ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД С КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ЯКОРЯ И ПРУЖИНОЙ
LINEAR DRIVE WITH ARMATURE OSCILLATING ELEMENT AND SPRING

Область техники
Изобретение относится к линейному приводу, имеющему по меньшей мере одну обмотку возбуждения, магнитный якорь, совершающий под действием магнитного поля обмотки линейное колебательное движение относительно среднего положения в осевом направлении, и по меньшей мере одну неподвижно закрепленную в точке закрепления пружину, которая, действуя в направлении движения, касается якоря своим свободным, т.е. имеющим возможность вибрировать концом.
Уровень техники
Такой линейный привод известен из JP 2002-031054 А.
Соответствующие линейные приводы используются в частности для обеспечения линейного колебательного движения поршней компрессоров. Система, состоящая из такого компрессора и линейного привода, называется поэтому также линейным компрессором (ср. вышеупомянутый документ JP-A).
В соответствующих известных линейных компрессорах якорь с листовыми пружинами, которые обычно имеют форму круглых дисков (ср. вышеупомянутый документ JP-A), представляет собой упругую инерционную систему с определенной собственной частотой колебаний. Если требуется, чтобы линейный компрессор колебался с частотой 50 Гц (т.е. с частотой сети), то при существующем известном уровне техники коэффициент жесткости обеих листовых пружин в сочетании с массой якоря выбирается таким, чтобы собственная частота инерционной колебательной системы составляла 50 Гц. Положение покоя пружин при этом соответствует среднему положению колебаний якоря. Рассчитанный таким образом линейный компрессор имеет невысокий кпд и довольно инерционен при запуске.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы повысить кпд линейного привода указного типа по сравнению с известным уровнем техники и обеспечить его более легкий и быстрый пуск.
Для решения этой задачи линейный привод обладает признаками, перечисленными в пункте 1 формулы изобретения. В соответствии с этим, при среднем положении якоря точка соприкосновения пружины с якорем должна быть сдвинута относительно точки закрепления пружины на некоторое заданное расстояние в осевом направлении. Под средним положением якоря подразумевается здесь положение якоря, которое он занимает между своими двумя максимальными отклонениями во время колебания.
Когда якорь находится в положении покоя, то он под действием заданного натяга пружины смещен в сторону от среднего положения.
Преимущества, связанные с такой конструкцией привода, заключаются, главным образом, в уменьшении электрических потерь, повышении кпд, лучшей управляемости движением якоря и облегчении его регулирования. Кроме того, при этом улучшаются пусковые характеристики привода.
Предпочтительные модификации предлагаемого в изобретении линейного привода вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения. При этом признаки пункта 1 могут сочетаться с признаками одного или даже нескольких зависимых пунктов. Таким образом, для линейного привода могут быть дополнительно предусмотрены еще следующие признаки.
Так, по меньшей мере, одна пружина может быть выполнена, в частности, в виде листовой пружины, закрепленной поперек направления движения якоря.
Кроме того, могут быть предусмотрены несколько пружин с обеих сторон от среднего положения. В частности, применение листовых пружин позволяет осуществить фиксацию и направление якоря.
Далее, может быть осуществлено полезное соединение якоря, по меньшей мере, с одним поршнем компрессора, причем предусматривается осевое смещение точки соприкосновения с якорем, по меньшей мере, одной пружины в направлении, противоположном компрессору. Именно благодаря этой мере улучшаются пусковые характеристики системы, состоящей из якоря и поршня.
Особенно предпочтительным является применение пружин с малыми коэффициентами жесткости. Именно такие пружины особенно пригодны для предлагаемого изобретением смещения их точек соприкосновения с якорем.
Предпочтительно, осевое смещение точки соприкосновения, по меньшей мере, одной пружины выбирается в зависимости от ее коэффициента жесткости.
Кроме того, особенно выгодно, если коэффициент жесткости, по меньшей мере, одной пружины выбран так, чтобы собственная частота привода вместе со всей колеблющейся массой была меньше частоты питающего магнитного потока.
Прочие предпочтительные модификации предлагаемого изобретением линейного привода вытекают из не упомянутых выше зависимых пунктов и чертежей.
