Активный элемент для электромагнитной машины, способ изготовления такого активного элемента и электромагнитная машина, содержащая такой активный элемент
Изобретение относится к электротехнике, к активным элементам для электромагнитной машины. Технический результат состоит в повышении эффективности. Активный элемент содержит чередующуюся последовательность в главном направлении (X) участков (21) с первой магнитной характеристикой и участков (22) со второй магнитной характеристикой. Элемент включает в себя немагнитное покрытие (25), которое является тонким относительно толщины участков и покрывает значительную долю внешней поверхности активного элемента. Покрытие прикреплено, по меньшей мере, к некоторым участкам и имеет достаточную прочность для того, чтобы сформировать элемент для механической передачи действия магнитных сил, которому подвергаются указанные участки. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к активному элементу для электромагнитной машины, к способу изготовления такого активного элемента и машине, содержащей такой активный элемент.
Уровень техники
Линейная электромагнитная машина, как известно, имеет две составные части, которые перемещаются одна относительно другой в направлении скольжения. По меньшей мере одна из этих частей, вытянутая в направлении скольжения, включает в себя активные элементы, каждый из которых составлен из последовательно расположенных участков, имеющих различные магнитные свойства.
В машинах с переменным магнитным сопротивлением участки каждого активного элемента чередуются с участками из ферромагнитного материала и участками из немагнитного материала. В машинах с постоянными магнитами активные элементы одной из частей содержат участки, в которых чередуются участки из ферромагнитного материала и немагнитные участки, в то время как активные элементы другой части содержат намагниченные участки, в которых участки, намагниченные в первом направлении, чередуются с участками, намагниченными во втором направлении, которое противоположно первому.
Две части помещаются таким образом, чтобы взаимодействовать электромагнитным способом, при этом одна из частей объединена со средствами для генерирования магнитного поля. Генерирование магнитного поля вызывает появление магнитных сил, которые воздействуют на части машины и заставляют их перемещаться относительно друг друга в направлении скольжения. Альтернативно, машина может работать как генератор, за счет обеспечения относительного перемещения между двумя частями.
В первом типе электромагнитной машины участки, составленные активными элементами, выполнены в форме пластин или длинных узких листов. Активные элементы двух частей являются параллельными и формируют соответствующие чередующиеся гребенки таким образом, что активный элемент одной из частей располагался между двумя активными элементами другой части (конечно, исключая крайние активные элементы).
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.5 документа FR 2588133, участки, формирующие активные элементы подвижной части, разделены на два подучастка, располагающиеся на каждой стороне центрального поддерживающего основания, которое удерживает эти подучастки на одном его конце и воспринимает магнитные силы, воздействующие на участки. Участки, формирующие активные элементы стационарной части, аналогичным образом разделены на два подучастка, каждый из которых удерживается через один из его концов с помощью внешней поддержки.
Эти поддержки сложны в изготовлении, и они вмещают каждый из подучастков таким образом, что крепление производится только через один конец, а это означает, что эти подучастки имеют консольное соединение, поэтому они подвержены воздействиям, которые стремятся оторвать их от поддерживающих оснований, которые их вмещают. Кроме того, конец каждого подучастка, который соединяется с основанием, не имеет магнитного взаимодействия с подучастками, составляющими наружный слой активных элементов, и, следовательно, эти концы не принимают участия в работе машины. Кроме того, присутствие центральных поддерживающих оснований и внешних средств поддержки увеличивает общий размер машины. Поддерживающие части не принимают участия в магнитном взаимодействии между активными элементами, поэтому они занимают драгоценное место и имеют тенденцию ограничивать значение удельной мощности по объему машины.
В электромагнитной машине второго типа, как проиллюстрировано в статье "Synchronous linear actuators with multiple-rod permanent magnets" («Синхронные линейные силовые приводы с многоштыревыми постоянными магнитами»), представленной на коллоквиуме "Electrotechnique du future, SUPELEC, December 9-10, 2003", активные элементы подвижной части выполнены в форме штырей и содержат цилиндрические участки, вкрученные в центральное поддерживающее основание. Центральное основание удерживает эти участки и механически воспринимает магнитные силы, которые воздействуют на участки, а также оно придает жесткость штырю.
