Электромагнитный демпфер
Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для гашения колебаний и кинетических энергий. Электромагнитный демпфер содержит вал на подшипниках с закрепленным на нем алюминиевым стаканом, имеющим одну степень свободы, установленным в корпусе магнитной системы. Во внутреннее пространство стакана неподвижно установлен цилиндрический магнитопровод из магнитомягкого материала, снабженный выемками, расположенными равномерно по наружной окружности, в которых установлены оси с подшипниками качения, служащими опорой свободного конца алюминиевого стакана. Наружный многополюсный статор выполнен из магнитопровода с закрепленными на внутренней его поверхности высокоэнергетическими постоянными магнитами. Техническим результатом является снижение стоимости, повышение надежности при эксплуатации, снижение трудоемкости при изготовлении. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для гашения колебаний и кинетической энергии, возникающих при стыковке косметических аппаратов (КА), а также иных объектов и механизмов. Такие демпферы вместе с пружинными и кинематическими устройствами образуют амортизационную систему электромеханических стыковочных механизмов (СТМ). Входной величиной является угловая скорость, пропорциональная скорости перемещения штанги при стыковке, выходной - возникающий на валу момент, пропорциональный угловой скорости вращения
Электромагнитный демпфер (ЭМД) представляет собой электрическую машину магнитоэлектрического типа, в кольцевом зазоре статора которой, образованном постоянными магнитами, вращается полый, немагнитный ротор. Принцип действия ЭМД основан на взаимодействии результирующего магнитного поля в зазоре с вихревыми токами, наводимыми во вращающемся роторе. В зависимости от скорости вращения ротора меняются токи в нем и магнитное поле в зазоре. Взаимодействие аксиальной составляющей токов с радиальной составляющей результирующего магнитного поля демпфера определяют его механическую характеристику МТ=f(ωρ).
Такая конструктивная схема обеспечивает малую инерционность и эффективность других характеристик демпфера. Демпферы с постоянными магнитами наиболее просты по конструкции, не требуют управления, не нуждаются во внешнем источнике энергии, надежны в работе. ЭМД поглощают и рассеивают энергию соударяющихся аппаратов и в этом смысле являются энергопоглощающимися элементами с высокой удельной энергоемкостью.
В качестве прототипа принята конструкция электромагнитного демпфера, представленная на фиг.1 (см. B.C.Сыромятников. Стыковочные устройства космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1984, - 216 с.).
Данная конструкция (фиг.1) состоит из вала 1, установленного в корпусе 2 на шарикоподшипниках 3 так, что имеет только одну степень свободы - возможность вращаться. На валу неподвижно закреплен ротор 4, выполненный в виде стакана из алюминия. Для устранения возможных колебаний ротор через подшипник качения опирается на держатель 4. Во внутренней полости ротора неподвижно установлен четырехполюсный постоянный магнит 5. Изготовленный из сплава ЮНДКТ5АА (по ГОСТ 17809-72) в виде цилиндра.
Алюминиевый ротор установлен в зазоре между наружным статором 6 и внутренним цилиндрическим магнитом 5. Наружный статор 6 - четырехполюсный, с явно выраженными полюсами. Магнитное поле статора создается четырьмя постоянными магнитами из сплава ЮНДК (по ГОСТ 17809-72). Магнитопровод выполнен из элетротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Четыре магнита и магнитопровод статора спрессованы в единый узел теплостойким и высокопрочным стеклопластиком.
Держатель 7 закреплен к заднему щиту 8. Корпус, статор и задний щит соединены с помощью четырех шпилек 9. Конструкция обеспечивает соосное расположение ротора относительно отверстия статора и цилиндрической поверхности внутреннего магнита с минимально возможными отклонениями.
Корпус 2, задний щит 8 и держатель 7 выполнены из немагнитных материалов.
Существующая конструкция обеспечивает надежную работу ЭМД в широком диапазоне вращения выходного вала (от 100 до 3000 об/мин) и создает тормозной момент, равный 6,2 кгс·см при 3000 об/мин и массе ЭМД, равной 0,55 кг.
Основными недостатками данной конструкции являются:
1. Высокая цена магнитной системы из-за применения монокристаллического четырехполюсного внутреннего магнита.
2. Большая трудоемкость сборки ЭМД.
3. Большая величина отношения массы ЭМД к величине магнитного потока.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является снижение стоимости ЭМД, снижение трудоемкости изготовления конструкции, повышение надежности при эксплуатации, снижение отношения массы ЭМД к величине магнитного потока.
Этот технический результат достигается тем, что в электромагнитном демпфере, включающем вал на подшипниках с закрепленным на нем алюминиевым стаканом, имеющим одну степень свободы (вращение), установленным в корпусе магнитной системы, состоящей из магнитопровода и постоянных магнитов, во внутреннее пространство алюминиевого стакана неподвижно установлен цилиндрический магнитопровод из магнитомягкого материала, снабженный выемками, расположенными равномерно по наружной окружности, в которых установлены оси с подшипниками качения, служащими опорой свободного конца алюминиевого стакана, а наружный многополюсный статор выполнен из магнитопровода с закрепленными на внутренней его поверхности высокоэнергетическими постоянными магнитами, при этом толщину магнитов (h) определяют из соотношения
h=(0,15...0,3)r,
где r - внутренний радиус магнитопровода, а наружную длину дуги магнита (В) определяют из соотношения В=(0,5...0,8)2πr/n, где n - количество магнитов в магнитной системе.
