Электромагнитный двигатель (варианты)

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитным двигателям с возвратно-поступательным перемещением исполнительного органа, и может быть использовано при создании приводов для дозировочных насосов, прессов и других механизмов. Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении КПД электромагнитного двигателя и в расширении возможностей формирования вида тяговой характеристики, то есть в достижении более высокого значения тягового усилия при тех же массогабаритных показателях электромагнитного двигателя. Сущность изобретения состоит в том, что в электромагнитном двигателе, содержащем цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и закрепленный на валу плоский внешний прямоходный ферромагнитный якорь с шунтом, выполненным в виде кольца, согласно первому варианту, на якоре выполнено дополнительное кольцо, расположенное с внешней стороны относительно шунта, при этом в корпусе со стороны якоря выполнена проточка, соответствующая форме дополнительного кольца. В другом варианте на якоре дополнительное кольцо размещается между шунтом и валом якоря, а в сердечнике со стороны якоря выполнена проточка, соответствующая форме дополнительного кольца. В третьем варианте на якоре выполнены внешнее и внутреннее дополнительные кольца. Внешнее кольцо расположено на якоре с внешней стороны относительно шунта, а внутреннее - между шунтом и валом якоря. При этом в корпусе со стороны якоря выполнена проточка, соответствующая форме внешнего кольца, а в сердечнике также выполнена проточка, соответствующая форме внутреннего кольца. 3 с. и 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

Заявляемый электромагнитный двигатель (ЭМД) относится к электротехнике, в частности к ЭМД с возвратно-поступательным перемещением исполнительного органа, и может быть использован в роли привода для дозировочных насосов, прессов и других механизмов.

Уровень техники в данной области характеризуется приведенными ниже сведениями.

Известен ЭМД, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и внешний плоский прямоходный якорь с ферромагнитным шунтом в виде кольца, причем якорь выполнен немагнитным [Патент РФ №2159984, МПК Н 02 К 33/02; H 01 F 7/18, опубл. 27.11.2000 г. Бюл. №33, ЭМД, авторы Шимчук Ф.С. и др.].

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является ЭМД, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и плоский внешний прямоходный ферромагнитный якорь с шунтом в виде кольца с цилиндрическими боковыми поверхностями, при этом якорь с шунтом выполнены как одно целое [Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов, М.: Энергия, 1974 г., стр.111].

Указанным конструкциям свойственны следующие общие недостатки:

1. Крайне ограниченная возможность формирования тяговой характеристики требуемой формы.

2. Снижение тягового усилия и КПД за счет существенно различного значения магнитной индукции в различных областях магнитопровода, а также наличия областей магнитопровода с материалом, находящимся в зоне магнитного насыщения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании ЭМД с повышенным КПД и широкими возможностями формирования формы тяговой характеристики.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в достижении более высокого значения тягового усилия при тех же массогабаритных показателях ЭМД.

Сущность изобретения заключается в том, что в ЭМД, содержащем цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и закрепленный на валу плоский внешний прямоходный ферромагнитный якорь с шунтом, выполненным в виде кольца, на якоре выполнено дополнительное кольцо, расположенное с внешней стороны относительно шунта, при этом в корпусе со стороны якоря выполнена проточка, соответствующая форме дополнительного кольца, таким образом, что между корпусом и внутренней стороной этого кольца образуется рабочий воздушный зазор δ ₁, через который так же, как и через основные рабочие зазоры (между шунтом и корпусом и шунтом и сердечником), происходит замыкание силовых линий, создающих тяговое усилие. Экспериментально установлено, что высота дополнительного кольца h₁ должна удовлетворять условию

0&λτ; h₁≤ h,

где h - высота шунта.

Второй вариант исполнения ЭМД заключается в том, что в ЭМД, содержащем цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и закрепленный на валу плоский внешний прямоходный якорь с шунтом, выполненным в виде кольца, на якоре выполнено дополнительное кольцо, расположенное между шунтом и валом якоря, при этом внутри сердечника со стороны якоря выполнена проточка, соответствующая форме дополнительного кольца, таким образом, что между внешней боковой поверхностью этого кольца и боковой поверхностью проточки образуется рабочий воздушный зазор δ ₂. Экспериментально установлено, что высота дополнительного кольца h₂ должна удовлетворять условию

0&λτ; h₂≤ h,

где h - высота шунта.

