ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LINEAR ELECTROMAGNETIC MOTOR

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано для создания электромагнитных прессов, молотов и других импульсных устройств с поступательным движением рабочих органов.
Известен линейный электромагнитный двигатель, приводящий в движение рабочий орган пресса [А.с. 821019 СССР, МКл В21J 7/30. Электромагнитный пресс / А.В.Львицын, Г.Г.Угаров, Г.А.Витмаер, В.Н.Федонин. - №2767111/25-27; заявл. 23.05.79; опубл. 15.04.81, Бюл. №14 - 2 с.], состоящий из статора, смонтированной в нем катушкой и якорем, возвратной пружины и фиксаторов с регулировочными винтами для удержания якоря на этапе трогания. Недостатком электромагнитного двигателя с устройствами удержания в виде механических защелок является нестабильность работы двигателя, связанная с непостоянством усилия срыва с фиксаторов (износ, наличие смазки и др.), а также повышенный уровень шума.
Известен также линейный электромагнитный двигатель с удержанием якоря [Пат. 59342 U1 РФ, МПК H02K 33/02. Линейный электромагнитный двигатель с удержанием якоря / В.И.Мошкин, К.М.Усанов, А.В.Волгин, В.А.Каргин; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Курганский ГУ. - №2006127919/22; заявл. 31.07.2006; опубл. 10.12.2006, Бюл. №34 - 4 с.], содержащий цилиндрический статор с закрепленной внутри обмоткой, якорь, состоящий из цилиндрической и дисковой частей, возвратную пружину, направляющий корпус и устройство удержания якоря, расположенное в крышке направляющего корпуса двигателя. Устройство удержания выполнено в виде плоского цилиндрического электромагнита с внешним притягивающимся якорем, роль которого выполняет плоская дисковая часть комбинированного якоря двигателя. Недостатками указанного электромагнитного двигателя с устройством удержания в виде дополнительно устанавливаемого управляемого электромагнита является сложность исполнения, низкая надежность и существенные затраты на изготовление.
Несомненным преимуществом указанных конструкций линейных электромагнитных двигателей является повышение энергии удара за счет удержания якоря на этапе трогания. Однако принцип работы существующих устройств удержания требует использования дополнительных вспомогательных механизмов в виде механических защелок или управляемых электромагнитов.
Эти недостатки устраняются в конструкции линейного электромагнитного двигателя [Пат. 2084071 РФ, МПК Н02К 33/02, Н01F 7/16, В21J 7/30. Линейный электромагнитный двигатель / Г.Г.Угаров, В.Ю.Нейман; заявитель и патентообладатель Институт горного дела СО РАН. - №95110459/07; заявл. 22.06.95; опубл. 10.07.97, Бюл. №19 - 4 с.], который является наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения (прототип). Линейный электромагнитный двигатель содержит цилиндрический статор с размещенной внутри катушкой и якорем, выполненным в форме цилиндра с дисковой частью, примыкающий к статору цилиндрический направляющий корпус из ферромагнитного материала с меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору, подшипники скольжения и возвратную пружину. Направляющий корпус выполнен заодно с крышкой и установлен с возможностью соприкосновения с внешней дисковой частью якоря, что обеспечивает удержание якоря на начальном этапе движения.
Принципиальное отличие конструкции прототипа от указанных выше состоит в том, что в прототипе удержание якоря происходит без использования дополнительных вспомогательных механизмов. Якорь получает движение, когда величина тока трогания достигнет установленного значения, а электромагнитное усилие превысит усилие удержания якоря.
Поскольку в конструкции прототипа направляющий корпус соприкасается с внешней дисковой частью якоря в начале каждого цикла, то между двумя ферромагнитными поверхностями возникает дополнительное усилие, обусловленное остаточным намагничиванием, оказывающее влияние на усилие удержание якоря. Поэтому существенным недостатком конструкции прототипа является нестабильность энергии удара.
Задачей предлагаемого изобретения является стабилизация энергии удара линейного электромагнитного двигателя.
Указанная задача достигается тем, что в линейном электромагнитном двигателе, содержащем статор с размещенной внутри катушкой и якорем, выполненным в форме цилиндра с дисковой частью, примыкающий к статору направляющий корпус из ферромагнитного материала с меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору, подшипники скольжения и возвратную пружину, направляющий корпус снабжен внутренним кольцевым выступом, сопряженным по диаметру с боковой поверхностью дисковой части якоря, и установлен с возможностью бесконтактного электромагнитного взаимодействия с боковой поверхностью дисковой части якоря.
