ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
LINEAR ELECTROMAGNETIC PERCUSSION-TYPE MOTOR

Изобретение относится к электромагнитным машинам ударного действия и может быть использовано в машиностроении при производстве электромагнитных прессов, молотов и других ударных импульсных устройств с поступательным движением рабочих органов.
Известен линейный электромагнитный двигатель ударного действия [RU 2192346 C2], состоящий из статора, включающего катушку, магнитопровод и направляющую, внутри которой размещается боек, фиксируемый возвращающим и тормозящим упругими элементами (пружинами), что обеспечивает максимальный запас магнитной энергии в катушке.
Недостатком указанной конструкции электромагнитного двигателя является нестабильность работы в области низких частот, связанная со сложностью синхронизации вынуждающих воздействий тяговых импульсов катушки и частоты собственных колебаний упругих элементов, а также низкая энергия удара при нанесении одиночных ударов.
Известен линейный электромагнитный двигатель ударного действия с удержанием якоря [RU 2111847 С1], состоящий из корпуса с размещенными в нем магнитопроводом с катушкой, к которой жестко примыкает ферромагнитный кольцевой полюс, возвратной пружины, подпружиненной направляющей втулки с установленными в ней бойком, ферромагнитным буфером и буксой с рабочим инструментом. Характерной особенностью линейных электромагнитных двигателей, работающих при относительно небольших рабочих зазорах и обладающих высокой индуктивностью цепи, является то, что время движения бойка значительно меньше времени нарастания тока в цепи обмотки до установившегося значения. Поэтому несомненным преимуществом указанной конструкции является повышение энергии удара за счет удержания якоря на этапе трогания, однако существенным недостатком является нестабильность энергии удара, связанная с тем, что между ферромагнитными поверхностями якоря и буфера в начале каждого цикла возникает дополнительное усилие, обусловленное остаточным намагничиванием, оказывающее влияние на усилие удержание якоря и приводящее к нестабильной энергии удара.
Известна также конструкция однообмоточного линейного электромагнитного двигателя ударного действия, входящего в состав электропривода возвратно-поступательного движения [SU 1136294 A1, который является наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения (прототип). Этот линейный электромагнитный двигатель ударного действия содержит размещенные в немагнитном корпусе цилиндрический статор с катушкой, ограниченной с торцов верхним и нижним полюсами, выполненными в виде ферромагнитных колец, ферромагнитный якорь, возвратную пружину и устройство удержания в виде жестко соединенного с немагнитным корпусом управляемого электромагнита, полюс которого обращен к торцевой части якоря. Такое техническое решение позволяет увеличить удельную энергию удара в 2-3 раза.
Недостатками указанного электромагнитного двигателя с устройством удержания в виде дополнительно устанавливаемого управляемого электромагнита является нестабильность энергии удара, обусловленная остаточным намагничиванием удерживающего электромагнита, а также сложность исполнения.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и повышение стабильности энергии удара линейного электромагнитного двигателя ударного действия.
Указанная задача достигается тем, что в линейном электромагнитном двигателе ударного действия, содержащем размещенные в немагнитном корпусе цилиндрический статор с катушкой, ограниченной с торцов нижним и верхним ферромагнитными полюсами, якорь, подшипники скольжения и возвратную пружину, на якоре и на сопряженной с ним по диаметру внутренней поверхности верхнего ферромагнитного полюса выполнены поперечные кольцевые проточки, образующие кольцевые выступы.
На чертеже показана конструкция предлагаемого линейного электромагнитного двигателя ударного действия на начальном этапе движения в режиме удержания якоря.
Предлагаемый линейный электромагнитный двигатель ударного действия содержит размещенные в немагнитном корпусе 1 с крышкой 2 цилиндрический статор 3, катушку 4, ограниченную с торцов нижним 5 и верхним 6 ферромагнитными полюсами, якорь 7 из ферромагнитного материала, установленный с возможностью осевого перемещения, подшипники скольжения 8, 9 и возвратную пружину 10. Внутренняя поверхность верхнего ферромагнитного полюса 6 сопряжена по диаметру с боковой поверхностью якоря 7. Место сопряжения поверхностей образует нерабочий воздушный зазор Δ. На внутренней поверхности верхнего ферромагнитного полюса 6 по всей его длине с постоянным шагом выполнены кольцевые проточки, образующие кольцевые выступы 12. На боковой поверхности якоря 7 по длине верхнего ферромагнитного полюса 6 выполнены ответные кольцевые выступы 11. Шаг кольцевых выступов 11 на якоре 7 соответствует шагу кольцевых выступов 12 верхнего ферромагнитного полюса 6. Нижняя (рабочая) торцевая поверхность якоря 7 образует с нижним ферромагнитным полюсом 5 рабочий воздушный зазор δ.
Линейный электромагнитный двигатель ударного действия работает следующим образом. В исходном состоянии якорь 7 под действием усилия возвратной пружины 10 находится в крайнем верхнем положении, т.е. верхняя торцевая часть якоря плотно поджата к немагнитному корпусу 1.
При подаче на катушку 4 импульса напряжения по мере нарастания тока в магнитной цепи возбуждается магнитный поток Ф, который последовательно замыкается через сечения цилиндрического статора 3, верхнего ферромагнитного полюса 6, кольцевых выступов 12, нерабочего воздушного зазора Δ, кольцевого выступа 11, якоря 7, рабочего воздушного зазора δ, нижнего ферромагнитного полюса 5 и цилиндрического статора 3.
y
δ
y
δ
В начальный момент протекания тока по катушке 4 электромагнитное усилие удержания F, возникающее между кольцевыми выступами 11, 12, вызванное прохождением магнитного потока Ф через технологический зазор Δ, превышает усилие F, возникающее в рабочем воздушном зазоре δ, т.е. F>F, и якорь 7 остается некоторое время неподвижным.
δ
y
δ
y
y
По мере нарастания тока в цепи катушки 4 и увеличения основного магнитного потока Ф происходит насыщение кольцевых выступов 11, 12, что приводит к перераспределению электромагнитных усилий F и F, действующих на якорь 7. Начиная с момента времени, когда усилие в рабочем зазоре δ превысит усилие удержания, F>F, а магнитная система двигателя обеспечит необходимый запас магнитной энергии, происходит отрыв якоря 7 и ускоренное его перемещение. На интервале движения якоря усилие удержания F=0.
При отключении импульса напряжения после завершения рабочего хода якорь 7 под действием усилия возвратной пружины 10 возвращается в исходное состояние.
Выполнение на внутренней поверхности верхнего ферромагнитного полюса 6 и боковой поверхности якоря 7 поперечных кольцевых выступов 11, 12 обеспечивает бесконтактное электромагнитное удержание якоря 7 в начале рабочего хода. Это позволяет повысить стабильность энергии удара якоря 7 и упростить конструкцию линейного электромагнитного двигателя, так как удержание осуществляется электромагнитными силами катушки 4 без использования дополнительных устройств. Изменением количества кольцевых выступов 11, 12 и их размеров можно регулировать начальное усилие удержания якоря 7 и, как следствие, энергию удара.
Выполнение линейного электромагнитного двигателя ударного действия с поперечными кольцевыми проточками на якоре и на сопряженной с ним по диаметру боковой поверхности верхнего ферромагнитного полюса обеспечивает прохождение основной части магнитного потока на этапе трогания через образовавшиеся кольцевые выступы, что приводит к бесконтактному удержанию якоря на этапе трогания без использования дополнительных устройств удержания и, таким образом, к упрощению конструкции и повышению стабильности энергии удара линейного электромагнитного двигателя ударного действия.