Третий вариант исполнения ЭМД заключается в том, что в ЭМД, содержащем цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и закрепленный на валу плоский внешний прямоходный ферромагнитный якорь с шунтом, выполненным в виде кольца, на якоре выполнены внешнее и внутреннее дополнительные кольца таким образом, что внешнее кольцо расположено на якоре с внешней стороны относительно шунта, а внутреннее расположено между шунтом и валом якоря, при этом в корпусе со стороны якоря выполнена проточка, соответствующая форме внешнего кольца, а в сердечнике также выполнена проточка, соответствующая форме внутреннего кольца, причем между корпусом и внутренней стороной внешнего кольца образуется рабочий воздушный зазор δ ₁, а между внешней боковой поверхностью внутреннего кольца и боковой поверхностью проточки внутри сердечника образуется рабочий воздушный зазор δ ₂. Экспериментально установлено, что высота дополнительных колец h₁ и h₂ должна удовлетворять условию

0&λτ; h₁≤ h,

0&λτ; h₂≤ h,

где h₁ - высота внешнего кольца;

h₂ - высота внутреннего кольца;

h - высота шунта.

Конструкция ЭМД каждого из трех вариантов может быть выполнена симметричной относительно плоскости, перпендикулярной оси вала якоря и проходящей через внешнюю поверхность якоря, при этом в конструкцию введены дополнительные магнитопровод и обмотка (см. фиг.2, 4, 6). В этом случае якорь выполнен монолитным (цельным, единым), симметричным относительно этой плоскости и расположен внутри также симметричной относительно этой плоскости магнитной системы, состоящей из полностью идентичных нижнего и верхнего магнитопроводов и нижней и верхней обмоток, работающих поочередно (в противофазе друг относительно друга). Расстояние между магнитопроводами выбирается из расчета того, чтобы конечное положение якоря при работе с одним из них соответствовало начальному положению якоря относительно другого. Такая конструкция позволяет повысить КПД ЭМД за счет того, что обратный ход якоря в нижнем магнитопроводе совмещен с прямым ходом якоря в верхнем магнитопроводе и не требует наличия в конструкции дополнительных элементов, возвращающих якорь в исходное положение, например пружин, уменьшающих суммарное тяговое усилие ЭМД за счет того, что их вектор силы направлен противоположно направлению движения якоря при прямом (за счет магнитодвижущей силы) ходе.

На фиг.1 представлен разрез ЭМД (1-й вариант); на фиг.2 представлен разрез ЭМД (1-й вариант) с симметричной магнитной системой; на фиг.3 представлен разрез ЭМД (2-й вариант); на фиг.4 представлен разрез ЭМД (2-й вариант) с симметричной магнитной системой; на фиг.5 представлен разрез ЭМД (3-й вариант); на фиг.6 представлен разрез ЭМД (3-й вариант) с симметричной магнитной системой.

ЭМД содержит цилиндрический магнитопровод, состоящий из сердечника 1, корпуса 2 и соединяющего их фланца 3, а также обмотку 4, расположенную вокруг сердечника 1, и закрепленный на валу 5 плоский внешний прямоходный ферромагнитный якорь 6 с выполненным на нем шунтом 7 в виде кольца.

На якоре 6 дополнительно (фиг.1) выполнено внешнее кольцо 8, расположенное с внешней стороны относительно шунта 7, а в корпусе 2 ЭМД со стороны якоря 6 выполнена проточка 9, соответствующая форме внешнего кольца 8.

Эта конструкция ЭМД может быть выполнена с симметричной магнитной системой (фиг.2) таким образом, что цельный якорь выполнен симметричным относительно плоскости А и расположен внутри также симметричной относительно плоскости А магнитной системы, состоящей из полностью идентичных нижнего и верхнего магнитопроводов и нижней 4 и верхней 12 обмоток. Конструкция ЭДМ с симметричной магнитной системой размещается на единой станине (на фиг. не изображена).

