НАСОС С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ Российский патент 1994 года по МПК F04B17/04 

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности, к вакуумным поршневым насосам с электромагнитным приводом.

Известен насос с электромагнитным (электродинамическим) приводом (а. с. СССР N 1687856, кл. F 04 В 35/04, 1991). Известный насос содержит подпружиненную катушку, размещенную с возможностью перемещения в магнитном зазоре и подключенную к выходу соединенного с источником питания однофазного моста, образованного ключевыми элементами, каждый из которых шунтирован обратным диодом, блок управления и систему формирования сигналов включения диагоналей однофазного моста, при этом катушка снабжена датчиком полярности напряжения, подключенным к входу блока управления, последний снабжен встроенным прерывателем, а система формирования выполнена в виде определителя очередности включения диагоналей моста с двумя входами, логически связанными функцией U, блока запрета и таймера с двумя импульсными выходами, причем выход блока управления соединен с входом таймера и первым входом определителя очередности, второй вход которого подключен к одному выходу таймера, другой выход которого через блок запрета связан с прерывателем блока управления.

Недостатком известного насоса является большая сложность схемы управления, обусловленная необходимостью поддержания равенства частоты напряжения катушки частоте собственных колебаний компрессора, зависящий от жесткости пружины, для достижения резонансного режима колебаний, при котором обеспечена максимальная производительность работы насоса.

Наиболее близким по технической сущности и предлагаемому изобретению является известный насос с электромагнитным приводом, который содержит цилиндр, подпружиненный поршень со штоком, установленный в цилиндре, и электромагнитный привод, включающий магнитную цепь, состоящую из магнитопровода и постоянного магнита с полюсным наконечником, и катушку индуктивности, помещенную с возможностью перемещения в воздушном зазоре магнитной цепи и жестко связанную через шток с поршнем.

Недостатком известного насоса является его невысокая и нестабильная производительность, что обусловлено сложностью обеспечения резонансного режима колебаний, возникающего при совпадении частоты питающего тока с собственной частотой колебаний поршня, зависящей от жесткости пружины, так как на практике сложно подобрать пружину с требуемой жесткостью. К тому же в процессе эксплуатации нагрузка на поршень и жесткость пружины со временем изменяются, что также приводит к нестабильности насоса. Кроме того, в насосах с подпружиненным поршнем, как правило, невозможно использовать полный ход поршня, что также влияет на стабильность производительности насоса.

Цель изобретения - повышение производительности и стабильности работы насоса.

Поставленная цель достигается тем, что:
1. В насосе с электромагнитным приводом, содержащем цилиндр с поршнем и электромагнитный привод, включающий магнитную цепь, состоящую из магнитопровода и постоянного магнита с полюсным наконечником, и катушку индуктивности, помещенную с возможностью перемещения в воздушном зазоре магнитной цепи и жестко связанную с поршнем, согласно изобретению, цилиндр с поршнем расположен вертикально над катушкой индуктивности, ниже которой помещена магнитная цепь, а катушка индуктивности подключена к выходу преобразователя напряжения, состоящего из последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов оптимальной скважности, первого и второго инвертора и мостовой схемы, образованной двумя парами транзисторов, каждая из которых представляет собой эмиттерный повторитель, при этом выходы первого и второго инверторов подключены соответственно к базам первой и второй пары транзисторов моста, к диагонали которого подключена катушка индуктивности, а к точкам соединения коллекторов транзисторов подключен источник постоянного напряжения, причем генератор прямоугольных импульсов содержит третий и четвертый последовательно включенные инверторы, параллельно которым подключена емкость, и подключенный параллельно третьему инвертору контур, состоящий из двух параллельно и встречно включенных диодов, два разноименных вывода которых соединены с неподвижными контактами переменного сопротивления, подвижный контакт которого подсоединен к выходу третьего инвертора, а выход четвертого инвертора является выходом генератора, и величины переменного сопротивления R и емкости С определены из соотношения T = 2RC, где T - оптимальный период следования импульсов генератора, определяемый экспериментально.

