ИНДУКЦИОННО-ДИНАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
INDUCTION-DYNAMIC MOTOR OF CYCLIC ACTION

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано в ударных приводах машин и механизмов, которые предназначены для создания циклических ударных импульсов, например, при деформации объектов в технологическом процессе.
Известен преобразователь электрических импульсов в механические, содержащий размещенные в корпусе плоский индуктор и выводы для соединения с источником электрических импульсов, а также расположенный со стороны рабочей поверхности индуктора якорь (силопередающий элемент) из электропроводного материала, который выполнен составным из плоских элементов и заключен в гибкую оболочку [1]. При этом плоские элементы якоря могут быть выполнены в виде концентрических колец, параллельных или радиально расположенных полос.
Однако такая конструкция обладает низкой эффективностью за счет выполнения якоря не сплошным, а составным с неэлектропроводящими зазорами между плоскими электропроводящими элементами. Вследствие этого вихревые токи, индуцированные в якоре, имеют уменьшенную амплитуду, а значит, и электродинамическая сила между индуктором и якорем недостаточно высока. Кроме того, составная конструкция обусловливает низкую надежность якоря, а значит, и всего преобразователя.
Известно ударное электромеханическое устройство, содержащее плоскую обмотку возбуждения, размещенную в диэлектрическом корпусе, на котором установлены регулируемые упоры, обеспечивающие зазор между корпусом и стенкой объекта воздействия [2]. Ударник этого устройства выполнен в виде метаемой шайбы из электропроводящего материала, установлен над обмоткой возбуждения и связан с возвратно-фиксирующим механизмом. К ударнику прикреплена накладка с ребрами, причем форма накладки определяется формой обрабатываемой поверхности и ее жесткостью.
Однако эффективность известного электромеханического устройства недостаточно высока из-за того, что выполненный в виде шайбы ударник и плоская обмотка возбуждения обладают относительно небольшим значением взаимной индуктивности. Вследствие этого в ударнике индуцируется невысокий вихревой ток, а значит, и развивается незначительная электродинамическая сила между обмоткой возбуждения и ударником.
Известна магнитно-импульсная установка для разрушения сводов и очистки технологического оборудования от налипших материалов, содержащая индуктор, выполненный в виде плоской обмотки возбуждения с диэлектрическим корпусом, подключаемой к источнику импульсного тока, и расположенный между индуктором и очищаемой поверхностью оборудования якорь, выполненный из материала с высокой электропроводностью и коаксиально установленный с обмоткой индуктора [3]. Якорь этой установки выполнен в форме плоского диска, торцевая поверхность которого прилегает к торцевой поверхности обмотки индуктора, с внутренней обечайкой, расположенной внутри обмотки индуктора так, что наружная боковая поверхность обечайки контактирует с частью внутренней боковой поверхности обмотки возбуждения.
В этом устройстве за счет наличия внутренней обечайки в дисковом якоре обеспечивается улучшенная магнитная связь между якорем и обмоткой индуктора, вследствие чего повышается электродинамическое взаимодействие между ними, а значит, и силовое воздействие на очищаемую поверхность оборудования.
