ОБРАТИМАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
REVERSIBLE ELECTRIC MACHINE OF RECIPROCAL MOTION

Изобретение относится к области обратимых электрических машин, преимущественно, двигателям с возвратно-поступательным движением.
Наиболее близкой по технической сущности является обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения, приведенная в [Учебное пособие «Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения», М.Я. Хитерер, И.Е. Овчинников, СПб, изд. «КОРОНА принт», 2004, рис.11, стр.20], содержащая статор с катушкой и якорь, у которых попарно выступы полюсов магнитопроводов в исходном состоянии располагаются напротив друг друга. Причем на поверхности полюсного выступа якоря закреплены два постоянных магнита, векторы намагничивания которых направлены в противоположных направлениях и перпендикулярны перемещению якоря. При этом полюсные выступы магнитопровода статора частично перекрывают оба постоянных магнита.
Приведенная обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения работает следующим образом. При протекании тока через катушку статора магнитный поток протекает через рабочий зазор и тот постоянный магнит, у которого магнитодвижущая сила совпадает с магнитодвижущей силой катушки. При этом за счет наклона магнитных силовых линий в рабочем зазоре, постоянный магнит через который идет магнитный поток втягивается в зазор между полюсными выступами, создавая электромагнитную силу, приводящую в движение якорь. При изменении направления тока в катушке статора магнитный поток протекает через второй постоянный магнит, который втягивается в зазор между полюсными выступами, создавая электромагнитную силу, приводящую в движение якорь в противоположном направлении.
В режиме генератора за счет возвратно-поступательного перемещения якоря внешней силой постоянные магниты с разнонаправленными векторами намагниченности попеременно попадают в зазор между полюсными выступами. В результате чего в магнитопроводах статора и якоря наводится переменное магнитное поле, вызванное магнитодвижущей силой постоянных магнитов. При этом в катушке статора наводится электродвижущая сила, которая является выходным напряжением генератора.
Недостатками приведенной электрической машины являются:
1. Сложность надежного закрепления постоянных магнитов на поверхности полюсных выступов якоря. Это связано с тем, что усилия на якорь передаются через постоянные магниты. При этом возникают знакопеременные силы с довольно высокими частотами и значениями сил до сотен и тысяч кг в мощных электрических машинах. С другой стороны материал постоянных магнитов является хрупким и имеет низкий предел прочности по сравнению с электротехнической сталью.
2. В связи с тем, что оптимальной конструкцией большинства электрических машин возвратно-поступательного движения является конструкция на базе тел вращения, возникает сложность изготовления двух цилиндрических постоянных магнитов с радиальным намагничиванием, при этом еще и с противоположным их намагничиванием.
3. Не полное использование свойств магнитопровода электрической машины в 1,5-2 раза, что приводит к увеличению габаритов и массы машины на единицу, создаваемой ею силы. Это связано с тем, что современные постоянные магниты имеют остаточную индукцию порядка 0,9-1,2 Тл при этом в конкретной магнитной цепи имеется возможность получить индукцию не более 0,7-0,9 Тл в зазоре, а индукция насыщения магнитопроводов составляет от 1,5 до 2 Тл. Так как сила, создаваемая электрической машиной прямо-пропорциональна величине индукции в зазоре, то при пониженной индукции для получения требуемой силы необходимо увеличение площади рабочего зазора, что приводит к увеличению габаритов электрической машины и ее массы.
Задачей изобретения является упрощение конструкции при повышении надежности и снижение удельных массо-габаритных параметров электрической машины возвратно-поступательного движения.
Поставленная задача решается за счет того, что обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения, содержащая статор с катушкой и якорь, у которых попарно выступы полюсов магнитопроводов в исходном состоянии располагаются напротив друг друга, при этом в каждой из упомянутых пар один из полюсов разделяют на две части посредством постоянного магнита, частично формирующего выступ, вектор намагниченности которого сонаправлен с движением якоря, а длина выступа полюса разделенного магнитом определяется по формуле:
Lрм≥Lбм+2Ам, где:
Lрм - длина выступа полюса, разделенного магнитом;
Ам - максимальная амплитуда возвратно-поступательного движения якоря;
Lбм≥2Ам-Lм - длина выступа полюса без магнита;
Lм - длина постоянного магнита в пределах выступа полюса.
