем.
2m
2m
2m
1m
На фиг.2 приведен характер изменения тока в катушке возбуждения двигателя и создаваемой им силы Р для двух крайних случаев, отличающихся значением напряжения U на конденсаторе 7 (U=0 и U≈0,5·U).
2m
2
1
1
2
При U=0 конденсатор 7 не участвует в работе привода. Напряжение 10 конденсатора 1 при его разряде на катушку 4 через тиристор 3 уменьшается к моменту t до нуля и катушка 4 закорачивается диодом 9. Ток 11 к моменту t достигает максимума и на интервале времени от t до t уменьшается за счет влияния активного сопротивления разрядной цепи, а также диффузии магнитного потока Ф в материал катушки возбуждения 4 и якоря 5 и увеличения зазора между катушкой и якорем при перемещении якоря под действием силы Р (кривая 12). Создаваемая двигателем сила Р в соответствии с (1) пропорциональна значению тока I в квадрате и показана на фиг.2 графиком 12.
0
2
Генерируемый двигателем на интервале времени от t до t механический импульс
1
где P - сила 12 на фиг.2.
2m
1m
1
1
Для увеличения создаваемого двигателем механического импульса конденсатор 7 заряжают от зарядного блока 8 до некоторого напряжения U, значение которого меньше напряжения U заряда конденсатора 1. В этом случае при разряде конденсатора 1 и снижении напряжения 10 на нем до уровня напряжения на конденсаторе 7 включается диод 6 (момент t на фиг.2). Подключение конденсатора 7 к конденсатору 1 приводит к увеличению их общей емкости. Поэтому, именно с момента времени t, скорость изменения напряжения 13, прикладываемого к катушке 4, уменьшается. При уменьшении напряжения 13 до нуля в момент времени  диод 9 открывается и шунтирует катушку 4 обмотки возбуждения.
1
На интервале времени от t до  в магнитное поле возбуждения двигателя от конденсатора 7 передается дополнительно его энергия, что приводит к поддержанию тока 14 в катушке возбуждения на более высоком уровне, чем ток 11, который был в ней при разряде на катушку возбуждения только конденсатора 1, и соответствующему увеличению развиваемой силы 15 и создаваемого двигателем механического импульса
2
где Р - сила 15 на фиг.2.
Увеличению создаваемого предложенным приводом механического импульса
на фиг.2 соответствует заштрихованная площадь, ограниченная графиками силы 15 и силы 12, которая зависит от величины напряжения заряда конденсатора 7 и, следовательно, может оперативно изменяться посредством изменения напряжения заряда конденсатора 7 от его зарядного устройства 8. Закорачивание диодом 9 катушки 4 возбуждения в момент времени  обеспечивает однополярный по напряжению режим работы конденсатора 1, что приводит к уменьшению потерь в нем, необходимой мощности зарядного устройства 2 и повышению надежности привода.
Применение индукционно-динамического привода с оперативно регулируемой величиной создаваемого им механического импульса позволяет повысить эффективность импульсных технологических устройств.
Например, сейсмоисточники с использованием в них предложенного привода позволяют обеспечивать более эффективные режимы механического воздействия на поверхность грунта различной плотности (наземные сейсмоисточники), а также управлять спектром создаваемых сейсмических волн в грунтовом полупространстве и в водной среде, что повышает качество и производительность сейсморазведочных работ.
Индукционно-динамический привод может быть эффективно применен в ударных устройствах с регулируемым механическим воздействием на рабочее тело, например при клепке, формовке деталей и в других случаях.