Линейный двигатель с подвижным магнитом
LINEAR ENGINE WITH MOBILE MAGNET

Область техники
Изобретение относится к электромеханике. Основная область применения - это быстродействующие линейные сканирующие системы, преимущественно в системах сканирования Фурье-спектрометров. Для обеспечения необходимого отношения с/ш система сканирования должна обладать достаточным быстродействием чтобы подавлять внешние возмущения.
Уровень техники
Известен линейный двигатель для малых (несколько миллиметров) перемещений [1]. Данный двигатель выполнен в виде двух катушек индуктивности, обмотки которых расположены на магнитопроводе параллельно друг к другу с зазором между ними. В зазоре между катушками индуктивности расположен магнит, магнитное поле которого направлено от одной катушки индуктивности к другой. Токи в витках, обращенных к магниту, имеют одинаковое направление. Магнит установлен на направляющей, обеспечивающей его перемещение в направлении, перпендикулярном виткам катушек индуктивности вдоль их осей намотки. Т.к. магнитопровод в данном аналоге представляет собой U-образный сердечник, то из-за асимметрии конструкции имеются значительные силы, действующие на магнит, не связанные с токами в обмотках, что приводит к сильному изменению коэффициента преобразования (отношение силы, действующей на магнит, к управляющему току в обмотках) в зависимости от направления перемещения магнита. Кроме того, т.к. магнитопровод частично замкнут, а обмотки включены последовательно и согласно, то величина их индуктивности достаточно велика. Оба этих фактора приводят к ограничению быстродействия двигателя.
Наиболее близкое устройство по конструкции представлено в [2], где магнитная система выполнена в виде U-образного сердечника с частичным замыканием открытой части. Данное решение, в силу большей симметрии конструкции, позволяет снизить силы, действующие на магнит, не связанные с токами в обмотках, но т.к. магнитная система дополнительно замкнута, величина индуктивности обмоток катушек индуктивности увеличена, что также ограничивает быстродействие двигателя.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения состоит в том, что магнитопровод линейного двигателя с двумя катушками индуктивности, между которыми расположен магнит 3, выполнен в виде двух магнитно не связанных сердечников 1 с прямоугольным сечением, соединенные между собой немагнитными перемычками 4, на каждом из которых расположено по одной обмотке 2 (Фиг. 1). Это обеспечивает существенное снижение силы действующей на магнит, не связанной с токами в обмотках из-за симметричности магнитопровода, кроме того, снижается индуктивность соединенных обмоток при увеличении силы на единицу тока, действующей на магнит, т.к. магнитная цепь, образованная сердечниками, оказывается полностью разомкнутой (кроме замыкания сердечников магнитопровода через воздушный зазор).
Установка ферромагнитных пластин 5 на немагнитных перемычках 4 по оси симметрии линейного двигателя, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, позволяет дополнительно компенсировать магнитные силы, действующие на магнит в направлении перемещения, не связанные с токами в обмотках катушек индуктивности (Фиг. 2-3). Это обеспечивает дополнительное снижение изменения коэффициента преобразования в зависимости от положения магнита по диапазону перемещения. Как видно из этих зависимостей, величина действующих сил на постоянный магнит снижается приблизительно в 4-5 раз.
Описание чертежей
На Фиг. 1 представлена конструкция линейного двигателя, X - направление перемещения,
где:
1 - сердечники катушек индуктивности,
2 - обмотки катушек индуктивности,
3 – магнит,
4 - немагнитные перемычки,
5 - ферромагнитные пластины.
На Фиг. 2 представлена зависимость действующих сил, не связанных с токами в обмотках, на постоянный магнит в зависимости от положения при отсутствии ферромагнитных пластин.
На Фиг. 3 представлена зависимость сил, не связанных с токами в обмотках, действующих на постоянный магнит при установке ферромагнитных пластин на немагнитных перемычках.
Осуществление изобретения
Конструкция линейного двигателя представлена на Фиг. 1. Катушки индуктивности представляют собой обмотки 2, расположенные на сердечниках 1. Магнитопровод выполнен в виде сердечников 1, соединенных между собой немагнитными перемычками 4. Магнит 3 из NdFeB расположен в воздушном зазоре между катушками индуктивности и установлен на линейной направляющей (на чертеже не показана), обеспечивающей перемещение постоянного магнита вдоль катушек индуктивности (направление X). Линейная направляющая и магнитопровод установлены на общем основании (на чертеже не показано). Для диапазона перемещения 10-15 мм и 240 витков для каждой обмотки, размере магнита 23×21×8 мм коэффициент преобразования составляет не менее 4 N/A при величине суммарной индуктивности обмоток 2.5 мГн.
Работает двигатель следующим образом: при протекании токов в обмотках катушек индуктивности, в одинаковом направлении, на постоянный магнит действует сила, пропорциональная токам в обмотках. Направление перемещения постоянного магнита определяется направлением протекающих токов в обмотках катушек индуктивности.
Источники информации
1. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1989, стр. 30, рис. 2.13.
2. US patent 4456934.