Способ генерации механических импульсов и устройство для его осуществления
MECHANICAL PULSES GENERATION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника механических импульсов в составе вибрационных и ударных технологических машин химической промышленности, строительства и сельского хозяйства.
Известен способ генерации электрической машиной постоянного тока импульсов электромагнитного момента (далее - «механических импульсов») (Чиликин А.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. - 6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 576 с. С. 124-127), согласно которому импульсная форма электромагнитного момента обеспечивается периодическими коммутациями цепи якоря электрической машины. При этом обмотка якоря электрической машины шунтируется диодом обратной полярности.
Недостатком настоящего технического решения является то, что его реализация повышает стоимость и снижает надежность генерации механических импульсов, так как оно предполагает комплектование электрической машины постоянного тока импульсным коммутатором и шунтирующим диодом.
Известно также устройство, реализующее данный способ генерации механических импульсов (Чиликин А.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. - 6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 576 с. рис. 4.18, С. 126), состоящее из электрической машины постоянного тока, импульсного коммутатора и шунтирующего диода, причем обмотка якоря электрической машины постоянного тока и импульсный коммутатор включены последовательно, а шунтирующий диод включен с обратной полярностью параллельно обмотке якоря электрической машины постоянного тока.
Недостатком настоящего технического решения является повышенная стоимость и пониженная надежность устройства генерации механических импульсов, связанная с использованием импульсного коммутатора и шунтирующего диода.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу генерации механических импульсов является способ, описанный в изобретении «Униполярный генератор импульсов» (патент RU №2588593, публ. 10.07.2016, МПК H02K 31/02), согласно которому на множестве точек фазовой плоскости униполярного генератора формируют непустое подмножество статически неустойчивых точек, реализацию режима генерации механических импульсов производят путем подачи на вал униполярного генератора приводного вращающего момента, такого, что соответствующая ему стационарная точка является одной из точек непустого подмножества статически неустойчивых точек. При этом формирование непустого подмножества статически неустойчивых точек производят путем формирования линейной характеристики намагничивания униполярного генератора с потоком остаточного намагничивания равным нулю.
Недостатком настоящего технического решения является то, что его реализация снижает надежность, повышает стоимость и трудоемкость генерации механических импульсов, так как оно предполагает комплектование униполярного генератора дополнительной обмоткой и внешним источником питания, а также предполагает периодическое размагничивание униполярного генератора в ходе эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является электрическая машина постоянного тока классической конструкции. (Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд. перераб. - Л.: Энергия, 1978-832 с). Данное устройство содержит станину в виде полого цилиндра с вертикальной радиальной осью, горизонтальной радиальной осью и с аксиальной осью, выполненную из сплошной ферромагнитной стали, на внутренней поверхности которой по вертикальной радиальной оси закреплены сердечники полюсов, выполненные из листов высококачественной электротехнической стали марки 3411 или из стали аналогичных марок 3412, 3413. На сердечниках полюсов закреплены катушки обмотки возбуждения с выводами обмотки возбуждения, причем катушки обмотки возбуждения выполнены из изолированного электрического провода и соединены последовательно - согласно. На аксиальной оси станины расположен вал устройства, выполненный в виде цилиндра из конструкционной стали и зафиксированный относительно станины по ее торцам. На валу устройства закреплен сердечник якоря, выполненный в виде цилиндра из листов электротехнической стали. На валу устройства закреплен также коллектор, выполненный в виде цилиндра из медных, изолированных друг от друга ламелей. В пазах на внешней поверхности сердечника якоря размещена обмотка якоря, выполненная из изолированного электрического провода в виде секций, выведенных на ламели коллектора. На внешней поверхности коллектора установлены щетки, выполненные из графита и закрепленные на станине по горизонтальной радиальной оси. На щетках закреплены выводы обмотки якоря. При этом выводы обмотки возбуждения подключены к выводам обмотки якоря.
