ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
LINEAR ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к области электротехники, а точнее - к электроприводам, предназначенным для реализации дискретных линейных перемещений.
Известны линейные асинхронные электроприводы, содержащие индукторы, состоящие из сердечников с катушками многофазной обмотки, расположенными на его зубцах, выводы катушек соединены с коммутирующим устройством, и электропроводящие якори (см. например, пат. РФ №2068613, МПК H02K 4/02, Н02Р 7/62 1977 г.; пат. РФ №2279752, МПК H02K 41/025, Н02Р 25/06 2005 г.; пат. РФ №2472275, МПК H02K 41/025 2013 г.).
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является линейный асинхронный электропривод (см. патент РФ №2472275, МПК H02K 41/025 2013 г.), линейный асинхронный электропривод, содержащий индуктор, состоящий из двух сердечников, на зубцах которых размещены катушки обмотки, электропроводящий якорь и коммутирующее устройство, причем в верхних частях зубцов расположены по два экранирующих витка, выводы которых соединены, например, с контактами герконовых реле, катушки которых соединены с коммутирующим устройством, обеспечивающим возможность одновременного замыкания, по меньшей мере, восьми экранирующих витков, размещенных на первых четырех зубцах обоих сердечников индуктора и образующих первоначальный ряд, причем у первых двух зубцов на каждом сердечнике замкнуты витки, экранирующие их правые части в направлении слева направо, а на третьем и четвертом зубцах каждого сердечника замкнуты витки, экранирующие их левые части, причем для начала шага электропроводящего якоря коммутирующее устройство размыкает два витка, экранирующих левые части четвертых зубцов первоначального ряда, а для завершения шага размыкает витки, экранирующие правые части первых зубцов первоначального ряда, и замыкает витки, экранирующие правые части второго и третьего зубцов каждого из сердечников, и витки, экранирующие левые части четвертого и пятого зубцов обоих сердечников, при этом образуется новый ряд, аналогичный первоначальному, причем на каждом зубце обоих сердечников размещены дополнительные экранирующие витки, расположенные в направлении, перпендикулярном виткам, экранирующим правые и левые части каждого зубца, при этом дополнительные экранирующие витки установлены на сторонах зубцов сердечников, примыкающих друг к другу, выводы дополнительных экранирующих витков также соединены с герконовыми реле, катушки которых подключены к коммутирующему устройству.
Данный линейный асинхронный электропривод имеет пониженное значение коэффициента полезного действия (КПД) из-за электрических потерь мощности в дополнительных экранирующих витках, размещенных на вторых и третьих зубцах сердечников индуктора каждого нового ряда, над которыми расположен электропроводящий якорь после совершения шага. Это - недостаток прототипа.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение отмеченного недостатка и разработка конструкции линейного асинхронного электропривода с увеличенным КПД.
Решение технической задачи достигается тем, что в линейном асинхронном электроприводе, содержащем индуктор, состоящий из двух сердечников, на зубцах которых размещены катушки обмотки, электропроводящий якорь и коммутирующее устройство, причем в верхних частях зубцов расположены по два экранирующих витка, выводы которых соединены, например, с контактами герконовых реле, катушки которых соединены с коммутирующим устройством, обеспечивающим возможность одновременного замыкания, по меньшей мере, восьми экранирующих витков, размещенных на первых четырех зубцах обоих сердечников индуктора и образующих первоначальный ряд, причем у первых двух зубцов на каждом сердечнике замкнуты витки, экранирующие их правые части в направлении слева направо, а на третьем и четвертом зубцах каждого сердечника замкнуты витки, экранирующие их левые части, причем для начала шага электропроводящего якоря коммутирующее устройство размыкает два витка, экранирующих левые части четвертых зубцов первоначального ряда, а для завершения шага размыкает витки, экранирующие правые части первых зубцов первоначального ряда, и замыкает витки, экранирующие правые части второго и третьего зубцов каждого из сердечников, и витки, экранирующие левые части четвертого и пятого зубцов обоих сердечников, при этом образуется новый ряд, аналогичный первоначальному, причем на каждом зубце обоих сердечников размещены дополнительные экранирующие витки, расположенные в направлении, перпендикулярном виткам, экранирующим правые и левые части каждого зубца, при этом дополнительные экранирующие витки установлены на сторонах зубцов сердечников, примыкающих друг к другу, выводы дополнительных экранирующих витков также соединены с герконовыми реле, катушки которых подключены к коммутирующему устройству, согласно изобретению после завершения шага коммутирующее устройство размыкает дополнительные и экранирующие витки, расположенные на втором и третьем зубце каждого нового ряда.