Во втором варианте ЭМД (фиг.3) на якоре 6 внешнее кольцо 8 отсутствует и соответствующая ему проточка 9 корпуса 2 не выполнена, при этом на якоре 6 выполнено дополнительное внутреннее кольцо 10, расположенное между шунтом 7 и валом 5 якоря 6, а в сердечнике 1 выполнена проточка 11, соответствующая форме кольца 10.

Эта конструкция ЭМД также может быть выполнена с симметричной магнитной системой (фиг.4) таким образом, что цельный якорь выполнен симметричным относительно плоскости А и расположен внутри также симметричной относительно плоскости А магнитной системы, состоящей из полностью идентичных нижнего и верхнего магнитопроводов и нижней 4 и верхней 12 обмоток. Конструкция ЭДМ с симметричной магнитной системой размещается на единой станине (на фиг. не изображена).

В третьем варианте ЭМД (фиг.5) на якоре 6 одновременно выполнены дополнительные внешнее 8 и внутреннее 10 дополнительные кольца таким образом, что внешнее кольцо 8 расположено на якоре 6 с внешней стороны относительно шунта 7, а внутреннее кольцо 10 расположено между шунтом 7 и валом 5 якоря 6, при этом в корпусе 2 со стороны якоря 6 выполнена проточка 9, соответствующая форме внешнего кольца 8, а в сердечнике 1 также выполнена проточка 11, соответствующая форме внутреннего кольца 10.

И эта конструкция ЭМД также может быть выполнена с симметричной магнитной системой (фиг.6) таким образом, что цельный якорь выполняется симметричным относительно плоскости А и расположен внутри также симметричной относительно плоскости А магнитной системы, состоящей из полностью идентичных нижнего и верхнего магнитопроводов и нижней 4 и верхней 12 обмоток. Конструкция ЭДМ с симметричной магнитной системой размещается на единой станине (не изображена).

Электромагнитный привод (фиг. 1) работает следующим образом

Рабочий ход начинается при подаче питающего напряжения на обмотку 4, при этом в ней начинает протекать электрический ток, индуцирующий магнитное поле, магнитные силовые линии которого замыкаются через ферромагнитный материал магнитопровода и якоря 6, вследствие чего возникает магнитодвижущая сила, стремящаяся соединить якорь 6 с магнитопроводом. По мере втягивания якоря 6 магнитные силовые линии начинают замыкаться не только через основные рабочие воздушные зазоры между шунтом 7 и корпусом 2 и шунтом 7 и сердечником 1, а также через рабочий воздушный зазор δ ₁ между корпусом 2 и внешним кольцом 8. В итоге плотность силовых линий в зазоре между шунтом 7 и корпусом 2 снижается, магнитные потоки через ферромагнитный материал корпуса 2 и якоря 6 становятся более равномерными, ферромагнитный материал корпуса 2 выводится из состояния магнитного насыщения, уменьшается общее магнитное сопротивление магнитопровода и, следовательно, увеличивается значение тягового усилия электромагнитного двигателя. Усилие, возникающее на якоре 6 ЭМД, через вал 5 передается в нагрузку. Расположение и размеры внешнего кольца 8 определяются формой необходимой тяговой характеристики ЭМД для оптимального согласования ее с характером нагрузки.

Рабочий ход ЭМД завершается при достижении якорем 6 крайнего положения, характеризующегося минимальным рабочим расстоянием между якорем 6 и магнитопроводом. При этом напряжение с обмотки 4 снимается и якорь 6 возвращается в свое исходное положение возвратным механизмом, например пружиной.

При выполнении ЭМД с симметричной магнитной системой (фиг.2) нижняя 4 и верхняя 12 обмотки работают поочередно (в противофазе друг относительно друга), при этом прямой ход якоря 6 в одном магнитопроводе является одновременно обратным ходом якоря 6 в другом магнитопроводе и наоборот. Такая симметричная конструкция ЭМД не требует наличия возвратных элементов, например пружин.

Во всем остальном рабочий ход якоря 6 в каждом из магнитопроводов (верхнем и нижнем) полностью аналогичен описанному ранее.