Однако эффективность работы описанного электромеханического устройства недостаточно высока. Это связано с тем, что коэффициент магнитной связи между обмоткой индуктора и якорем невысокий, а значит, недостаточно сильное силовое воздействие на якорь со стороны обмотки индуктора. Кроме того, в этом устройстве проблематично формирование значительной амплитуды электродинамической силы без повышения параметров источника импульсного тока. Поскольку обмотка индуктора охвачена диэлектрическим корпусом, то эффективность ее охлаждения низка. Из-за повышенной температуры обмотки растет ее сопротивление, ухудшается состояние электрической изоляции, что обуславливает снижение величины силового ударного импульса или частоты следования токовых импульсов, а значит, производительности установки.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является индукционно-динамическое технологическое устройство, содержащее индуктор, выполненный в виде дисковой обмотки возбуждения с диэлектрическим корпусом, подключаемой к источнику импульсного тока, и расположенный между индуктором и очищаемой поверхностью оборудования якорь, выполненный из электропроводящего материала в виде плоского диска с внутренней обечайкой, расположенной внутри обмотки индуктора так, что наружная боковая поверхность обечайки обращена к части внутренней боковой поверхности обмотки [4]. У данного устройства обмотка возбуждения индуктора выполнена в виде двух электрически последовательно соединенных согласно по магнитному полю секций, разделенных аксиальным зазором с радиальными каналами для охлаждения. В диэлектрическом корпусе индуктора выполнены аксиальные центральный и упорядочение расположенные наружные каналы для охлаждения, соединенные радиальными каналами. Внутри центрального аксиального канала коаксиально расположен направляющий стержень, соединяющий якорь с возвратным механизмом. Радиальные каналы для охлаждения образованы при помощи опорных упорядочение расположенных и радиально направленных стержней прямоугольного сечения, расположенных в аксиальном зазоре между секциями обмотки возбуждения.
В известном индукционно-динамическом устройстве, решающем различные технологические задачи ударным методом, достигается повышение эффективности за счет следующих факторов.
Наличие аксиального зазора между секциями обмотки возбуждения индуктора позволяет использовать его в качестве радиальных каналов для охлаждения. Соединение радиальных каналов с аксиальными образует путь для циркуляции хладагента внутри индукционно-динамического устройства, способствуя охлаждению наиболее нагреваемого элемента - обмотки возбуждения. Из-за эффективного охлаждения можно увеличить ток в обмотке индуктора и частоту следования токовых импульсов, что обеспечивает повышению амплитуды силовых импульсов и производительности ударного электромеханического устройства.
Центральный аксиальный канал, помимо пропускания хладагента, выполняет функцию направляющего элемента для якоря, посредством фиксации соединенного с ним направляющего стержня при помощи пористых прокладок или подшипников.
Устройство-прототип обладает следующими недостатками.
Циркуляция хладагента осуществляется не самим индукционно-динамическим устройством, а под действием специального внешнего устройства, например, насоса, что усложняет конструкцию, повышает стоимость и снижает надежность устройства в целом.
Выполнение обмотки индуктора в виде двух секций, разделенных аксиальным зазором, снижает магнитную связь ее с якорем за счет отдаления одной из секций от якоря. В результате уменьшается величина силового импульса, генерируемого устройством.
Радиальные каналы для охлаждения, образованные при помощи опорных и радиально направленных стержней прямоугольного сечения, расположенных в аксиальном зазоре между секциями обмотки возбуждения, приводят к тому, что площадь поперечного сечения такого канала не является постоянной, а возрастает от центра в радиальном направлении. Это приводит к различной скорости движения хладагента по длине каналов, а значит, и различной эффективности охлаждения участков обмотки (хуже охлаждаются наружные участки).
Поданный на вход поток жидкого хладагента разбивается на ряд параллельных каналов. Вследствие этого необходим специальный сборный коллектор для поступления нагретого хладагента, что усложняет конструкцию устройства. Кроме того, при частичном или полном закупоривании одного из каналов или различных их размерах система охлаждения этого не диагностирует, поскольку жидкость будет проходить через остальные каналы. Однако при этом возникнет перегрев участков обмотки возле закупоренного канала или канала с меньшим поперечным сечением, что может привести к ухудшению и даже термическому повреждению ударного устройства.
Наличие наружных каналов для охлаждения в диэлектрическом корпусе увеличивает его радиальные размеры по отношению к радиальным размерам обмотки, что приводит к росту габаритов ударного устройства.
В устройстве-прототипе отсутствует система демпфирования ударов якоря по обмотке после прямого хода рабочего цикла, которые возникают при работе возвратного механизма, обеспечивающего обратный ход якоря. Вследствие циклических ударов возникает мощный акустический импульс, плохо влияющий на окружающий персонал, и происходит механическое ударное нагружение обмотки, способное привести к ее повреждению, например, разрушению хрупкой эпоксидной смолы, которой пропитана обмотка, и к короткому замыканию смежных витков.