Возможность отключения дополнительных экранирующих витков, размещенных на втором и третьем зубцах каждого нового ряда, - этот признак определяет новизну и существенное отличие данного технического решения.
В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг. 1 изображает общий вид линейного асинхронного электропривода (фрагмент поперечного сечения);
фиг. 2 изображает вид сверху линейного асинхронного электропривода (фрагмент) с короткозамкнутыми экранирующими витками, выводы которых соединены с герконовыми реле, катушки которых подключены к коммутирующему устройству, и дополнительно размещенными экранирующими витками, катушки которых соединены с коммутирующим устройством;
фиг. 3 изображает витки, экранирующие правые части на первых двух зубцах обоих сердечников, и витки, экранирующие левые части на третьем и четвертом зубцах обоих сердечников индуктора (замкнутые накоротко витки обозначены сплошными жирными линиями, разомкнутые витки показаны жирными штриховыми линиями);
фиг. 4 - то же, что и на фиг. 3, но при разомкнутых экранирующих витках на четвертых зубцах обоих сердечников индуктора;
фиг. 5 - то же, что и на фиг. 4, но при разомкнутых витках, экранирующих правые и левые части на первых зубцах обоих сердечников индуктора и замкнутых витках, экранирующих правые части второго и третьего зубцов обоих сердечников индуктора, и замкнутых витках, экранирующих левые части четвертого и пятого зубцов обоих сердечников индуктора, дополнительные витки, экранирующие первые зубцы сердечников, разомкнуты, при этом разомкнуты дополнительные витки, экранирующие вторые и третьи зубцы обоих сердечников;
фиг. 6 изображает упрощенную схему подключения катушек герконовых реле к коммутирующему устройству (причем показаны только контакты герконовых реле, а катушки реле на фиг. 6 не изображены), показана упрощенно и схема подключения герконовых реле, соединенных с выводами дополнительных экранирующих витков;
фиг. 7 изображает силы поперечной стабилизации, действующие на электропроводящий якорь.
Линейный асинхронный электропривод 1 (фиг. 1) содержит индуктор, состоящий из двух сердечников 2 (на фиг. 1 второй сердечник не виден) с обмотками, состоящими из отдельных катушек 3, расположенных на их зубцах 4, и электропроводящий якорь 5. В верхних частях зубцов 4 обоих сердечников индуктора расположены по два экранирующих витка 6, выводы которых соединены, например, с герконовыми реле (на фиг. 1 не показано), катушки которых соединены с коммутирующим устройством (на фиг. 1 не показано), на зубцах обоих сердечников дополнительно размещены экранирующие витки 7.
1
2
На фиг. 2 показан вид сверху линейного асинхронного электропривода 1, состоящего из двух сердечников 2 с размещенными на их зубцах 4 короткозамкнутыми экранирующими витками 6, выводы которых соединены с герконовыми реле 8 и коммутирующим устройством 9. На сторонах зубцов 4 обоих сердечников 2, примыкающих друг к другу, дополнительно размещены экранирующие витки 7, выводы которых подключены к герконовым реле 10. Стрелками F и F показаны направления сил поперечной стабилизации, действующих на электропроводящий якорь 5 до совершения шага.
3
4
3
4
3
4
На фиг. 3 показан линейный асинхронный электропривод, что и на фиг. 1, но с витками 6, экранирующими правые части первых и вторых зубцов 4 обоих сердечников (на фиг. 3 второй сердечник не виден) и экранирующими левые части третьих и четвертых зубцов 4 обоих сердечников и дополнительно размещенными на зубцах экранирующими витками 7. Стрелками F и F показаны направления сил, действующих на электропроводящий якорь 5 до совершения шага, F - усилия, действующие слева направо, F - усилия, действующие справа налево. Здесь 2F=2F.