Так же как и в случае с пластинами, центральное поддерживающее основание не способствует магнитным взаимодействиям и занимает драгоценное место, а также имеет тенденцию ограничивать значение удельной мощности по объему машины.
Как предлагается в документе FR 2588133, можно не использовать поддерживающее основание и связать между собой участки данного магнитного элемента с помощью клея или пайки. Тем не менее, этот метод предполагает, что участки являются обоюдно смежными, и они подходят для того, чтобы быть связанными между собой с помощью склеивания или пайки. Магнитные силы в этом случае передаются механически, с помощью силы тяги через соединения, выполненные таким способом, который является неидеальным с точки зрения механических свойств соединения.
Задача изобретения
Задачей изобретения является обеспечение оригинального активного элемента, который обеспечивает большую эффективность.
Краткое описание изобретения
Для выполнения этой задачи изобретение предоставляет активный элемент для электромагнитной машины, содержащий чередующуюся последовательность в главном направлении участков, представляющих первую магнитную характеристику, и участков, представляющих вторую магнитную характеристику. Согласно изобретению активный элемент включает в себя немагнитное покрытие, которое является тонким относительно толщины указанных участков и располагается таким образом, чтобы покрывать значительную долю внешней поверхности активного элемента, при этом покрытие прикреплено, по меньшей мере, к некоторым участкам и представляет собой покрытие, имеющее достаточную прочность, чтобы сформировать элемент для механической передачи магнитных сил, воздействующих на участок.
Таким образом, покрытие располагается на внешней стороне активного элемента, т.е. в зоне наибольшего момента инерции площади сечения. Таким образом, покрытие способствует приданию активному элементу жесткости несмотря на его маленькую толщину. Электромагнитное взаимодействие в этом случае происходит через покрытие.
Магнитные силы, действующие на участки, передаются механически покрытию через напряжение срезывающей силы, что является очень благоприятным фактором с точки зрения механики. Покрытие, таким образом, образует эффективное и компактное средство передачи силы.
Таким образом, при использовании варианта активного элемента, имеющего форму пластины или лезвия, предпочтительно обеспечить покрытие, которое имеет две тонкие стенки, по существу покрывающие две большие лицевые поверхности активного элемента, через которые происходит электромагнитное взаимодействие. При использовании варианта активного элемента, имеющего форму штыря или стержня, предпочтительно обеспечить покрытие, которое содержит трубчатую тонкую стенку, покрывающую цилиндрические участки.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более понятным в свете следующего описания со ссылками на фигуры прилагаемых чертежей, в которых:
фиг.1 - вид в перспективе электромагнитной машины согласно изобретению, содержащей активные элементы в форме пластин;
фиг.2 - детализированный вид в разрезе активного элемента машины, показанной на фиг.1;
фиг.3 - детализированный вид в разрезе другого активного элемента машины, показанной на фиг.1;
фиг.4 - вид, изображающий активный элемент по фиг.3 в процессе изготовления;
фиг.5 - вид, изображающий активный элемент по фиг.3 в процессе изготовления согласно другому варианту осуществления изобретения;
фиг.6 - вид в перспективе электромагнитной машины согласно изобретению, содержащей активные элементы в форме стержней; и
фиг.7 - вид с частичным разрезом сегмента активного элемента машины, показанной на фиг.6.
Подробное описание изобретения
Изобретение первоначально описано в отношении линейной электромагнитной машины с множеством воздушных зазоров, например такой машины, которая показана на фиг.1. Так же как в известном способе, такая машина содержит корпус 1 из ферромагнитного материала, в котором размещены три катушки 2, получающие электропитание таким образом, чтобы получился последовательный сдвиг по фазе на 120°. Магнитное поле, генерируемое катушками 2, передается в активную зону корпуса 1, через которую оно распространяется в:
- активные элементы в виде неподвижных пластин 10, которые являются взаимно параллельными и перемещение которых относительно корпуса предотвращено (только одна неподвижная пластина обозначена). Каждая неподвижная пластина 10 включает в себя последовательность постоянных магнитов, как более подробно описано со ссылкой на фиг.2; или в
- активные элементы в виде параллельных подвижных пластин 20, каждая из которых располагается между двумя неподвижными пластинами 10 таким образом, чтобы образовывалось множество воздушных зазоров между ними (только одна подвижная пластина 20 обозначена). Каждая подвижная пластина 20 включает в себя последовательность участков из ферромагнитного материала и участков из немагнитного материала, как более подробно описано ниже со ссылками на фиг.3-5. Подвижные пластины 20 скреплены друг с другом с помощью стержней 30, проходящих через все подвижные пластины 20. Подвижные пластины 20 совершают скользящее движение в направлении скольжения X, находясь напротив поверхности неподвижных пластин 10.