Недостатком такого устройства является статическая устойчивость всех стационарных точек его фазовой плоскости, и, как следствие, невозможность создания механических импульсов из-за выпуклой вверх формы и ненулевого потока остаточного намагничивания у характеристики намагничивания устройства.
Технической задачей предлагаемого изобретения является формирование в фазовой плоскости устройства непустого подмножества статически неустойчивых точек путем формирования нелинейной характеристики намагничивания устройства с ненулевым потоком остаточного намагничивания.
Технический результат заключается в повышении надежности и снижении стоимости и трудоемкости генерации механических импульсов, а также в расширении функциональных возможностей устройства, реализующего предлагаемый способ генерации механических импульсов.
Это достигается тем, что в известном способе генерации механических импульсов, заключающимся в формировании на множестве точек фазовой плоскости генератора непустого подмножества статически неустойчивых точек и реализации режима генерации механических импульсов путем подачи на вал генератора приводного вращающего момента, такого, что соответствующая ему стационарная точка является одной из точек непустого подмножества статически неустойчивых точек, формирование непустого подмножества статически неустойчивых точек осуществляют путем формирования нелинейной характеристики намагничивания генератора, которая в области малых токов обмотки якоря имеет выпуклую вниз форму и которая имеет ненулевой поток остаточного намагничивания.
Это достигается также тем, что известное устройство, реализующее способ генерации механических импульсов, представляющее собой короткозамкнутый генератор постоянного тока последовательного возбуждения (далее - "генератор"), содержащее станину в виде полого цилиндра с вертикальной и горизонтальной радиальными осями, а также с аксиальной осью, на внутренней поверхности которой по вертикальной радиальной оси закреплены сердечники полюсов, на которых закреплены катушки обмотки возбуждения с выводами обмотки возбуждения, при этом катушки обмотки возбуждения соединены последовательно-согласно, вал, расположенный на аксиальной оси станины и зафиксированный относительно станины по ее торцам, с закрепленными на нем сердечником якоря и коллектором, причем в пазах на внешней поверхности сердечника якоря размещена обмотка якоря, а на внешней поверхности коллектора установлены щетки, закрепленные на станине по горизонтальной радиальной оси, при этом на щетках закреплены выводы обмотки якоря, а выводы обмотки возбуждения подключены к выводам обмотки якоря, образуя последовательную короткозамкнутую электрическую цепь, при этом сердечники полюсов выполнены из конструкционной ферромагнитной стали с ненулевым потоком остаточного намагничивания и выпуклым вниз профилем кривой намагничивания в области малых токов.
a
a
нy
y
с
a
с
a
с
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция предлагаемого устройства, реализующего предлагаемый способ генерации механических импульсов. На фиг. 2 приведена характеристика намагничивания устройства, реализующая непустое подмножество статически неустойчивых стационарных точек на отрезке 0<i<0.8, где i - ток обмотки якоря. Здесь показаны также диапазоны токов обмотки якоря, входящих в подмножество статически неустойчивых стационарных точек S и в подмножество статически устойчивых стационарных точек S. На фиг. 3 показано соединение выводов обмотки возбуждения и выводов обмотки якоря устройства, реализующего предлагаемый способ генерации механических импульсов. Здесь же стрелками показаны положительные направления приводного вращающего момента М, частоты вращения вала  и электромагнитного момента М. На фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6 представлены результаты моделирования устройства, реализующего предлагаемый способ генерации механических импульсов. На фиг. 4 представлены результаты расчета движения устройства к статически устойчивой стационарной точке. Здесь представлены графики тока обмотки якоря i, магнитного потока Ф, электромагнитного момента М, частоты вращения вала  и приводного вращающего момента М от времени. На фиг. 5 представлены результаты расчета движения устройства к статически неустойчивой стационарной точке и движения в ее окрестности. Здесь представлены графики тока обмотки якоря i, магнитного потока Ф, электромагнитного момента М, частоты вращения вала  и приводного вращающего момента М от времени. На фиг. 6 представлена фазовая траектория движения рабочей точки устройства в окрестностях статически неустойчивой стационарной точки. Здесь же показаны стационарная точка, а также максимальное и минимальное значения импульсов тока обмотки якоря.