Ниже изобретение описывается подробнее с помощью предпочтительных примеров реализации со ссылками на чертежи
где на фиг.1 - разрез верхней части относительно оси симметрии предлагаемого привода,
на фиг.2 - движение якоря и электрическая задаваемая сила в приводе,
на фиг.3 - схема моделирования для расчета пружин.
Осуществление изобретения
Для предлагаемого привода могут быть применены известные сами по себе пружины, действующие в направлении колебательного движения его привода. Особенно подходящим представляется применение, по меньшей мере, одной пружины, а предпочтительно двух листовых пружин. Такие листовые пружины выбраны для рассмотрения в нижеследующем примере реализации изобретения. При небольшой жесткости k в направлении колебаний, перпендикулярном к плоскости пружины, они обеспечивают, тем не менее, достаточно хорошую боковую стабилизацию или фиксацию колеблющегося якоря перпендикулярно к его направлению движения. Разумеется, применимы и другие типы пружин, например спиральные или винтовые. Для бокового направления могут быть известным способом использованы подшипники.
р
1
2
На фиг.1 в основном схематически показана лишь верхняя часть сечения двухчастного линейного привода 10 согласно изобретению; т.е. изображены лишь те детали, которые лежат по одну сторону от оси симметрии S, проходящей в направлении осевых колебаний. Другие симметрично расположенные части привода сами по себе известны (см., например, US 6323568 B1). Предлагаемый изобретением привод 10 имеет, по меньшей мере, одну обмотку 11 возбуждения, расположенную, по меньшей мере, на одном сердечнике 12, проводящем магнитный поток. В центральном щелевидном зазоре 13 под этим сердечником расположен магнитный якорь 15. Этот якорь имеет два аксиально расположенных друг за другом постоянных магнита 9а и 9b, направления намагниченности которых обозначены стрелками m1 и m2. Он может совершать в переменном магнитном поле обмотки 11 колебательное движение в осевом направлении, колеблясь относительно среднего положения М. Максимальное отклонение от этого положения в осевом направлении х, т.е. амплитуду колебания можно обозначить +L и -L.
р
0
0
р
Как далее видно из чертежа, обе листовые пружины 2 и 2', которые с обеих сторон от среднего положения М соприкасаются с удлиненными частями якоря 15 в точках касания А и А', должны быть закреплены так, чтобы при изображенном среднем положении якоря 15 уже действовать на него с некоторым усилием в направлении х. Точками x и -x обозначены (исходные) положения точек касания А и А' пружин 2 и 2' при образовании предварительного натяга, которые имеют место при симметричном расположении якоря 15 с его обоими магнитами 9а и 9b относительно среднего положения М. При этом жесткость k, по меньшей мере, одной пружины выбирается так, чтобы собственная частота  привода вместе со всей колеблющейся массой m была меньше, чем частота магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения. Параметр k может быть определен при этом расчетным путем.
Таким образом, в предлагаемом приводе положение покоя якоря, при котором силы пружин перестают действовать, сдвинуто в сторону относительно среднего положения на заданную величину Δх. Связанное с этим усилие предварительного напряжения должно при этом действовать в направлении х, где находится компрессор V, т.е. его поршень. Для этого, по меньшей мере, с этой стороны якорь 15 переходит в боковой, не рассматриваемый далее подробно удлинитель 16, жестко связанный с поршнем компрессора V. Подобные компрессоры линейных компрессорных агрегатов, связанные с линейными приводами, и их детали известны из уровня техники (ср., например, упомянутый JP 2002 031054 А или US 6323568 B1), поэтому здесь не рассматриваются.
р
На фиг.1 якорь 15 изображен в момент, когда он в процессе своего колебательного движения расположен симметрично относительно среднего положения М. Следовательно, в этом положении неподвижно закрепленные в точках крепления В и В' пружины 2 и 2' в своих точках касания А и А' отогнуты на длину Δх в сторону, направленную от компрессора V.
2
1
1
2
el
В графике на фиг.2 предполагается, что середина якоря 15 колеблется между точками х=-L и х=+L, причем L и L составляют приблизительно по 10 мм. Для примера показаны также электрическая приложенная сила F (кривая К1) (в Н) и положение х (кривая К2) (в мм) в зависимости от времени (в с). Места реверсирования якоря обозначены утолщенными пунктирными линиями с обозначением Ru.