2. В насосе по п. 1, согласно изобретению, полюсный наконечник имеет толщину, соизмеримую с толщиной постоянного магнита.

Вертикальное расположение цилиндра с поршнем над катушкой индуктивности, ниже которой помещена магнитная цепь, позволяет использовать собственный вес поршня и катушки индуктивности в качестве дополнительной силы, помогающей поршню совершать рабочий ход всасывания газа, повышая тем самым производительность насоса. Подключение катушки индуктивности к выходу преобразователя напряжения, состоящего из генератора прямоугольных импульсов оптимальной скважности, первого и второго инверторов и мостовой схемы, образованной двумя парами транзистора, каждая из которых представляет повторитель, со всеми соединениями, как описано выше, и выполнение генератора прямоугольных импульсов, содержащим третий и четвертый последовательно включенные инверторы, параллельно которым подключена емкость, и подключенный параллельно третьему инвертору контур, состоящий из двух параллельно и встречно включенных диодов, два разноименных вывода которых соединены с неподвижными контактами переменного сопротивления, подвижный контакт которого подсоединен к выходу третьего инвертора, а выход четвертого инвертора является выходом генератора, и величины переменного сопротивления R и С определены из соотношения
T = 2RC, где Т - оптимальный период следования импульсов генератора, определяемый экспериментально, позволяет обеспечить оптимальное соотношение длительностей рабочего и холостого хода поршня и оптимальную частоту движения поршня, что дает возможность стабильно использовать полный ход поршня в условиях эксплуатации насоса и достичь тем самым высокой и стабильной производительности его работы. Выполнение полюсного наконечника с толщиной, соизмеримой с толщиной постоянного магнита, позволяет предохранить магнит от размагничивания, так как при рабочем ходе поршня, когда магнитные поля катушки индуктивности и постоянного магнита направлены согласно, полюсный наконечник подмагничивается, а при холостом ходе его поле, суммируясь с полем постоянного магнита, предохраняет последний от размагничивания.

Предлагаемый насос с электромагнитным приводом обладает новизной по сравнению с прототипом, отличаясь от него тем, что:
1. Цилиндр с поршнем расположен вертикально над катушкой индуктивности, ниже которой помещена магнитная цепь, а катушка индуктивности подключена к выходу преобразователя напряжения, состоящего из последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов оптимальной скважности, первого и второго инверторов в мостовой схемы, образованной двумя парами транзисторов, каждая из которых представляет собой эмиттерный повторитель, при этом выходы первого и второго инверторов подключены соответственно к базам первой и второй пары транзисторов моста, к диагонали которого подключена катушка индуктивности, а к точкам соединения коллекторов транзисторов подключен источник постоянного напряжения, причем генератор прямоугольных импульсов содержит третий и четвертый последовательно включенные инверторы, параллельно которым подключена емкость, и подключенный параллельно третьему инвертору контур, состоящий из двух параллельно и встречно включенных диодов, два разноименных вывода которых соединены с неподвижными контактами переменного сопротивления, подвижный контакт которого подсоединен к выходу третьего инвертора, а выход четвертого инвертора является выходом генератора, и величины переменного сопротивления R и емкости С определены из соотношения
T = 2RС, где Т - оптимальный период следования импульсов генератора, определяемый экспериментально, и
2. полюсный наконечник имеет толщину, соизмеримую с толщиной постоянного магнита.

Заявителю неизвестны насосы с электромагнитным приводом, обладающие вышеуказанными общими и частными отличительными существенными признаками, позволяющими явным образом достичь такого же технического результата, поэтому заявитель считает, что предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое изобретение является промышленно применимым, так как оно предназначено для использования в промышленности и/или здравоохранении, обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата и осуществляется с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета технических средств.

На фиг. 1 изображена конструкция насоса с элекромагнитным приводом; на фиг. 2 - принципиальная схема преобразователя напряжения.