Устройство, реализующее предлагаемый способ генерации механических импульсов, представляет собой короткозамкнутый генератор постоянного тока последовательного возбуждения (далее - "генератор") и содержит станину 1 из сплошной ферромагнитной стали, выполненную в виде полого цилиндра с вертикальной радиальной осью 2, горизонтальной радиальной осью 3 и с аксиальной осью 4. На внутренней поверхности станины 1 по вертикальной радиальной оси 2 закреплены первый 5 и второй 6 сердечники полюсов, выполненные из листов стали. На первом 5 и втором 6 сердечниках полюсов закреплены соответственно первая 7 и вторая 8 катушки обмотки возбуждения соответственно с первым 9 и вторым 10 выводами обмотки возбуждения, при этом первая 7 и вторая 8 катушки обмотки возбуждения выполнены из изолированного электрического провода и соединены последовательно-согласно. На аксиальной оси 4 станины 1 расположен вал 11, выполненный в виде цилиндра из конструкционной стали и зафиксированный относительно станины 1 по ее торцам. На валу 11 закреплен сердечник якоря 12, выполненный в виде цилиндра из листов электротехнической стали. На валу 11 закреплен также коллектор 13, выполненный в виде цилиндра из медных, изолированных друг от друга ламелей. В пазах на внешней поверхности сердечника якоря 12 размещена обмотка якоря 14, выполненная из изолированного электрического провода в виде секций, выведенных на ламели коллектора 13. На внешней поверхности коллектора 13 установлены первая 15 и вторая 16 щетки, выполненные из графита и закрепленные на станине 1 по горизонтальной радиальной оси 3. На первой 15 и второй 16 щетках закреплены соответственно первый 17 и второй 18 выводы обмотки якоря 14. При этом первый 9 и второй 10 выводы обмотки возбуждения подключены соответственно к первому 17 и второму 18 выводам обмотки якоря 14, образуя последовательную короткозамкнутую электрическую цепь. Первый 5 и второй 6 сердечники полюсов выполнены из листов конструкционной ферромагнитной стали с ненулевым потоком остаточного намагничивания и выпуклым вниз профилем кривой намагничивания в области малых токов, например, из стали марки Ст.30 или аналогичных сталей марок Ст.10, Ст.3. Указанный профиль кривой намагничивания представлен на фиг. 2.
Реализация предлагаемым генератором предлагаемого способа генерации механических импульсов осуществляется следующим образом.
Формирование механических импульсов в генераторе (так же, как и в устройстве, выбранном в качестве прототипа) происходит при наличии следующих условий.
a
a
нy
- На множестве точек фазовой плоскости генератора S={(i,)}, где i - ток обмотки якоря 14,  - частота вращения вала 11, сформировано непустое подмножество статически неустойчивых точек S.
ac
с
нy
- Реализация режима генерации механических импульсов генератором произведена на подмножестве статически неустойчивых точек, так, что стационарная точка (i, ) является одной из точек непустого подмножества S.
В математической форме записи вышеприведенные условия имеют вид
Балансы электрических и механических величин, составленные для устройства, дают следующие значения координат произвольной фиксированной стационарной точки в относительных единицах
с
ac
a
ac
где М приводной вращающий момент, Ф(i) - магнитный поток генератора в зазорах между первым 5 и вторым 6 сердечниками полюсов и внешней поверхностью сердечника якоря 12, соответствующий току обмотки якоря 14 i=i.