Основы расчета пружин для системы, состоящей из привода и компрессора
Ниже рассматривается линейный привод 10, якорь 15 которого соединен с поршнем компрессора. Для упрощения предполагается, что
1
2
L=L=L
el
el
0
Электромагнитная сила F, приложенная к якорю 15, должна по абсолютному значению быть равной нулю или принимать постоянное значение, причем знак силы выбирается всегда таким, чтобы сила действовала в направлении движения. Электрическая сила F не равна нулю только на участке α пути (0<α<1; далее α будет именоваться коэффициентом заполнения). Пусть k - сумма коэффициентов жесткости в направлении движения, а x - положение покоя пружины относительно среднего положения якоря.
При  что соответствует движению в обратную сторону от компрессора, подводимая к якорю электрическая энергия определяется формулой
а от мертвой точки якоря х=+L до мертвой точки якоря х=-L потенциальная энергия пружины изменяется на
Обе энергии должны быть равны, т.е.
При , что соответствует движению по направлению к компрессору, подводимая к якорю электрическая энергия снова определяется формулой
Feder
а от мертвой точки якоря х=-L до мертвой точки якоря х=+L потенциальная энергия пружины изменяется на -ΔЕ.
el+
el-
comp
Полная электрическая энергия, подведенная в течение одного колебания, E+E при постоянной амплитуде колебаний L, и пренебрегая трением, должна быть равна энергии Е, затраченной в компрессоре. Отсюда получаем значение электрической энергии (принимая его постоянным):
el-
el
Если известны жесткость пружины k, а также электрическая энергия Е (т.е. электрическая сила F, амплитуда колебаний L и коэффициент заполнения α), то, подставляя (1) и (2) в (3), получим требуемое положение покоя пружины:
Из (6) следует
пружина всегда должна быть предварительно напряжена в положительном направлении, а путь натяга тем меньше, чем больше жесткость пружины k.
Способ расчета пружины
t arg et
Пружина должна быть рассчитана так, чтобы якорь симметрично колебался в сердечнике относительно х=0 (т.е. между x=-L и x=+L), причем, чтобы частота f колебаний якоря приближенно соответствовала целевому значению f.
Если заданы масса якоря, амплитуда колебаний L и характеристика компрессора, то частота колебаний f зависит только от двух величин: жесткости пружины k и коэффициента заполнения α. Имеют место зависимости:
чем больше k, тем больше f; чем меньше α, тем больше f.
Расчет пружины может производиться следующим образом:
comp
- определение амплитуды колебаний L и энергии компрессора Е при стандартных условиях, для которых производится расчет оптимальной пружины;
el
- определение коэффициента заполнения α и вычисление электрической силы F по уравнению 5 (или вычисление соответствующего этой силе тока катушки);
0
- определение жесткости пружины k и расчет положения покоя пружины x по уравнению 6;
- моделирование принятой для фиг.3 системы пружина-компрессор-масса и определение частоты колебаний f.
t arg et
Если f слишком сильно отличается от целевого значения f, вернуться к п.2 (изменить коэффициент заполнения α) или к п.3 (изменить жесткость пружины k).
Примеры расчета
max
min
Примеры расчета относятся к известному компрессору с длиной хода 2L=20 мм и нормальными давлениями (p-p=(7,7-0,6 бар). Так как мертвый объем принимается пренебрежимо малым, он не создает противодействующей силы. Механическая работа, совершаемая в компрессоре за одно колебание, составляет при этих условиях 0,7753 Дж. Если механическая мощность должна составлять 40 Вт, то потребная частота колебаний составит 51,6 Гц.
В структурной схеме моделирования по фиг.3 m (масса) и  (коэффициент трения) имеют значения 90 г и 0,336 Нс/м.
el
0
В следующей таблице коэффициент заполнения α и жесткость пружины k являются входными величинами, а электрическая сила F, положение покоя пружины x и частота колебаний f получаются в результате вычислений.
Коэф. заполн.
Жесткость
Эл.сила
Полож. покоя
Частота
α
k
F<sub>el</sub>
x<sub>0</sub>
f
[-]
[Н/мм]
[Н]
[мм]
[Гц]
1,0
2,50
19,4
7,8
35,2
0,8
2,50
24,2
7,8
40,4
0,5
2,50
38,8
7,8
46,2
0,7
5,00
27,7
3,9
51,0