Задачей изобретения является повышение эффективности индукционно-динамического электродвигателя циклического действия за счет отсутствия внешних устройств, обеспечивающих циркуляцию жидкого хладагента, улучшения охлаждения обмотки и демпфирования ударов якоря об обмотку при обратном его ходе.
Поставленная задача решается за счет того, что в индукционно-динамическом электродвигателе циклического действия, содержащем коаксиально расположенные неподвижный индуктор, выполненный в виде подключаемой к источнику импульсного тока дисковой обмотки с диэлектрическим корпусом, который охватывает наружную боковую и плоскую стороны обмотки, расположенный смежно с противоположной плоской стороной обмотки индуктора подвижный якорь, выполненный из электропроводящего материала в виде плоского диска, ударный элемент в форме диска, одна плоская сторона которого прилегает к смежной поверхности якоря, а противоположная сторона с профильной поверхностью направлена в сторону объекта воздействия, и охваченный центральными отверстиями обмотки индуктора, якоря и ударного элемента направляющий стержень, соединяющий ударный элемент с возвратным механизмом, соединенные между собой каналы для охлаждения, расположенные на плоской стороне обмотки и в диэлектрическом корпусе, в соответствии с предлагаемым изобретением, между корпусом и обмоткой индуктора расположен диск, навитый из трубки с внутренним каналом для охлаждения, концы которой соединены с охлаждающей камерой, расположенной аксиально с обмоткой индуктора и закрепленной в корпусе, внутри камеры с жидким хладагентом размещен перпендикулярный к направляющему стержню и соединенный с его концом плоский поршень, на котором упорядочено расположены односторонние клапаны, свободно пропускающие жидкий хладагент только при движении поршня в сторону объекта воздействия, на внешней стороне охлаждающей камеры установлены охлаждающие радиаторы, возвратный механизм выполнен в виде аксиально сжимаемых цилиндрической пружины и охватывающего ее упругого гидроизоляционного элемента, которые соединены с направляющим стержнем и с охлаждающей камерой, обмотка индуктора и навитый из трубки диск размещены на наружной поверхности полой цилиндрической втулки с торцевыми направляющими дисками, охватывающими направляющий стержень.
Кроме того, корпус выполнен в форме квадрата, в углах которого выполнены крепежные отверстия.
Кроме того, упругий гидроизоляционный элемент выполнен в виде гофрированного сильфона.
Кроме того, трубка выполнена из электропроводящего материала.
Кроме того, трубка выполнена из ферромагнитного материала.
Кроме того, трубка выполнена с прямоугольным наружным сечением.
Кроме того, трубка выполнена с квадратным наружным сечением.
Кроме того, в качестве жидкого хладагента выступает трансформаторное масло.
В предлагаемом индукционно-динамическом электродвигателе циклического действия отсутствуют внешние устройства, обеспечивающие циркуляцию жидкого хладагента. Жидкий хладагент, например, трансформаторное масло, обладающее и электроизоляционными и теплопроводящими свойствами, циркулирует только в охлаждающей камере и во внутреннем канале присоединенной к ней многовитковой трубки, намотанной в форме диска, под действием плоского поршня при обратном ходе якоря к обмотке под действием цилиндрической пружины.
Размещенные на плоском поршне односторонние клапаны свободно пропускают жидкий хладагент только при движении поршня в сторону объекта воздействия, т.е. при прямом ходе якоря, не противодействуя силе электродинамического отталкивания якоря от обмотки индуктора.
При обратном ходе якоря односторонние клапаны закрываются и не пропускают жидкий хладагент. При этом поршень начинает перемещать жидкий хладагент внутри охлаждающей камеры, проталкивая его через все витки трубки. Создаваемая при этом сила гидравлического сопротивления обеспечивает плавный ход якоря, препятствуя резкому удару его об обмотку индуктора. Из-за вязкости трансформаторного масла величина удара якоря об обмотку будет малой.