На чертеже показана конструкция предлагаемого линейного электромагнитного двигателя на этапе трогания якоря в режиме удержания.
1
2
Предлагаемый линейный электромагнитный двигатель содержит цилиндрический статор 1 с размещенной внутри катушкой 2 и якорем 3, выполненным в форме цилиндра 4 с дисковой частью 5, примыкающий к статору направляющий корпус 6, выполненный из ферромагнитного материала с меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору 1, крышку направляющего корпуса 7, подшипники скольжения 8, 9, возвратную пружину 10 и демпфирующую шайбу 11. Направляющий корпус 6 в верхней части, примыкающей к крышке 7, имеет внутренний кольцевой выступ, обеспечивающий бесконтактное электромагнитное взаимодействие с боковой поверхностью дисковой части 5 якоря 3 через технологический зазор Δ. Внешняя торцевая поверхность цилиндрической части 4 якоря 3 и внутренняя торцевая поверхность дисковой части 5 якоря 3 образуют со статором рабочие воздушные зазоры δ и δ. Технологический зазор Δ устраняет механическое взаимодействие внутреннего кольцевого выступа и боковой поверхности дисковой части якоря в местах их бесконтактного сопряжения.
Линейный электромагнитный двигатель работает следующим образом. В исходном состоянии якорь 3 под действием усилия возвратной пружины 10 находится в крайнем верхнем положении, т.е. внешняя дисковая часть 5 якоря 3 плотно поджата к демпфирующей шайбе 11.
1
2
При подаче на катушку 2 импульса напряжения, по мере нарастания тока, в магнитной цепи возбуждается магнитный поток Ф, который последовательно замыкается через сечения цилиндрической 4 и дисковой 5 частей якоря 3, направляющего корпуса 6, цилиндрического статора 1, технологического зазора Δ и рабочих воздушных зазоров δ и δ.
1
2
y
δ1
δ2
y
1
2
В начальный момент протекания тока по катушке 2 усилие удержания, возникающее между частями кольцевого выступа и боковой поверхности дисковой части якоря, превышает усилие в рабочих воздушных зазорах δ и δ, т.е. F>F+F, и якорь 3 остается неподвижным. На чертеже указано положение якоря 3, при котором усилие удержания F достигает максимального значения. Основной магнитный поток Ф замыкается по контуру: цилиндрический статор 1, направляющий корпус 6, технологический зазор Δ, дисковая часть 5 и цилиндрическая часть 4 якоря 3, рабочий воздушный зазор δ, цилиндрический статор 1 и частично воздушный зазор δ.
2
1
1
2
δ1
δ2
y
По мере нарастания тока в цепи катушки 2 и увеличения основного магнитного потока Ф происходит насыщение участка цепи, содержащего направляющий корпус 6, вследствие его конструктивного исполнения с меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору 1. Это приводит к увеличению магнитного сопротивления направляющего корпуса 6 и перераспределению пути замыкания основной части магнитного потока Ф: статор 1, рабочий воздушный зазор δ, дисковая часть 5 и цилиндрическая часть 4 якоря 3, рабочий воздушный зазор δ, статор 1. Начиная с момента времени, когда усилие в рабочих зазорах δ и δ превысит усилие удержания, F+F>F, а магнитная система двигателя обеспечит необходимый запас магнитной энергии, происходит отрыв якоря 3 и ускоренное его перемещение.
При отключении импульса напряжения после завершения рабочего хода якорь 3 под действием усилия возвратной пружины 10 возвращается в исходное состояние. Кинетическая энергия при возврате якоря гасится в демпфирующей шайбе 11, что снижает механические нагрузки от удара и уровень шума.
Использование в конструкции линейного электромагнитного двигателя ферромагнитного направляющего корпуса с внутренним кольцевым выступом, сопряженным по диаметру с боковой поверхностью дисковой части якоря, обеспечивает на этапе трогания прохождение основной части магнитного потока через боковую поверхность дисковой части якоря, что приводит к бесконтактному удержанию якоря на этапе трогания и, таким образом, позволяет сохранить усилие удержания на требуемом технологическим процессом уровне вне зависимости от магнитного состояния ферромагнитных элементов линейного электромагнитного двигателя, т.е. стабилизировать его энергию удара.