Электромеханический привод

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к приводам возвратно-поступательного движения. Сущность изобретения: электромеханический провод выполнен по магнитоэлектрическому типу и содержит неподвижный статор в виде броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой возбуждения в нем и подвижный якорь, образованный парой разделенных ферромагнитной вставкой встречно ориентированных магнитов. Сердечник выполнен в виде кольца, а магниты якоря закреплены на штоке, проходящем сквозь отверстие кольца сердечника и установленном в корпусе на двух пружинах мембранного типа при симметричном расположении магнитов относительно полюсных наконечников сердечника. Конструкция привода позволяет минимизировать потери в магнитных зазорах и тем самым обеспечить высокий КПД устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям, в частности, электрическим проводам возвратно-поступательного движения.

Известны разнообразные конструкции электрических проводов возвратно-поступательного движения. Такие приводы обычно содержат статор, выполненный в виде одной или нескольких обмоток возбуждения, и подвижный якорь, выполненный в виде ферромагнитного стержня различной конфигурации [1,2] или содержащий также подвижные обмотки [1,3] Известны также магнито-электрические приводы. Такие приводы обычно содержат статор, выполненный, как и в электромагнитных приводах, в виде одной или нескольких обмоток возбуждения, и подвижный якорь, выполненный в виде одного или нескольких постоянных магнитов в сочетаниях с различными ферромагнитными деталями [4,5] и дополнительными обмотками [4-9] Движение рабочего органа в таких приводах обеспечивается за счет взаимодействия электромагнитного поля обмотки статора и поля постоянного магнита якоря. При этом могут использоваться различные средства концентрации как электромагнитного поля обмотки, так и постоянного магнитного поля якоря [10-12] Наиболее близким к изобретению является устройство по заявке PCT WO 94/10742 [12] Устройство-прототип представляет собой линейный двигатель. Он содержит статор в виде пустотелого броневого сердечника в форме прямоугольной трубы из ферромагнитного материала с полюсными наконечниками, образованными смещенными на половину длины якоря прорезями в верхней и нижней стенках трубы. Внутри сердечника-трубы размещена обмотка возбуждения, жестко связанная с подвижным якорем. Последний образован парой встречно ориентированных стержневых постоянных магнитов, разделенных вставкой из ферромагнитного материала. Вставка выполняет роль концентратора поля постоянных магнитов, формируя их объединенный магнитный полюс. Такая конструкция образует эквивалентный трехполюсный магнит, одним из полюсов которого является вставка, а двумя другими, одноименными между собой, оппозитные ей концы стержней постоянных магнитов.

При подаче на обмотку возбуждения переменного напряжения происходит периодическое перемагничивание сердечника. В один из полупериодов действующего напряжения ближайший к упомянутой выше вставке полюсный наконечник, например, расположенный на верхней стенке сердечника-трубы, и сама вставка оказываются имеющими одноименные полюса намагниченности. В результате на вставке, и, следовательно, на якорь будет действовать сила, вызывающая его механическое смещение в сторону от полюсного наконечника, имеющего одноименную со вставкой намагниченность, к полюсному наконечнику с противоположной намагниченностью. Движение якоря в указанном направлении начнется одновременно с первой полуволной питающего напряжения. Частота этого напряжения выбрана такой, чтобы время перемещения якоря между соседними полюсными наконечниками сердечника было бы немного меньше длительности одного полупериода напряжения. В результате за время действия одной полуволны напряжения якорь переместится не только на расстояние между соседними полюсными наконечниками, но, двигаясь по инерции, пройдет точку максимального приближения ферромагнитной вставки якоря к притягивающему ее полюсному наконечнику. В этот момент произойдет смена полярности полуволны питающего напряжения, и полюсной наконечник сердечника, имевший ранее разноименную с ферромагнитной вставкой сердечника намагниченность и притягивавший ее, приобретает одноименную с ней намагниченность. В этот же самый момент следующий по направлению движения якоря полюсной наконечник приобретает намагниченность, разноименную с намагниченностью вставки якоря. В результате на вставку, и, следовательно, на якорь будет действовать сила, смещающая его в том же направлении, в котором происходило смещение во время действия первой полуволны питающего напряжения. Якорь продолжит свое движение вдоль сердечника-трубы.

По достижении якорем следующего притягивающего его полюсного наконечника все рассмотренные выше процессы повторятся, и якорь вновь совершит свое линейное движение вдоль сердечника-трубы.