На фиг.2 представлен предлагаемый электромагнитный демпфер, включающий вал 1 на подшипниках 2 с закрепленным на нем алюминиевым стаканом 3, который установлен в корпусе магнитной системы. Магнитная система состоит из магнитопровода 4 и постоянных магнитов 5. Во внутреннее пространство алюминиевого стакана 3 неподвижно установлен цилиндрический магнитопровод 6 из магнитомягкого материала, снабженный выемками, расположенными равномерно по окружности, в которых установлены оси с подшипниками качения 7, служащими опорой свободного конца алюминиевого стакана 3. Наружный многополюсный статор выполнен из магнитопровода 4 с закрепленными на внутренней его поверхности высокоэнергетическими постоянными магнитами 5.
Электромагнитный демпфер работает следующим образом. При гашении механических энергий обеспечивается вращение алюминиевого стакана 3, закрепленного на валу 1 в зазоре между постоянными магнитами 5, собранными на наружном магнитопроводе 4, и внутренним цилиндрическим магнитопроводом 6. Наружные концы алюминиевого стакана опираются на подшипники качения 7. В алюминиевом стакане 3 при его вращении в магнитном поле возникают вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитным полем, созданным магнитной системой. Чем быстрее вращается алюминиевый стакан, тем чаще возникают вихревые токи и тем больше эффект торможения.
Использование наружного магнитопровода с закрепленными на внутренней поверхности высокоэнергетических постоянных магнитов (например, из сплава NdFeB с Br≥1,1 Тл; НСВ≥850 кА/м; HCJ≥1000 кА/м) позволяет отказаться от применения в конструкции ЭМД внутреннего четырехполюсного магнита и заменить его на магнитопровод из магнитомягкого материала в форме цилиндра.
При отсутствии внутреннего магнитопровода величина магнитного потока в рабочем зазоре уменьшается на 10-15%.
Для наружного статора применяют скобообразные магниты, которые закрепляются на внутреннюю цилиндрическую поверхность магнитопровода. При этом толщина магнита принимается равной (0,15... 0,3) от внутреннего радиуса магнитопровода. При толщине магнита меньше 0,15·r величина магнитного потока в рабочем зазоре понижается. При высоте магнита больше 0,3·r магнита поток в ЭМД также уменьшается.
Наибольшая величина магнитного потока в магнитной системе получается при длине дуги магнита, которую определяют из соотношения В=(0,5... 0,8)2 πr/n.
При длине дуги магнита меньше 0,5·2 πr/n, а также больше 0,8·2 πr/n магнитный поток в рабочем зазоре уменьшается.
Конкретные примеры зависимости величины магнитного потока в рабочем зазоре магнитной системы приведены в таблице.
| Таблица | |||
| Внутренний радиус магнитопровода, мм | Высота магнита, h, мм | Длина дуги магнита, В, мм | Магнитный поток в системе, ⊘d·10-4 вδ (δ=1,55 мм |
| Кол-во магнитов | n=2 | ||
| 20,0 | 2 | 44 | 3,1 |
| 20,0 | 3 | 44 | 3,45 |
| 20,0 | 4 | 44 | 3,47 |
| 20,0 | 6 | 44 | 3,46 |
| 20,0 | 7 | 44 | 3,15 |
| 20,0 | 4 | 20 | 2,8 |
| 20,0 | 4 | 30 | 3,1 |
| 20,0 | 4 | 35 | 3,44 |
| 20,0 | 4 | 40 | 3,45 |
| 20,0 | 4 | 45 | 3,47 |
| 20,0 | 4 | 50 | 3,44 |
| 20,0 | 4 | 55 | 3,2 |
| Количество магнитов | n=4 | ||
| 20,0 | 2 | 22 | 3,05 |
| 20,0 | 3 | 22 | 3,5 |
| 20,0 | 4 | 22 | 3,54 |
| 20,0 | 6 | 22 | 3,54 |
| 20,0 | 7 | 22 | 3,1 |
| 20,0 | 4 | 10 | 2,85 |
| 20,0 | 4 | 15 | 2,80 |
| 20,0 | 4 | 18 | 3,45 |
| 20,0 | 4 | 20 | 3,51 |
| 20,0 | 4 | 22 | 3,58 |
| 20,0 | 4 | 25 | 3,55 |
| 20,0 | 4 | 28 | 2,83 |
Электромагнитный демпфер, включающий вал на подшипниках с закрепленным на нем алюминиевым стаканом, имеющим одну степень свободы (вращение), установленным в корпусе магнитной системы, состоящей из магнитопровода и постоянных магнитов, отличающийся тем, что во внутреннее пространство алюминиевого стакана неподвижно установлен цилиндрический магнитопровод из магнитомягкого материала, снабженный выемками, расположенными равномерно по наружной окружности, в которых установлены оси с подшипниками качения, служащими опорой свободного конца алюминиевого стакана, а наружный многополюсный статор выполнен из магнитопровода с закрепленными на внутренней его поверхности высокоэнергетическими постоянными магнитами, при этом толщину магнитов (h) определяют из соотношения h=(0,15÷0,3)·r, где r - внутренний радиус магнитопровода, а наружную длину дуги магнита (В) определяют из соотношения
где n - количество магнитов в магнитной системе.