Таким образом, помимо эффективного охлаждения, обусловленного циркуляцией жидкого хладагента по трубке, осуществляется демпфирование (смягчение) удара якоря об обмотку индуктора при обратном ходе якоря под действием возвратной пружины. Уменьшение величины циклической ударной нагрузки снижает уровень акустического шума, что благоприятно для окружающего персонала, и повышается надежность обмотки за счет уменьшения механической ударной нагрузки.
Наличие между корпусом и обмоткой индуктора диска из навитой в один ряд многовитковой трубки с внутренним каналом, по которому циркулирует жидкий хладагент, обеспечивает равномерное охлаждение всех участков обмотки в радиальном сечении за счет последовательного соединения витков трубки между собой.
Расположение охлаждающей камеры аксиально с обмоткой индуктора и закрепление ее в диэлектрическом корпусе делает конструкцию электродвигателя надежной и компактной. Наличие на внешней стороне камеры охлаждающих радиаторов позволяет постоянно отводить тепло от нагретого жидкого хладагента во внешнюю среду, поддерживая его температуру на необходимом уровне. При необходимости радиаторы могут обдуваться внешним потоком воздуха от вентилятора, установленного на нерабочей стороне электродвигателя.
Навивка в один ряд многовитковой трубки в форме диска делает такую конструкцию технологичной и надежной. Особенно легко изготавливать указанный диск при использовании трубки с прямоугольным или квадратным наружным сечением.
Выполнение возвратного механизма в виде аксиально сжимаемых цилиндрической пружины и охватывающего ее упругого гидроизоляционного элемента, которые соединены с направляющим стержнем и с охлаждающей камерой, делает такую конструкцию дешевой и надежной. Упругий гидроизоляционный элемент препятствует проникновению жидкого хладагента из охлаждающей камеры во внешнюю среду, не препятствуя рабочему ходу якоря. Выполнение гидроизоляционного элемента в виде гофрированного сильфона делает конструкцию надежной и технологичной.
Размещение обмотки индуктора и диска из трубки на наружной поверхности полой цилиндрической втулки упрощает технологию намотки многовитковой трубки и обмотки, поскольку втулка выполняет роль наматываемого технологического каркаса. Наличие у полой цилиндрической втулки двух торцевых направляющих дисков, охватывающих направляющий стержень, обеспечивает аксиальное перемещение и фиксацию стержня с ударным элементом и якорем относительно обмотки индуктора.
Выполнение корпуса в форме квадрата, в углах которого выполнены крепежные отверстия, позволяет легко его изготавливать и фиксировать электродвигатель относительно массивного основания.
Выполнение многовитковой трубки в форме диска из электропроводящего материала, например, меди, позволяет уменьшить внешние электромагнитные поля, создаваемые обмоткой индуктора, улучшая электромагнитную совместимость с иными устройствами и обслуживающим персоналом.
Выполнение многослойной трубки в форме диска из ферромагнитного материала позволяет при уменьшении внешних магнитных полей усилить поле в активной зоне - в зазоре между обмоткой индуктора и якорем, а значит, повысить силовые импульсы электродвигателя.
Выполнение обмотки индуктора в виде одной секции без аксиального зазора повышает магнитную связь ее с якорем, в результате чего повышается эффективность работы электродвигателя.
Отсутствие наружных каналов для охлаждения в диэлектрическом корпусе уменьшает его радиальные размеры по отношению к радиальным размерам обмотки, что приводит к снижению габаритов электродвигателя.
На фиг.1 представлено поперечное сечение индукционно-динамического электродвигателя в исходном состоянии;
на фиг.2 - поперечное сечение индукционно-динамического электродвигателя в момент движения якоря;
на фиг.3 - поперечное сечение индукционно-динамического электродвигателя в момент максимального смещения якоря относительно обмотки индуктора;
на фиг.4 - увеличенный фрагмент Б на фиг.1;
на фиг.5 - увеличенный фрагмент В на фиг.3;
на фиг.6 - вид А на фиг.1.