Как показано на фиг.2, каждая неподвижная пластина 10 включает в себя постоянные магниты 11, ориентированные в первом направлении, которые чередуются с постоянными магнитами 12, ориентированными во втором направлении, противоположном первому, как представлено стрелками на торцах постоянных магнитов. Постоянные магниты 11 и 12 представляют собой соприкасающиеся бруски, при этом они образуют последовательные чередующиеся участки, имеющие различные магнитные свойства. Согласно существенному аспекту изобретения каждая неподвижная пластина 10 имеет тонкие немагнитные стенки 15, которые располагаются с каждой стороны неподвижной пластины 10, поверх ее больших лицевых поверхностей, и которые прикреплены к постоянным магнитам 11 и 12, например, с помощью клея. Большие поверхности составлены из смежных боковых стенок брусков.
Например, постоянные магниты 11 и 12 имеют толщину около 1 мм, а тонкие стенки 15 имеют толщину 0,1 мм. Тонкая стенка 15 выполнена из бронзы.
Тонкие стенки 15 образуют средства поддержки для постоянных магнитов 11 и 12, которые очень компактны. Постоянные магниты 11 и 12 могут, таким образом, электромагнитно взаимодействовать с подвижными пластинами 20 по всей своей высоте, располагаясь напротив них, через тонкие стенки 15, так что все магниты используются для создания механических сил, действующих на подвижные пластины 20.
Кроме того, тонкие стенки 15 формируют внешние слои, образуя слоистую структуру, имеющую сердцевину, состоящую из постоянных магнитов 11 и 12, таким образом они придают неподвижной пластине 10 высокую степень жесткости на изгиб.
Как показано на фиг.3, каждая подвижная пластина 20 содержит участки 21 из ферромагнитного материала, чередующиеся с участками 22 немагнитного материала. Участки 21 и 22 образуют соприкасающиеся бруски. Каждая подвижная пластина 20 также имеет немагнитные концы 23, продолжающиеся за участками 21 и 22 и предназначенные для размещения в них стержней 30, которые скрепляют подвижные пластины 21 между собой и таким образом образуют подвижный элемент машины. Согласно существенному аспекту изобретения каждая подвижная пластина 20 содержит тонкие стенки 25, которые располагаются на каждой стороне подвижной пластины 20 поверх ее больших лицевых поверхностей, при этом они прикреплены к участкам 21 и 22, а также к концам 23, например, с помощью клея.
Помимо вышеупомянутой функции придания жесткости, тонкие стенки также служат для механической передачи на концы 23 действия магнитных сил, которым подвергаются участки 21 и 22. Механическая передача действия этих сил между участками 21 и 22 и тонкими стенками 25 происходит через срезывающую силу, что является эффективным режимом передачи для склеенных сборок. Как и в предыдущем примере, тонкие стенки 25 выполнены из бронзы.
Как показано на фиг.4 и в предпочтительном варианте осуществления изобретения, каждая подвижная пластина 20 получена из листа немагнитного материала 26, имеющего параллельные окна 27, вырезанные для вставки участков 21 из ферромагнитного материала. Для изготовления подвижной пластины 20 тонкие стенки 25 прикрепляются с помощью клея к одной из больших лицевых поверхностей листа 26 с вырезами, в этом примере - на нижней большой стороне. Затем участки 21 из ферромагнитного материала помещаются в окна 27. Один из таких ферромагнитных участков 21 показан в процессе размещения его в одном из окон 27. После этого другая тонкая стенка 25 прикрепляется с помощью клея к верхней большой лицевой поверхности листа 26 с вырезами. Боковые кромки листа 26 с вырезами затем обрезаются вдоль пунктирных линий таким образом, чтобы часть листа 26 с вырезами, которая остается между ферромагнитными участками 21, образовывала немагнитные участки 22. Затем остается просверлить концы 23 для того, чтобы обеспечить отверстия для вставки в них стержней 30.