3
4
На фиг. 4 показано то же, что и на фиг. 3, но при обоих разомкнутых экранирующих витках 6 на четвертых зубцах 4 (сплошной линией обозначены замкнутые герконами витки, а штриховой линией обозначены разомкнутые герконами витки) обоих сердечников (на фиг. 4 второй сердечник не виден). Видно, что 2F>F.
3
4
На фиг. 5 показано то же, что и на фиг. 4, но при разомкнутых витках 6, экранирующих правые и левые части первых зубцов 4 обоих сердечников, и замкнутых витках, экранирующих правую часть вторых зубцов 4 обоих сердечников, и замкнутых витках, экранирующих левую часть пятых зубцов 4 обоих сердечников (на фиг. 5 второй сердечник не виден), и разомкнутых витках, экранирующих правые и левые части третьих и четвертых зубцов, и иллюстрирует завершенный шаг: перемещение электропроводящего якоря 5 на одно зубцовое деление. Дополнительные экранирующие витки 7 на первых зубцах сердечников разомкнуты (штриховая линия). Здесь F=F.
На фиг. 6 показана упрощенная схема подключения катушек 3 обмоток обоих сердечников линейного асинхронного электропривода к коммутирующему устройству 9 при помощи контакта 11. Коммутирующее устройство подключено к источнику однофазного напряжения 12. Экранирующие витки 6, размещенные на зубцах обоих сердечников индуктора линейного асинхронного электропривода, соединены с герконовыми реле (на фиг. 6 не показаны), выводы катушек которых соединены с коммутирующим устройством 9. На фиг. 6 контакты этих герконовых реле показаны схематично и обозначены позициями 13-44. Контакты герконовых реле, соединенных с выводами дополнительных экранирующих витков, обозначены позициями 45-60.
1
2
На фиг. 7 показан вид сверху линейного асинхронного электропривода 1, состоящего из двух сердечников 2 с размещенными на их зубцах короткозамкнутыми экранирующими витками 7. Стрелками F и F показаны направления сил поперечной стабилизации, действующих на электропроводящий якорь 5.
3
4
3
4
3
4
3
4
1
2
1
2
1
2
Рассмотрим работу данного линейного асинхронного электропривода. При замыкании контакта 11 коммутирующего устройства 9 подается переменное напряжение на катушки 3 обмотки индуктора 1 (фиг. 1 - фиг. 6). По катушкам 3 потечет однофазный ток, который создает пульсирующее магнитное поле. Далее коммутирующее устройство 9 замыкает контакты герконов 15, 16, 19, 20, 21, 22, 25 и 26. Витки 6, экранирующие правые части первых и вторых зубцов 4 и экранирующие левые части третьих и четвертых зубцов 4 обоих сердечников, становятся короткозамкнутыми. В результате магнитные поля четырех зубцов, образующих первоначальный ряд, становятся эллиптическими и встречно-направленными. При пересечении эллиптическими магнитными полями электропроводящего якоря 5 в нем индуктируются электродвижущие силы (ЭДС), под действием которых в электропроводящем якоре потекут вихревые токи. В результате взаимодействия эллиптических магнитных полей с токами электропроводящего якоря, ими индуктированными, создаются механические усилия F и F, направленные от неэкранированных частей зубцов обоих сердечников индуктора к экранированным. Усилия F, созданные при взаимодействии эллиптических магнитных полей первых двух зубцов с токами, ими индуктированными в электропроводящем якоре, будут действовать слева направо и будут равны усилиям F, созданным при взаимодействии эллиптических магнитных полей третьего и четвертого зубцов обоих сердечников статора с токами, ими индуктированными в электропроводящем якоре и направленным справа налево. Усилия F и F взаимно уравновешиваются, и электропроводящий якорь будет неподвижен (ΣF=ΣF). При взаимодействии эллиптических магнитных полей в поперечном направлении с вихревыми токами, ими индуктированными, создаются механические встречно-направленные поперечные усилия F и F, действующие на электропроводящий якорь 5 (фиг. 2). Так как дополнительные короткозамкнутые витки 7 всегда замкнуты, то усилия F и F поперечной стабилизации уравновешивают друг друга и удерживают электропроводящий якорь 5 в первоначальном положении (ΣF=ΣF), симметричном относительно индуктора.