нy
a
y
нy
y
ac
c
нy
y
В подмножество S входят все статически неустойчивые стационарные точки фиксированной характеристики намагничивания генератора Ф(i). Все статически устойчивые стационарные точки фиксированной характеристики намагничивания генератора входят в подмножество статически устойчивых точек S. В объединенное подмножество S S входят все стационарные точки фиксированной характеристики намагничивания генератора. Как следует из (3), (4) принадлежность стационарной точки (i, ) подмножеству S или подмножеству S зависит только от значения приводного вращающего момента.
нy
y
y
нy
Подмножества точек фазовой плоскости S и S закладываются в конструкцию генератора формой профиля характеристики намагничивания. Выпуклым вверх участкам характеристики намагничивания соответствует подмножество S, а выпуклым вниз участкам характеристики намагничивания соответствует подмножество S, как это показано на фиг. 2.
с
В предлагаемом генераторе выполнение условия (2) обеспечивается подачей на вал 11 генератора приводного вращающего момента М по (2), (3), (4) и задается следующим алгоритмом.
a
нy
a
ac
На участке характеристики намагничивания Ф(i) (см. фиг. 2), соответствующем подмножеству S выбирается значение i=i тока обмотки якоря 14 в стационарной точке. Этот ток принимается в качестве расчетного рабочего тока генератора в режиме генерации механических импульсов.
ac
с
с
ac
c
с
с
По характеристике намагничивания (см. фиг. 2) определяется стационарный магнитный поток генератора Ф(i). По выражению (3) определяется приводной вращающий момент М. По выражению (4) определяется стационарная частота вращения вала 11 . При наличии ограничений точка (i, ) и приводной вращающий момент М корректируются. Приводной вращающий момент М подается на вал 11 генератора.
Выбором марки стали (Ст.30, Ст.10, Ст.3) с ненулевым потоком остаточного намагничивания и выпуклым вниз профилем кривой намагничивания в области малых токов, для первого 5 и второго 6 сердечников полюсов в конструкцию устройства закладывается характеристика намагничивания, точки которой в области малых токов обмотки якоря 14 статически неустойчивы даже при ненулевом значении потока остаточного намагничивания. Тем самым в области малых токов обмотки якоря 14 обеспечено выполнение условия (1).
с
с
При подаче на вал 11 генератора приводного вращающего момента М устройство может работать в одном из двух режимов, в зависимости от величины М.
с
a
y
ac
c
При достаточно больших значениях приводного вращающего момента М(i>0.8 для характеристики намагничивания на фиг. 2) условие (2) не выполняется, и работа генератора осуществляется на подмножестве статически устойчивых точек S. В этом режиме (см. фиг. 4) генератор однократно самовозбуждается под действием потока остаточного намагничивания и переходит в стационарную точку (i, ), координаты которой определяются по (3), (4). Работа генератора в статически устойчивой стационарной точке с постоянным тормозным моментом
ac
ac
с
М=Ф(i)⋅i=М
может осуществляться как угодно долго.
с
a
нy
ac
c
a
amin
amax
При относительно небольших значениях приводного вращающего момента М(0<i<0.8 для характеристики намагничивания на фиг. 2), выбранных в соответствии с приведенным выше алгоритмом, условие (2) выполняется, и рабочий режим генератора осуществляется на подмножестве статически неустойчивых точек S. При этом стационарная точка (i, ) статически неустойчива. Поэтому рабочая точка (i(t), (t)), с течением времени t, совершает периодические движения по замкнутой траектории в окрестности стационарной точки. В этом режиме (см. фиг. 5 и фиг. 6) генератор периодически самовозбуждается от потока остаточного намагничивания и теряет возбуждение, а ток его обмотки якоря 14 и магнитный поток периодически пульсируют. Минимальному i и максимальному i значениям тока обмотки якоря 14 соответствуют минимальные и максимальные значения периодически следующих механических импульсов
Таким образом, устройство генерирует механические импульсы в соответствии с заявляемым способом.