Техническая сущность изобретения состоит в том, что в обратимой электрической машине возвратно-поступательного движения, содержащей статор с катушкой и якорь, у которых попарно выступы полюсов магнитопроводов в исходном состоянии располагаются напротив друг друга, разделение в каждой из упомянутых пар одного из полюсов магнитопровода статора или якоря на две части посредством постоянного магнита, частично формирующего выступ, вектор намагниченности которого сонаправлен с движением якоря позволяет упростить конструкцию электрической машины при повышении ее надежности за счет того, что используется только один постоянный магнит с осевой намагниченностью, закрепленный между магнитопроводами полюса. При этом электромагнитные усилия на якорь передаются через выступы полюсов магнитопроводов. Постоянный магнит с осевой намагниченностью позволяет использовать его и в других полюсах машины, переворачивая вектор его намагниченности в необходимом направлении. Установка постоянного магнита между магнитопроводами позволяет закрепить его с высокой надежностью, учитывая его слабые механические свойства. При этом на постоянный магнит значительно меньше воздействуют знакопеременные усилия, так как усилия передаются посредством магнитопроводов. Кроме того данная конструкция позволяет полностью использовать магнитные свойства магнитопровода за счет получения в зазоре между полюсными выступами магнитопроводов индукцию до 2 Тл и выше, что позволяет снизить массо-габаритные показатели электрической машины. Кроме того, для эффективной работы электрической машины во всем диапазоне необходимых амплитуд колебаний должно соблюдаться ограничение, определяемое следующим выражением:
Lрм≥Lбм+2Ам где: Lбм≥2Ам-Lм.
При нарушении, приведенных выше выражений, эффективность работы электрической машины падает за счет резкого падения рабочей силы и появления тормозящей силы.
На фиг.1 приведено схематическое изображение одной пары полюсов электрической машины с постоянным магнитом, разделяющим полюс якоря.
На фиг.2 приведено схематическое изображение одной пары полюсов электрической машины с постоянным магнитом, разделяющим полюс статора.
На фиг.3-4 приведены схематические изображения электрической машины, поясняющие ее работу.
На фиг.5 приведено схематическое изображение одной пары полюсных выступов в исходном состоянии с относительным их перемещением.
В качестве конструктивного примера реализации изобретения взята схема обратимой электрической машины возвратно-поступательного движения с постоянным магнитом, разделяющим полюс якоря (см. фиг.1). Машина содержит статор 1 с катушкой 2, замкнутую магнитную систему, состоящую из магнитопровода статора 3 и его полюса 4, рабочего зазора 6, а также расположенного на якоре 5 полюса 7, разделенного постоянным магнитом 8 на две части таким образом, что магнитный поток левой части полюса 7 замыкается с правым только через тело постоянного магнита 8. Причем постоянный магнит 8 частично формирует выступ полюса 7, а его вектор намагниченности сонаправлен с движением якоря. При этом якорный магнитопровод 9 закреплен на валу 10 якоря 5 электрической машины. На фиг.2 дано схематическое изображение электрической машины возвратно-поступательного движения с постоянным магнитом 8, разделяющего полюс 4 статора 1. На фиг.5 на примере электрической машины с полюсом 4 статора, разделенного постоянным магнитом 8 даны основные геометрические параметры выступов полюсов, высоты магнита и амплитуды колебаний, обеспечивающие высокую эффективность работы машины. Все указанные параметры связаны между собой формулой:
Lрм≥Lбм+2Ам, где:
Lpм - длина выступа полюса, разделенного магнитом;
Ам - максимальная амплитуда возвратно-поступательного движения якоря;
Lбм≥2Ам-Lм - длина выступа полюса без магнита;
Lм - длина постоянного магнита в пределах выступа полюса.
Обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения работает следующим образом.
В исходном состоянии, при отсутствии тока в катушке 2 (см. фиг.1) магнитный поток через выступы полюсов 4 и 7, и рабочий зазор 6 определяется магнитодвижущей силой постоянного магнита 8. При этом постоянный магнит 8 располагается симметрично относительно противоположного полюсного выступа 4. В случае смещения якоря 5 от точки симметрии в любую из сторон магнитные поля перераспределяются таким образом, что создается магнитная сила, которая пытается вернуть якорь 5 в исходное состояние. Этот эффект называется «магнитной» пружиной, жесткость которой в резонансном режиме работы добавляется к жесткости общей упругой системы позволяя уменьшить габариты последней. В режиме генератора за счет возвратно-поступательного перемещения якоря 5 внешней силой постоянный магнит 8 попеременно вводится в общую магнитную систему и выводится из нее. В результате чего в магнитопроводах статора 3 и якоря 9 наводится переменное магнитное поле, вызванное магнитодвижущей силой постоянного магнита 8. При этом в катушке 2 статора 1 наводится электродвижущая сила, которая является выходным напряжением генератора.
Обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения с постоянным магнитом 8, разделяющим полюс 7 якоря 5 (фиг.1) имеет наиболее простую конструкцию и может применяться как в генераторном так и в двигательном режиме для возбуждения колебаний в качестве вибровозбудителя в виброситах, вибротранспорте, вибродробилках и т.п. Однако, в двигательном режиме в таких устройствах как вибромолоты, отбойные молотки, перфораторы и т.п., учитывая слабые механические свойства постоянных магнитов, работа на ударную нагрузку с постоянным магнитом 8, разделяющим полюс 7 якоря 5 может привести к низкой надежности его работы. Для повышения надежности работы двигателей на ударную нагрузку постоянный магнит 8 размещается на статоре 1 (см. фиг.2, 5). В исходном состоянии без тока в катушке 2 статора 1 (фиг.2) электрическая машина имеет абсолютно аналогичные свойства с описанным выше вариантом (фиг.1). При протекании тока через катушку 2 в направлении от плоскости чертежа (см. фиг.3) в магнитопроводе статора 3 и якорном магнитопроводе 9 протекает магнитный поток Ф1, который совпадает с магнитодвижущей силой постоянного магнита 8 при этом магнитный поток отклоняется в левую часть рабочего зазора 6, что создает силу F направленную вправо. При смене направления магнитодвижущей силы катушки 2 магнитный поток Ф2 отклоняется постоянным магнитом 8 вправо, что создает силу F направленную влево (см. фиг.4).
Вместе с тем, при перемещении якоря 5 с полюсом 7 в крайнее левое положение на величину - Ам, что отображено пунктирной линией (см. фиг.5) магнитный поток Ф1* пересекает зазор 6 под прямым углом к вектору перемещения якоря 5 при этом электромагнитная сила падает до нуля. Одновременно с этим постоянный магнит 8 создает магнитный поток Ф3, который создает тормозящую силу и пытается вернуть якорь 5 в исходное положение. При перемещении якоря 5 с полюсом 7 в крайнее правое положение на величину +Ам, что отображено пунктирной линией, ситуация зеркально повторяется. Эти характеристики электрической машины определяют связь линейных размеров магнита 8, в пределах выступа, разделенного полюса и выступов полюсов 4 и 7 с максимальной амплитудой движения якоря 5, которая определяется уравнением:
Lрм≥Lбм+2Ам, где:
Lрм - длина выступа полюса, разделенного магнитом;
Ам - максимальная амплитуда возвратно-поступательного движения якоря;
Lбм≥2Ам-Lм - длина выступа полюса без магнита;
Lм - длина постоянного магнита в пределах выступа полюса.
В ООО НПП «ВРТ» г.С-Петербурга к настоящему времени разработаны рабочие чертежи и изготовлен экспериментальный образец электрической машины и его системы управления, испытания которых проводятся в настоящее время.