Устройство-прототип предназначено для использования в качестве линейного двигателя, например, транспортного средства.

Устройство-прототип обладает высоким КПД, поскольку потери энергии из-за ее рассеяния в магнитных зазорах оказываются весьма малыми. При определенном выборе соотношений между периодом питающего напряжения и временем перемещения якоря между полюсными наконечниками сердечника это устройство могло бы быть использовано и в качестве привода возвратно-поступательного движения, например в электроинструменте. Однако это требует применения специальных схем управления, особенно в условиях переменных нагрузок на рабочий орган привода, что особенно характерно для электроинструмента.

Технической задачей изобретения является создание магнито-электрического привода, преобразующего электрическую энергию в возвратно-поступательное движение, на основе линейного двигателя магнито-электрического типа.

Сущность изобретения заключается в том, что в электромеханическом приводе, содержащем статор в виде пустотелого броневого сердечника с полюсными наконечниками и размещенной в нем обмоткой возбуждения и якорь, образованный парой встречно ориентированных постоянных магнитов, разделенных ферромагнитной вставкой, сердечник статора выполнен в виде пустотелого кольца, полюсные наконечники статора образованы внутренней поверхностью кольца, разделенной в своей центральной части радиальной прорезью, обмотка возбуждения выполнена в виде соленоида, соосного с сердечником статора, постоянные магниты и вставка выполнены в виде шайб и неподвижно закреплены на штоке, а шток установлен в упругих опорах с возможностью осевого перемещения, при этом ферромагнитная вставка расположена симметрично относительно полюсных наконечников сердечника статора.

Введение совокупности новых признаков приводит к тому, что смещение якоря (штока) относительно корпуса в обоих направлениях его оси оказывается ограниченным противодействующей ему (т.е. смещению) силой упругих опор, возрастающей по мере увеличения самого смещения. Благодаря действию этих сил скорость смещения к концу действия каждой из полуволн напряжения питания падает, в результате смена полярности наконечников сердечника происходит до момента достижения такой величины смещения якоря, при котором разделяющая постоянные магниты ферромагнитная вставка выходит за пределы расстояния, разделяющего полюсные наконечники сердечника. Таким образом обеспечиваются условия смены направления движения якоря после смены полярности полюсных наконечников сердечника. То есть, происходит возвратно-поступательное движение. При этом указанные условия обеспечиваются автоматически вне зависимости от частоты питающего напряжения: упругие опоры фактически выполняют роль стопов магнито-электрического привода, не допуская смещения якоря выше установленного предела расстояние между полюсными наконечниками сердечника.

В частном случае реализации заявляемого изобретения упругие опоры могут быть выполнены в виде пружин мембранного типа.

Радиальная симметрия всех введенных элементов привода обеспечивает возможность выполнения его конструкции цилиндрической формы, что создает благоприятные условия сопряжения с приборами различного практического назначения.

На чертеже показан заявляемый электромеханический привод.

Привод содержит корпус 1, в котором неподвижно закреплен броневой сердечник 2, выполненный в виде пустотелого кольца, с размещенной в нем соленоидальной обмоткой 3 возбуждения. В центральной части внутренней поверхности кольца сердечника 2 выполнена радиальная прорезь 4, благодаря которой образуются кольцевые полюсные наконечники 5 и 6. В отверстии кольца сердечника 2 между полюсными наконечниками 5 и 6 установлен подвижный якорь, выполненный в виде штока 7 с закрепленными на нем двумя встречно ориентированными шайбообразными постоянными магнитами 8 и 9, разделенными ферромагнитной вставкой 10. Шток 7 закреплен на двух пружинах 11 и 12 мембранного типа. При этом вставка 10 расположена симметрично относительно полюсных наконечников 5 и 6.