Работоспособность устройства и техническая возможность реализации заявленного способа подтверждена экспериментально с помощью расчетных данных, полученных путем математического моделирования.
Баланс электрических величин и баланс механических величин для генератора в относительных единицах записываются как
a
a
где J=110 о.е. - момент инерции. В стационарном режиме, при  и , из балансов следуют формулы (3), (4) для координат стационарных точек. В качестве зависимости Ф(i) при моделировании использовалась характеристика намагничивания стали марки Ст.30 при Ф(0)=0.01 о.е. Начальные условия задавались в виде i(0)=0, (0)=0. Электромагнитный момент генератора рассчитывался по выражению
с
a
с
с
Результаты моделирования представлены в виде графиков на фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6. На фиг. 4 представлены результаты расчета движения генератора к статически устойчивой стационарной точке (1, 1) и работы генератора в ней, соответствующие приводному вращающему моменту М=1 о.е. Здесь представлены графики тока обмотки якоря 14 i, магнитного потока Ф, электромагнитного момента М, частоты вращения вала 11  и приводного вращающего момента М от времени t. Для наглядности графиков кривые магнитного потока и электромагнитного момента смещены вниз на 2 о.е. Как свидетельствуют графики фиг. 4, при М=1 о.е. условие (2) не выполняется, работа генератора в установившемся режиме происходит с постоянным тормозным моментом, а генерация механических импульсов не производится.
с
a
с
a
с
ac
c
с
На фиг. 5 представлены результаты расчета движения генератора к статически неустойчивой стационарной точке (0.4, 0.85) и работы в ее окрестности, соответствующие приводному вращающему моменту М=0.2 о.е. Здесь также представлены графики тока обмотки якоря 14 i, магнитного потока Ф, электромагнитного момента М, частоты вращения вала 11  и приводного вращающего момента М от времени t. Для наглядности графиков кривые магнитного потока и электромагнитного момента смещены вниз на 2 о.е. Кроме того, на фиг. 6 представлена траектория движения рабочей точки (i(t), (t)) в фазовой плоскости S при значении приводного вращающего момента М=0.2 о.е. Здесь же показана статически неустойчивая стационарная точка (i, )=(0.4, 0.85), а также максимальное и минимальное значения тока обмотки якоря 14. Как свидетельствуют графики фиг. 5 и фиг. 6, при значении приводного вращающего момента М=0.2 о.е. условие (2) выполняется и работа генератора происходит в режиме генерации механических импульсов.
Таким образом, использование предлагаемого способа генерации механических импульсов в совокупности с реализующим его устройством позволяет повысить надежность и снизить стоимость и трудоемкость генерации механических импульсов вследствие формирования нелинейной характеристики намагничивания генератора, которая в области малых токов обмотки якоря имеет выпуклую вниз форму и которая имеет ненулевой поток остаточного намагничивания. Таким образом, на выпуклом вниз участке характеристики намагничивания обеспечивается выполнение условия (1). Подача приводного вращающего момента по (2), (3), (4) обеспечивает выполнение условия (2). В этих условиях генератором будут периодически формироваться механические импульсы в соответствии с (5).
При этом ненулевым потоком остаточного намагничивания гарантировано автономное самовозбуждение генератора, а необходимость в дополнительной обмотке и внешнем источнике питания исчезает. Таким образом, достигается снижение стоимости и повышение надежности предлагаемого устройства. Устройство становится автономным. Ненулевым потоком остаточного намагничивания снимается необходимость размагничивания предлагаемого устройства в ходе эксплуатации. Таким образом, достигается снижение уровня трудоемкости эксплуатации предлагаемого устройства. Наличие, наряду с режимом генерации механических импульсов, режима генерации постоянного тормозного момента расширяет функциональные возможности генератора. Предлагаемый способ формирования механических импульсов, практически ориентирован на применение в генераторах классического исполнения, что делает возможным широкий диапазон мощности для различных типоразмеров предлагаемого устройства.