3
4
3
4
4
1
3
4
1
2
Для начала шага электропроводящего якоря 5 коммутирующее устройство 9 размыкает контакты 25 и 26 герконового реле и витки 6, экранирующие обе части четвертых зубцов 4 обоих сердечников, будут разомкнутыми. Усилия F будут больше усилий F (2F>F), т.к. усилия F будут создаваться при взаимодействии эллиптического магнитного поля только одних третьих зубцов 4 обоих сердечников с токами электропроводящего якоря, им индуктированными. Усилия F будут иметь ту же самую величину, что и ранее. Под действием разности усилий (ΔF=2F-F) электропроводящий якорь 5 начнет перемещаться слева направо (фиг. 4). Усилия F и F будут осуществлять поперечную автоматическую стабилизацию электропроводящего якоря 5 относительно индуктора при его перемещении.
3
4
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
Для завершения шага электропроводящего якоря на одно зубцовое деление и фиксации электропроводящего якоря в новом положении коммутирующее устройство 9 размыкает контакты 15 и 16, витки 6, экранирующие правые части первых зубцов 4 обоих сердечников, перестают быть короткозамкнутыми, одновременно коммутирующее устройство размыкает контакты 25 и 26 и замыкает контакты 23 и 24, при этом становятся разомкнутыми витки 6, экранирующие левые части третьих зубцов 4 обоих сердечников, и короткозамкнутые витки 6, экранирующие правые части третьих зубцов 4 обоих сердечников. Одновременно коммутирующее устройство замыкает контакты 27 и 28 пятых зубцов 4 обоих сердечников и образуется новый ряд из четырех зубцов на обоих сердечниках (фиг. 5 и фиг. 6). Электропроводящий якорь 5 перемещается на одно зубцовое деление и фиксируется в новом положении. Усилия F и F снова становятся равными. В случае поперечного смещения якоря 5 относительно индуктора линейного асинхронного электропривода (фиг. 7) нарушится равновесие усилий F и F. В этом случае усилия F станут меньше усилий F за счет того, что усилия F, создаваемые при взаимодействии бегущего сверху вниз эллиптического поля с токами, протекающими в части электропроводящего якоря 5, расположенной над зубцами верхнего сердечника (фиг. 2), будут меньше усилий F, создаваемых при взаимодействии эллиптических полей (за счет короткозамкнутых витков 7), бегущих снизу вверх (фиг. 7) с полями, ими индуктированными в части электропроводящего якоря 5, расположенной над нижним сердечником 2. Так как в последнем случае усилия F>F за счет того, что над неэкранированной частью зубцов 4 нижнего сердечника 2 (фиг. 7) будет располагаться большая часть поверхности (площади) электропроводящего якоря 5 и эти усилия F, действующие от неэкранированных частей зубцов 4 к их экранированным частям, будут больше, чем усилия F (т.к. над зубцами верхнего сердечника 2 будет расположена меньшая площадь электропроводящего якоря 5), под действием разности этих усилий ΣF=ΣF электропроводящий якорь 5 вернется в прежнее симметричное положение, как это показано на фиг. 2. После совершения шага электропроводящего якоря коммутирующее устройство размыкает контакты 45 и 46 герконовых реле, соединенных с выводами дополнительных экранирующих витков 7, размещенных на первых зубцах сердечников индуктора, поэтому в этих витках тока не будет. Кроме того, после совершения шага коммутирующее устройство замыкает контакты 47 и 48, замыкает дополнительные экранирующие витки на первом зубце нового ряда, размыкает контакты 49 и 50 на втором зубце и 51 и 52 на третьем зубце нового ряда, замыкает контакты 53 и 54 на четвертом зубце нового ряда.
По сравнению с прототипом увеличен КПД линейного асинхронного электропривода. КПД заявляемого устройства будет выше вследствие отсутствия электрических потерь в отключенных дополнительных экранирующих витках на вторых и третьих зубцах каждого вновь образованного после совершения шага ряда.