В варианте, показанном на фиг.5, лист 26 с вырезами выполнен из ферромагнитного материала, а окна заполнены жидким полимером 28 для формирования немагнитных участков.
После отверждения полимера верхняя тонкая стенка 25 прикрепляется с помощью клея, и боковые кромки отрезаются по пунктирным линиям, при этом оставшиеся участки листа между окнами образуют ферромагнитные участки 21, а полимер 28 образует немагнитные участки 22.
Способ изготовления, показанный на фиг.4 и 5, может, конечно, применяться для неподвижной пластины, или практически бесконечной пластины. Подобным образом можно оставить окна пустыми, при этом воздух будет формировать немагнитные участки.
В машинах известного типа желательно сохранять зазоры между лицевыми поверхностями пластин, для того чтобы гарантировать их несоприкосновение, поскольку участки лицевых поверхностей являются непокрытыми и поэтому существует опасность скольжения одной пластины относительно другой и их зацепления друг за друга из-за большого количества краев на границах между участками. Для сохранения таких зазоров требуется, чтобы подвижные пластины направлялись относительно неподвижных пластин, и это приводит к возникновению магнитных нестабильностей, которые стремятся сдвинуть пластины друг к другу, и, таким образом, к созданию изгибных напряжений, что приводит к изменению воздушных зазоров. Эти требующиеся свободные пространства значительно увеличивают воздушные зазоры между пластинами и, таким образом, уменьшают эффективность машины.
В отличие от этого и в соответствии с особенно предпочтительным аспектом изобретения машина, изображенная на фиг.1, сконструирована таким образом, чтобы в процессе работы неподвижные пластины 10 и подвижные пластины 20 скользили с очень маленьким зазором с контактом, который допустим между пластинами. Точное задание направления, обеспечиваемое в этом способе, позволяет сохранять по существу одинаковые и постоянные воздушные зазоры между магнитными участками двух обращенных друг к другу пластин не более чем толщина тонких стенок, скользящих напротив друг друга, плюс зазор для проскальзывания. Пластины контактируют через тонкие стенки 15 и 25, которые являются непрерывными и не имеют краев, таким образом, облегчается скольжение.
Кроме того, точное направление, обеспечиваемое в этом способе, увеличивает жесткость и, таким образом, прочность на продольный изгиб подвижных пластин 20, поэтому они могут быть длинными. Подвижные пластины 20 могут быть, таким образом, установлены на стержнях 30 с возможностью смещения.
Материал, используемый для тонких стенок 15 и 25 (в этом примере - бронза), позволяет пластинам скользить относительно друг друга с низким коэффициентом трения. Как возможный вариант, тонкие стенки 15 и 25 могут быть выполнены из некоторых других немагнитных материалов, и если материал не обладает желаемым коэффициентом трения, тогда тонкие стенки 15 и 25 могут быть предпочтительно покрыты поверхностным слоем, имеющим низкий коэффициент трения, например политетрафторэтиленом (PTFE), и совместимым с рабочими условиями машины и, в частности, с ее внутренней температурой.
Изобретение проиллюстрировано ниже в отношении линейной электромагнитной машины, имеющей стержни, как показано на фиг.6.
Этот тип машины тоже содержит корпус 51, вмещающий три катушки 52, которые имеют фазовый сдвиг в 120°. Магнитное поле, генерируемое катушками 52, передается в активную зону корпуса 51, внутри которой оно распространяется в:
- неподвижный сердечник 60, составленный из постоянных магнитов в форме дисков с чередующейся намагниченностью; и
- параллельные подвижные стержни 70, которые проходят через отверстия в неподвижном сердечнике 60 так, что имеются кольцевые воздушные зазоры (только один подвижный стержень 70 обозначен на чертеже). Каждый подвижный стержень 70 включает в себя последовательность из ферромагнитных участков и немагнитных участков, как описано более подробно ниже, со ссылкой на фиг.7. Подвижные стержни 70 скрепляются вместе с помощью концевой пластины 80, к которой прикрепляются концы подвижных стержней 70. Стержни скользят в направлении скольжения X.