Во втором варианте ЭМД (фиг.3) его работа происходит аналогично описанной для первого варианта, с той разницей, что для создания необходимой формы тяговой характеристики в дополнение к основным рабочим воздушным зазорам между шунтом 7 и корпусом 2 и шунтом 7 и сердечником 1 магнитный поток начинает замыкаться через рабочий воздушный зазор δ ₂ между сердечником 1 и внутренним кольцом 10, снижая плотность силовых линий в зазоре между шунтом 7 и сердечником 1, выравнивая плотность магнитных потоков в сердечнике 1 и якоре 6, тем самым снижая магнитное сопротивление магнитопровода и увеличивая КПД ЭМД и его тяговое усилие.

При выполнении второго варианта ЭМД с симметричной магнитной системой (фиг.4) нижняя 4 и верхняя 12 обмотки работают поочередно (в противофазе друг относительно друга), при этом прямой ход якоря 6 в одном магнитопроводе является одновременно обратным ходом якоря 6 в другом магнитопроводе и наоборот. Такая симметричная конструкция ЭМД не требует наличия возвратных элементов, например пружин, что позволяет увеличить КПД и тяговое усилие ЭМД.

Во всем остальном рабочий ход якоря 6 в каждом из магнитопроводов (верхнем и нижнем) полностью аналогичен описанному ранее для первого варианта конструкции ЭМД.

В третьем варианте электромагнитного двигателя (фиг.5) его работа происходит аналогично описанному для первого варианта ЭМД, с той разницей, что для создания необходимой формы тяговой характеристики в дополнение к основным рабочим воздушным зазорам между шунтом 7 и корпусом 2 и шунтом 7 и сердечником 1 магнитный поток начинает замыкаться через два дополнительных рабочих воздушных зазора между корпусом 2 и внешним кольцом 8 и сердечником 1 и внутренним кольцом 10.

При выполнении третьего варианта ЭМД с симметричной магнитной системой его работа происходит аналогично работе первого варианта ЭМД с симметричной магнитной системой.

Таким образом, для формирования определенного вида тяговой характеристики ЭМД подбирается конкретная конструкция магнитопровода.

Предложенное техническое решение позволяет создать ЭМД с увеличенным КПД и тяговым усилием при тех же массогабаритных характеристиках, а также варьировать в широких пределах форму тяговой характеристики ЭМД для согласования ее с видом конкретной нагрузки, тем самым увеличивая также и КПД единого агрегата (ЭМД-нагрузка).

Формула изобретения

1. Электромагнитный двигатель, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и закрепленный на валу плоский внешний прямоходный ферромагнитный якорь с шунтом, выполненным в виде кольца, отличающийся тем, что на якоре с внешней стороны относительно шунта выполнено дополнительное кольцо, а в корпусе со стороны якоря выполнена проточка, соответствующая форме дополнительного кольца.

2. Электромагнитный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен симметричным относительно плоскости, перпендикулярной оси вала якоря и проходящей через внешнюю поверхность якоря.

3. Электромагнитный двигатель, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и закрепленный на валу плоский внешний прямоходный ферромагнитный якорь с шунтом, выполненным в виде кольца, отличающийся тем, что на якоре выполнено дополнительно кольцо, расположенное между шунтом и якорем, а в сердечнике со стороны якоря выполнена проточка соответствующая форме дополнительного кольца.

4. Электромагнитный двигатель по п.3, отличающийся тем, что он выполнен симметричным относительно плоскости, перпендикулярной оси вала якоря и проходящей через внешнюю поверхность якоря.

5. Электромагнитный двигатель, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и закрепленный на валу плоский внешний прямоходный ферромагнитный якорь с шунтом, выполненным в виде кольца, отличающийся тем, что на якоре выполнены внешнее и внутреннее дополнительные кольца таким образом, что внешнее кольцо расположено на якоре с внешней стороны относительно шунта, а внутреннее расположено между шунтом и валом якоря, при этом в корпусе со стороны якоря выполнена проточка, соответствующая форме внешнего кольца, а в сердечнике также выполнена проточка, соответствующая форме внутреннего кольца.

6. Электромагнитный двигатель по п.5, отличающийся тем, что он выполнен симметричным относительно плоскости, перпендикулярной оси вала якоря и проходящей через внешнюю поверхность якоря.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6