Индукционно-динамический электродвигатель циклического действия состоит из неподвижного индуктора, выполненного в виде обмотки 1 с диэлектрическим корпусом 2, который охватывает наружную боковую 3 и плоскую 4 стороны обмотки. Обмотка 1, намотанная из витков медного провода, выполнена в форме круглого диска, а корпус 2 выполнен в форме квадрата и изготовлен из диэлектрического материала, например, стеклотекстолита, обладающего высокими электроизоляционными свойствами.
Коаксиально с обмоткой 1 установлен подвижный якорь 5, выполненный из электропроводящего материала, например меди, в виде плоского диска. Якорь расположен смежно с противоположной плоской стороной 6 обмотки 1.
Коаксиально с якорем 5 установлен ударный элемент 7 в форме диска, одна плоская сторона 8 которого прилегает к смежной поверхности якоря, а противоположная сторона 9 с профильной поверхностью направлена в сторону объекта воздействия 10. Ударный элемент 7 жестко соединен с якорем 5, например крепежными элементами 11.
Во внутренних отверстиях обмотки 1, якоря 5 и ударного элемента 7 установлен направляющий стержень 12, конец которого выполнен в виде бойка 13 с упорным диском 14. При помощи упорного диска 14 боек 13 жестко соединен с ударным элементом 7, например, при помощи крепежных элементов 15. Таким образом, один конец направляющего стержня 12 посредством упорного диска 14 соединен с ударным элементом 7, а второй конец стержня 12 соединен с возвратным механизмом, выполненным в виде аксиально сжимаемых цилиндрической пружины 16 и охватывающего ее упругого гидроизоляционного элемента 17, который выполнен в виде гофрированного сильфона.
Между корпусом 2 и плоской стороной 4 обмотки 1 индуктора расположен диск, навитый в один ряд из трубки 18 с внутренним каналом для охлаждения 19. Входной 20 и выходной 21 концы трубки 18 герметично соединены с охлаждающей камерой 22, расположенной аксиально с обмоткой 1 индуктора и закрепленной в корпусе 2. При этом выходной конец 21 трубки 18 расположен в корпусе 2.
Внутри камеры 22 с жидким хладагентом 23, например трансформаторным маслом, размещен плоский поршень 24, перпендикулярный направляющему стержню 12 и соединенный с его концом 25. На плоском поршне 24 упорядоченно, например, равномерно по периметру, расположены односторонние клапаны 26, свободно пропускающие жидкий хладагент 23 только при движении поршня 24 в сторону объекта воздействия 10. На внешней стороне охлаждающей камеры установлены охлаждающие радиаторы 27.
Пружина 16 и гидроизоляционный элемент 17 возвратного механизма соединены с направляющим стержнем 12 и с охлаждающей камерой 22.
Обмотка 1 индуктора и внутренний слой трубки 18 размещены на наружной поверхности полой цилиндрической втулки 28 с торцевыми направляющими дисками 29, охватывающими направляющий стержень 11. В углах квадратного корпуса 2 выполнены крепежные отверстия 30.
Трубка 18 может быть выполнена из электропроводящего материала, например из меди, или из ферромагнитного материала, например из стали. Наружное сечение трубки может быть прямоугольным или квадратным.
Объект воздействия 10, например дискретно перемещаемая пластина, имеет отверстия 31, совершенные бойком 13 при предыдущем рабочем цикле.
Индукционно-динамический электродвигатель циклического действия работает следующим образом.
При подключении обмотки 1 к источнику импульсного тока, например, емкостному накопителю энергии (не показан) возбуждаемое магнитное поле обмотки индуцирует токи в электропроводящем якоре 5. Вследствие этого между ними возникает электродинамическая сила отталкивания, перемещающая якорь 5 вместе с ударным элементом 7 в сторону объекта воздействия 10. При этом посредством упорного диска 14 происходит перемещение направляющего стержня 12, и боек 13 совершает деформацию объекта 10, например пробивание отверстия 31.