Неподвижный сердечник 60 выполняет ту же самую функцию в этом варианте осуществления изобретения, что и неподвижные пластины 10, а подвижные стержни 70 выполняют ту же самую функцию, что и подвижные пластины 20.
Как видно на фиг.7, каждый подвижный стержень 70 имеет ферромагнитные участки 71, чередующиеся с немагнитными участками 72. Каждый подвижный стержень 70 также имеет немагнитные концевые участки 73 с резьбой, которые проходят по одной линии с участками 71 и 72 и которые сконструированы таким образом, чтобы они входили в одну из концевых пластин 80, которая удерживает вместе подвижные стержни 70, чтобы формировать подвижный элемент машины. Согласно важному аспекту изобретения каждый подвижный стержень 70 имеет тонкую трубчатую стенку 75 (показанную частично разрезанной для большей наглядности фигуры), которая располагается вокруг подвижного стержня 70 и которая прикрепляется к участкам 71 и 72, а также к концам 73, например, с помощью клея. Электромагнитное взаимодействие между участками подвижных стержней и неподвижным сердечником происходит через тонкую трубчатую стенку 75.
Так же как и в примере с пластинами, тонкая трубчатая стенка 75, удерживающая участки 71 и 72, значительно увеличивает жесткость подвижного стержня 70 и служит для механической передачи действия магнитных сил, которым подвергаются участки 71 и 72, на концы 73 (передача происходит через срезывающую силу, как описано выше).
Более того, отсутствие центральной опоры позволяет сделать участки 71 и 72 сплошными, не имеющими центрального отверстия, таким образом увеличивая эффективность машины.
Согласно особенно предпочтительному аспекту изобретения подвижные стержни 70 входят в отверстия неподвижного сердечника 60 с возможностью скольжения с маленьким зазором, таким образом позволяя подвижным стержням 70 входить в контакт с неподвижным сердечником 60. В результате, подвижные стержни 70, которые могут быть длинными, хорошо направляются, таким образом увеличивается их жесткость и возможность противостоять продольному изгибу. Более того, воздушный зазор хорошо регулируемый, по существу имеет величину не больше, чем толщина тонкой трубчатой стенки 75 плюс зазор для скольжения. Тонкая трубчатая стенка 75 выполнена из бронзы - материала, имеющего низкий коэффициент трения.
Тонкая трубчатая стенка 75 соприкасается непосредственно с отверстием в неподвижном сердечнике. Тем не менее, тонкая стенка 75 является непрерывной и не имеет краев, таким образом поддерживая скольжение собранного подвижного стержня.
Изобретение не ограничивается приведенным выше описанием, а напротив, включает любой вариант в пределах, определяемых формулой изобретения.
В частности, хотя приведенное выше описание относится к машинам, в которых некоторые активные элементы имеют магнитные участки, изобретение может, конечно, применяться к другим типам машин, например к машинам с переменным магнитным сопротивлением, без постоянных магнитов, при этом участки, составляющие активные элементы, представляют собой чередующиеся участки из ферромагнитного и немагнитного материалов.
Хотя участки активного элемента показаны здесь как смежные, между этими участками могут быть оставлены пустые пространства. Более того, один участок мог бы состоять целиком из пустого пространства.
Хотя показанные здесь активные элементы имеют внешнее покрытие в виде одной или более непрерывных тонких стенок, покрывающих всю внешнюю поверхность активного элемента, покрытие может иметь и другие формы. В частности, покрытие необязательно должно содержать непрерывные стенки, но могло бы содержать полоски, располагающиеся в направлении скольжения активного элемента вдоль его поверхности. В этом случае предпочтительно, чтобы полоски одного активного элемента располагались так, чтобы находиться напротив полосок, облицовывающих активные элементы. При всех обстоятельствах важно, чтобы покрытие было достаточно прочным и способным обеспечить механическую передачу действия магнитных сил, которым подвергаются участки активных элементов.
