Электромеханический вибратор

Изобретение относится к вибрационной технике, а именно к электромеханическим вибраторам, используемым в строительстве для вибрационного уплотнения бетона. Сущность: в качестве дебаланса во внутренней расточке статора вибратора размещен зубчатый цилиндрический сердечник из пластин электротехнической стали, закрепленный в корпусе посредством упругих элементов с возможностью круговых перемещений внутри электромагнитной системы статора. Такая конструкция позволяет получить в процессе работы вибратора круговую траекторию движения центра массы якоря без его вращения вокруг собственной оси. Электромагнитная система статора выполнена с односторонне-асимметричным вращающимся магнитным полем. Физически это означает замену вращения центра массы сердечника вокруг собственной оси на его поступательное движение по криволинейной (круговой) траектории, при этом вместо контактного трения тел качения в подшипнике используются деформации молекулярных связей в упругом элементе, например из эластомера, практически безызносные. Технический результат: повышение надежности и расширение диапазона плавного регулирования частоты и амплитуды колебаний вибратора. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к вибрационной технике, а именно к электромеханическим вибраторам, используемым, например, в строительстве для вибрационного уплотнения бетона и других отраслях техники, где требуется вибрационное воздействие на обрабатываемый материал.

Широко известны традиционные электромеханические вибраторы, в том числе и производства Ярославского завода "Красный маяк". Они состоят из асинхронного двигателя, на продолжениях вала ротора которого расположены дебалансы. При вращении ротора эти дебалансы создают вынуждающую силу колебаний, которые через корпус и лапы крепления передаются на рабочий орган, например виброплощадку, которая и взаимодействует с уплотняемой бетонной смесью. Конструкция подобного электромеханического вибратора видна на рис.33, с.100 (К.К.Гогия. Формование железобетонных изделий. М.: Стройиздат, 1989).

Эта конструкция вибратора принята за прототип.

Вибратор состоит из электродвигателя (статора, внутри которого на валу расположен ротор) в корпусе. Вал электродвигателя снабжен дебалансами и вращается в шарикоподшипниках, расположенных в подшипниковых гнездах корпуса.

Недостатком всех известных вибраторов, в том числе и прототипа, является наличие вращающегося в подшипниках ротора, так как с повышением частоты вибрации (частоты вращения ротора) увеличивается центробежная вынуждающая сила, пропорциональная квадрату частоты, но возрастает и нагрузка на подшипники, уменьшается их долговечность и, таким образом, снижается надежность вибратора.

Отсутствие технически приемлемых решений о независимом от частоты вращения плавном регулировании амплитуды колебаний в электромеханических вибраторах ограничивает их технологическое применение.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и расширение диапазона плавного регулирования частоты и амплитуды колебаний вибратора.

Эта задача решается тем, что в качестве дебаланса во внутренней расточке статора вибратора размещен зубчатый цилиндрический сердечник из пластин электротехнической стали (далее - сердечник), закрепленный в корпусе посредством упругих элементов с возможностью круговых перемещений внутри электромагнитной системы статора. Такая конструкция позволяет получить в процессе работы вибратора круговую траекторию движения центра массы якоря без его вращения вокруг собственной оси.

Электромагнитная система статора выполнена с односторонне-асимметричным вращающимся магнитным полем. Физически это означает замену вращения центра массы сердечника (дебаланса) вокруг собственной оси на его поступательное движение по криволинейной (круговой) траектории, при этом вместо контактного трения тел качения в подшипнике используются деформации молекулярных связей в упругом элементе, например из эластомера, практически безызносные.

Для получения односторонне-асимметричного вращающегося магнитного поля может быть использована, например, трехфазная электромагнитная система, которая содержит в каждой фазе по две последовательно соединенные полюсообразующие катушки с укороченным шагом (y≈0,5τ), каждая из катушек шунтирована диодом, причем диоды, шунтирующие катушки одной фазы, включены встречно.

Электроприводом заявляемого вибратора служит, в сущности, преобразованная разновидность синхронно-реактивной электрической машины с Z₁=Z₂, которая, как известно из теории электрических машин, не может развивать пускового момента, что, вместе с реакцией упругих опор, надежно препятствует прокручиванию сердечника относительно статора в процессе работы.

Упругие элементы могут быть выполнены из эластомера для вибраторов малой мощности или в виде торсионов для вибраторов большой мощности.

Общие с прототипом существенные признаки: корпус, в котором расположен статор, вал, закрепленный в корпусе вибратора, на котором расположен дебаланс.

На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого вибратора, на фиг.2 - схема размещения катушек в пазах статора, на фиг.3 - последовательные фазы движения сердечника в расточке статора, на фиг.4 - схема соединений катушек и шунтирующих диодов, на фиг.5 - движение волны намагничивающей силы F по пазам статора.

Вибратор содержит корпус 1, в котором расположен статор 2 с обмоткой 3, которая, как указывалось выше, может быть выполнена, например, в виде трехфазной электромагнитной системы, которая содержит в каждой фазе по две последовательно соединенные полюсообразующие катушки с укороченным шагом (y≈0,5τ), каждая из катушек шунтирована диодом, причем диоды, шунтирующие катушки одной фазы, включены встречно (фиг.4). Внутри статора размещен зубчатый цилиндрический сердечник (дебаланс) 4 на валу 5. Вал 5 на своих концах имеет подпятники 6 для упругих элементов 7 из эластомера, например тарельчатые, которые закреплены в крышках 8 корпуса 1. Между внутренней цилиндрической поверхностью статора 2 и наружной зубчатой поверхностью сердечника 4 имеется воздушный зазор 9, который по сравнению с обычными электрическими машинами значительно увеличен для обеспечения поступательного движения сердечника по круговой траектории. Для вибраторов большой мощности упругие элементы могут быть выполнены в виде торсионов (на фиг.1 условно не показаны).