При перемещении направляющего стержня 12 в сторону деформируемого объекта 10 происходит аналогичное перемещение плоского поршня 24 внутри охлаждающей камеры 22 с жидким хладагентом 23. При этом упорядоченно расположенные на плоском поршне 24 односторонние клапаны 26 свободно пропускают жидкий хладагент 23, практически не перемещая жидкий хладагент 23 в камере 22. Таким образом, при открытых клапанах 26 плоский поршень имеет малое гидравлическое сопротивление и действующая на якорь 5 электродинамическая сила отталкивания существенно не уменьшается.
При перемещении направляющего стержня 12 в сторону объекта 10 происходит увеличение длины возвратного механизма, т.е. разжимается цилиндрическая пружина 16 и охватывающий ее упругий гидроизоляционный элемент 17, который препятствует выходу жидкого хладагента в окружающее пространство.
После совершения прямого рабочего хода и деформации объекта 10, а именно пробивания отверстия 31, под действием пружины 16 направляющий стержень 12 совершает обратный ход от объекта 10 к обмотке 1. При этом расположенные на плоском поршне 24 односторонние клапаны 26 закрываются и не пропускают жидкий хладагент 23. Таким образом, поршень 24 толкает жидкий хладагент 23 в камере 22. Под действием перемещаемого поршня хладагент 23 выдавливается из камеры 22, поступает в выходной конец 21 намотанной в форме диска трубки 18, проходит по ее внутреннему каналу 19 и через входной конец 20 поступает в камеру 22. Циркулирующий таким образом в трубке 18 жидкий хладагент 23 отводит тепловую энергию, выделяемую в обмотке 1, обеспечивая стабилизацию ее температуры на допустимом уровне. Избыточное тепло жидкого хладагента 23 отводится из охлаждающей камеры 22 в окружающее пространство через установленные на ее внешней стороне охлаждающие радиаторы 27.
Поскольку поршень 24 при обратном ходе подвергается действию силы сопротивления, вызванной, в основном, гидравлическим сопротивлением жидкого хладагента во внутреннем канале 19 многовитковой трубки 18, то происходит плавное движение направляющего стержня 12, ударного элемента 7 и якоря 5 в сторону обмотки индуктора 1. Таким образом, осуществляется безударное контактирование якоря 5 с обмоткой 1 без значительного акустического шума, что благоприятно как для окружающего персонала, так и для надежности обмотки.
После возврата якоря 5 с ударным элементом 7 в исходное состояние происходит дискретное перемещение объекта 11 (на фиг.1 вниз), пробитое отверстие 31 смещается, а напротив бойка 13 располагается новый недеформированный участок объекта 11. После этого рабочий цикл повторяется, причем частота следования рабочих импульсов может быть довольно высокой, поскольку температура обмотки индуктора не будет повышаться выше допустимого уровня.
В предлагаемом изобретении в процессе изготовления вовнутрь диэлектрического корпуса последовательно укладываются многовитковая трубка и обмотка, которые затем замоноличиваются, например, эпоксидной смолой. Такая конструкция является технологичной и характеризуется высокой надежностью.
Источники информации
1. Патент РФ №2018377, МКИ B06B 1/04. Преобразователь электрических импульсов в механические. - Опубл. 30.08.94 г., Бюл. №16.
2. А.с. СССР №796132, МКИ B65G 65/40. Устройство для разгрузки емкости. - Опубл. 15.01.81 г., Бюл. №2.
3. Тютькин В.А. Магнитно-импульсный способ разрушения сводов и очистки технологического оборудования от налипших материалов. // Электротехника. - 2002. - №11. - С.24-28.
4. Патент Украины 62623А, МПК B65G 65/49, В06В 1/04. Iндукцiйно-динамiчний технологiчний пристрiй. - Заявка №2003043468; Заявлено 17.040.03; Напечатано 15.12.03, Бюл. №12 (прототип).