Хотя в этом описании указано, что покрытие прикрепляется к участкам с помощью клея, могут быть также использованы другие методы соединения. Например, покрытие может быть получено посредством покрытия участков горячим материалом, который формирует покрывающий слой при охлаждении. Покрывающий слой также может быть получен методом распыления на обрабатываемые участки в газовой среде.
Хотя в описании указано, что все участки прикрепляются к покрытию, возможно, что некоторые из них не прикреплены к покрытию, например каждый второй участок не прикрепляется. Действие магнитных сил в этом случае передается на тонкие стенки только через те участки, которые прикреплены к ним, причем по-прежнему в виде срезывающей силы.
И последнее, хотя изобретение описано со ссылкой на линейные электромагнитные машины, оно также может быть применено к вращательным машинам, например, имеющим активные элементы в форме дисков. В таких обстоятельствах, участки, образованные угловыми секторами, чередуются в главном направлении по кругу. Покрытие содержит две тонкие стенки поверх двух больших пространств диска, сформированного смежными боковыми поверхностями участков.
1. Активный элемент (10, 20, 70) для электромагнитной машины, содержащий чередующуюся последовательность в главном направлении (X) участков (11, 21, 71) с первым магнитным свойством и участков (12, 22, 72) со вторым магнитным свойством, при этом указанный элемент включает в себя немагнитное покрытие (15, 25, 75), являющееся тонким по сравнению с толщиной указанных участков и покрывающим существенную часть внешней поверхности активного элемента, причем покрытие прикреплено, по меньшей мере, к некоторым участкам и имеет достаточную прочность, чтобы формировать элемент для механической передачи действия магнитных сил, которому подвергаются указанные участки.
2. Активный элемент по п.1, в котором указанные участки являются брусками (11, 12, 21, 22) такими, чтобы активный элемент, по существу, имел вид пластины с двумя противоположными большими лицевыми поверхностями, образованными смежными боковыми поверхностями брусков, при этом покрытие (15, 25) покрывает существенную часть больших лицевых поверхностей.
3. Активный элемент по п.2, в котором покрытие включает в себя две тонкие стенки (15, 25), прилегающие к большим лицевым поверхностям активного элемента.
4. Активный элемент по п.1, в котором участки выполнены в форме цилиндрических сегментов (71, 72) так, чтобы активный элемент имел, по существу, вид стержня с периферийной поверхностью, при этом покрытие (75) покрывает, по меньшей мере, существенную часть указанной периферийной поверхности.
5. Активный элемент по п.4, в котором покрытие (75) включает в себя трубчатую тонкую стенку вокруг активного элемента.
6. Активный элемент по п.1, характеризующийся тем, что имеет, по меньшей мере, один конец, располагающийся на одной линии с указанными участками и прикрепленный к покрытию, так что действие магнитных сил, которому подвергаются указанные участки, механически передается на этот конец через покрытие.
7. Электромагнитная машина, характеризующаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один активный элемент по п.1, при этом активный элемент размещен с возможностью скольжения с небольшим зазором относительно неподвижного участка машины, допуская соприкосновение между активным элементом и неподвижным участком машины.
8. Электромагнитная машина, характеризующаяся тем, что содержит множество активных элементов по п.2, которые послойно чередуются таким образом, что подвижный активный элемент лежит между двумя неподвижными активными элементами и скользит между ними с маленьким зазором, допуская соприкосновение между обращенными друг к другу активными элементами.
9. Электромагнитная машина по п.7, в которой покрытие представляет собой, по меньшей мере, поверхностный слой с низким коэффициентом трения.
10. Электромагнитная машина по п.9, характеризующаяся тем, что является линейной электромагнитной машиной, а указанное покрытие полностью выполнено из материала с низким коэффициентом трения.
11. Способ изготовления активного элемента по п.2, содержащий этапы, на которых:
вырезают параллельные окна в листе (26) с первым магнитным свойством; или оставляют окна пустыми;
размещают в окнах участки со вторым магнитным свойством;
накладывают покрытие на одну из двух наружных поверхностей листа так, чтобы, по существу, покрыть указанные участки; и
отрезают боковые кромки листа, так что лист, лежащий между двумя окнами, сам образует участки активного элемента.