Вибратор работает следующим образом.

При питании обмоток статора трехфазным током сердечник 4, под действием электромагнитной силы одностороннего притяжения, последовательно занимает внутри расточки статора 2 эксцентриситетные положения в каждый момент времени в зависимости от того какая обмотка статора в этот момент времени создает электромагнитную силу притяжения зубцов сердечника. Таким образом сердечник 4 совершает плоскопараллельное мгновенно-поступательное (вращательное) движение, при этом за один цикл переменного тока траектория центра масс сердечника 4 описывает полный круг.

В качестве примера исполнения на фиг.2 приведена схема электромагнитной системы предлагаемого вибратора со следующими параметрами:

- число фаз обмотки статора m=3;

- число полюсов обмотки статора 2р=2;

- число пазов и соответственно зубцов на статоре Z₁=12;

- число зубцов на якоре Z₂=12;

- обмотка статора однослойная, сосредоточенная;

- число катушек в фазе 2;

- шаг катушек y≈0,5τ;

- маркировка катушек по фазам:

фаза А, А1-Х1 и А2-Х2

фаза В, В1-У1 и В2-У2

фаза С, C1-Z1 и C2-Z2;

- воздушный зазор 5 в сравнении с обычными электрическими машинами существенно увеличен, достигая величины δ=(3-3,5) А, где А - амплитуда колебаний сердечника, например, при А≈1,5 мм, δ=5 мм.

Катушки включены последовательно и согласно, каждая из катушек шунтирована диодом, которые в фазе имеют встречное включение.

При питании обмоток трехфазным током с круговой частотой ω=2πf рад/с, где f - частота тока Гц, мгновенные значения токов по фазам:

- i_A=I_m·sinωt, А;

- i_B=I_m·sin(ωt-120°), А;

- i_С=I_m·sin(ωt+120°), А.

Под действием электромагнитной силы одностороннего действия, возникающей под влиянием волн намагничивающей силы статора, и в зависимости от фазы тока i, сердечник внутри расточки статора занимает положения, иллюстрированные на фиг.3. Для наглядности на один из зубцов статора и противолежащий ему зубец сердечника нанесены реперные метки •R и •r. Как видно на фиг.3, сердечник предлагаемого вибратора совершает плоскопараллельное мгновенно-поступательное движение по круговой траектории. Здесь О₁ ось симметрии статора, O₂ - ось симметрии сердечника.

Можно примерно оценить величину электромагнитной силы F_эм в погружном вибраторе, выполненном по вышеупомянутым параметрам, с размерами:

- диаметр расточки статора - D_c=40 мм;

- длина пакетов статора и якоря - l_c=l_я=150 мм;

- средняя индукция в зазоре В_экв=0,7 Тл

F_эм=B_экв ²/2μ₀·S_ф≈0,4·10⁶·В_экв ²·S_ф=0,4·10⁶·0,7²·40·150·10^-3≈1180 Н, где

- S_ф - поперечное сечение магнитного потока в воздушном зазоре, м²;

- μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, μ₀=1,256·10^-6 Гн/м.

Под воздействием F_эм упругие элементы 7 деформируются, и центр массы сердечника начинает движение по круговой траектории радиуса r, создавая центробежную силу F_цб

F_цб=m_c·r·ω², где

m_c - масса сердечника,

ω=2πf - круговая частота

Например, если m_c=1 кг, r=4 мм, f=200 Гц,

то F_цб=1·4·10^-3·(2·3,14·200)²≈6320 Н.

Через упругие элементы на статор передается сила .

Таким образом, по величине вынуждающей силы заявляемый вибратор не уступает традиционным вибраторам с вращающимися дебалансами.

Существенно, что величина F_эм не зависит от частоты f, то есть при изменении частоты величина электромагнитной силы не изменяется.

Наиболее эффективна работа заявляемого вибратора совместно с полупроводниковым преобразователем частоты, тогда амплитуду колебаний А можно регулировать величиной выходного напряжения преобразователя, а частоту вибраций - частотой тока.

Современные материалы, технология производства электрических машин позволяют осуществить производство предлагаемых вибраторов на электромашиностроительных предприятиях, в частности, на предприятии-заявителе в настоящий момент времени проводятся опытно-конструкторские работы по этому вибратору.

1. Электромеханический вибратор, содержащий корпус со статором, дебаланс, вал которого закреплен в корпусе, отличающийся тем, что дебаланс выполнен в виде зубчатого цилиндрического сердечника из пластин электротехнической стали, вал которого закреплен в корпусе посредством упругих элементов, позволяющих сердечнику совершать круговые перемещения внутри электромагнитной системы статора, выполненной с односторонне-асимметричным вращающимся магнитным полем.

2. Электромеханический вибратор по п.1, отличающийся тем, что электромагнитная система статора - трехфазная и содержит в каждой фазе по две последовательно соединенные полюсообразующие катушки, каждая из которых шунтирована диодом, причем диоды в фазе включены встречно.

3. Электромеханический вибратор по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены из эластомера.

4. Электромеханический вибратор по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены в виде торсионов.