Функционирование привода начинается при подаче на обмотку 3 возбуждения переменного напряжения, например, напряжения промышленной частоты 50 Гц. Синхронно с каждой из полуволн этого напряжения полюсные наконечники 5 и 6 броневого сердечника 2 намагничиваются, попеременно становясь северным и южным полюсами электромагнита, образованного катушкой 3 и сердечником 2. Пусть, например, в первый момент времени (после включения питания обмотки 3 возбуждения) полюсной наконечник 6 является северным полюсом электромагнита, а полюсной наконечник 5 его южным полюсом. Тогда, если постоянные магниты 8 и 9 установлены на штоке 7 так, как это показано на чертеже (т.е. северными полюсами навстречу друг другу), и вставка 10 выполняет роль северного полюса сложного составного магнита (из магнитов 8 и 9), то в этот момент времени на вставку 10 будет действовать сила, отталкивающая ее от полюсного наконечника 6 и притягивающая к полюсному наконечнику 5. В результате якорь привода сместится из первоначального симметричного относительно наконечников 5 и 6 положения в положение, при котором вставка 10 будет расположена максимально близко к наконечнику 5. Для показанного на фигуре случая и рассматриваемого примера это смещение якоря будет происходить в осевом направлении, задаваемом пружинами 11 и 12 и направлено справа налево. Со штока 7 усилие может быть передано на то механическое устройство (не показано), которое приводится в действие заявляемым приводом.

При смещении штока 7 в сторону первоначального положения связанные с ним пружины 11 и 12 получат прогиб в сторону смещения штока 7. По мере увеличения этого прогиба будет возрастать сила сопротивления пружин 11 и 12 смещению штока 7. Одновременно по мере спада первой полуволны напряжения возбуждения обмотки 3 будет уменьшаться сила магнитного отталкивания вставки 10 полюсного наконечника 6. В какой-то момент времени эти силы сравняются, и движение штока 7 прекратится.

В следующий момент времени шток 7 под действием пружин 11 и 12 начнет движение в обратную сторону. Одновременно произойдет смена полуволны напряжения питания обмотки 3, и полярность полюсных наконечников 5 и 6 изменится на противоположную. В результате на вставку 10 будет действовать сила, отталкивающая ее от полюсного наконечника 5 и притягивающая к наконечнику 6. Вставка 10 сместится в положение, при котором она будет максимально приближена к наконечнику 6. Вместе с ней произойдет смещение якоря, теперь уже слева направо. Пружины 11 и 12 также получат прогиб в противоположном направлении. В какой-то момент времени движение штока 7 вновь будет остановлено вследствие увеличения силы сопротивления пружин 11 и 12 и уменьшения действующей на вставку 10 магнитной силы из-за спада полуволны напряжения питания.

Далее вновь произойдет смена полярности полуволны напряжения питания, и на вставку 10 вновь будет действовать сила, отталкивающая ее от полюсного наконечника 6 и притягивающая к наконечнику 5. Движение якоря повторится подобно тому, как это происходило при рассмотренном выше действии первой полуволны питающего напряжения. Так обеспечивается возвратно-поступательное движение штока 7 вдоль его оси и, следовательно, функционирование заявляемого электромеханического привода.

Источники информации: 1. Л. А. Казаков. Электромагнитные устройства РЭА. Справочник. Москва, "Радио и связь", 1991.

2. Заявка РФ N 92-013590/07, кл. H 02 К 33/02.

3. Пат. СССР N 2007617, кл. F 04 17/04.

4. Пат. Германии N 3719460, кл. F 04 В 35/04.

5. Пат. Германии N 3033684, кл. F 04 В 17/04.

6. А.с. СССР N 1608353, кл. F 04 В 17/04.

7. Пат. СССР N 2005912, кл. F 04 В 35/04.

8. Заявка PCT N 93/22821, кл. H 02 K 33/06.

9. А.с. СССР N 1827427, кл. F 04 B 9/00.

10. Пат. Японии N 5-20990, кл. H 02 K 33/18.

11. Пат. Японии N 5-24744, кл. H 02 K 41/03.

12. Заявка PCT N 94/10742, кл. H 02 K 41/03 прототип.

Формула изобретения

1. Электромеханический привод, содержащий статор в виде пустотелого броневого сердечника с полюсными наконечниками и размещенной в нем обмоткой возбуждения и якорь, образованный парой встречно ориентированных постоянных магнитов, разделенных ферромагнитной вставкой, отличающийся тем, что сердечник статора выполнен в виде пустотелого кольца, полюсные наконечники статора образованы внутренней поверхностью кольца, разделенной в своей центральной части радиальной прорезью, обмотка возбуждения выполнена в виде соленоида, соосного с сердечником статора, постоянные магниты и вставка выполнены в виде шайб и неподвижно закреплены на штоке, а шток установлен в упругих опорах с возможностью осевого перемещения, при этом ферромагнитная вставка расположена симметрично относительно полюсных наконечников сердечника статора.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что упругие опоры выполнены в виде пружин мембранного типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1