Насос с электромагнитным приводом (см. фиг. 1), содержит вертикально расположенный цилиндр 1 с поршнем 2, жестко связанным с расположенной ниже катушкой 3 индуктивности. Катушка 3 помещена с возможностью перемещения в воздушном зазоре расположенной ниже нее магнитной цепи, состоящей из магнитопровода 4 и постоянного магнита 5 с полюсным наконечником 6, толщина которого соизмерима с толщиной магнита равна 0,5 толщины магнита 5.

Катушка 3 индуктивности подключена к выходу преобразователя напряжения (см. фиг. 2), который состоит из последовательно соединенных генератора 7 прямоугольных импульсов оптимальной скважности, первого и второго инверторов 8,9 и мостовой схемы, образованной двумя парами транзисторов 10, 11 и 12,13, каждая из которых представляет собой эмиттерный повторитель. Генератор 7 прямоугольных импульсов содержит два последовательно включенных инвертора 14,15, параллельно которым подключена емкость 16, и подключенный параллельно инвертору 14 контур, состоящий из двух параллельно и встречно включенных диодов 17, 18, два разноименных вывода которых соединены с неподвижными контактами переменного сопротивления 19, подвижный контакт которого подсоединен к выходу инвертора 14. Выход инвертора 15 является выходом генератора 7. Величины переменного сопротивления R и емкости С определены из соотношения
T = 2RC, где Т - оптимальный период следования импульсов генератора, определяемый экспериментально.

Выход инвертора 8 подключен к базам транзисторов 10, 11, а выход инвертора 9 - к базам транзисторов 12, 13. К точкам соединения коллекторов транзисторов 10, 12 и 11, 13 подключен источник постоянного напряжения (не показан), а к диагонали моста - катушка 3 индуктивности.

Назначение и выполнение составных частей насоса с электромагнитным приводом следующие.

Цилиндр 1 и поршень 2 предназначены для всасывания откачиваемого газа при рабочем ходе поршня вниз и выталкивания его в атмосферу при обратном (холостом) ходе поршня 2.

Катушка 3 индуктивности служит для создания магнитного поля переменной направленности в зависимости от направления протекания тока через катушку 3.

Магнитопровод 4 предназначен для замыкания силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 5.

Постоянный магнит 5 служит для создания постоянного магнитного поля для взаимодействия с магнитным полем катушки 3, и, соответственно, создания силы выталкивания или притяжения катушки 3.

Полюсный наконечник 6 предохраняет постоянный магнит 5 от размагничивания в процессе работы.

Генератор 7 прямоугольный импульсов служит для генерации прямоугольных импульсов оптимальной скважности 1,38-1,42 и оптимального периода следования импульсов T = 100-125 мс, который обратно пропорционален собственной частоте насоса. При величинах скважности и периода, лежащих за пределами указанных оптимальных значений, использовать полный ход поршня невозможно и производительность насоса хуже.

Инверторы 8,9 предназначены для попеременной подачи единичного сигнала на базы транзисторов 10, 11 или 12,13, а также для развязки цепей генератора 7 и транзисторов 10-13.

Транзисторы 10, 11, 12, 13 служат для переключения направления тока через катушку 3 индуктивности. Транзисторы 10,12 имеют серию КТ815, а транзисторы 11, 13 - КТ814.

Емкость 16 и переменное сопротивление 19 предназначены для создания контура заряда и разряда емкости 16, параметрами которого определяется период следования импульсов генератора 7.

Диоды 17, 18 служат для создания разных цепей заряда и разряда емкости 16 через разные части переменного сопротивления 19.

Переменное сопротивление 19 предназначено кроме того для установления оптимальной скважности генератора 7 путем перемещения подвижного контакта сопротивления 19 и изменения тем самым соотношения сопротивлений цепей заряда и разряда емкости 16.

Насос с электромагнитным приводом работает следующим образом.

В исходном состоянии все инверторы преобразователя напряжения находятся в нулевом состоянии, так как напряжение питания на них не подано, постоянное напряжение на мостовую схему не подано.

Оператор подключает источник постоянного напряжения к коллекторам транзисторов 10, 12 и 11, 13 (источник постоянного напряжения и выключатель на чертеже не показаны) и напряжение питания на инверторы 8, 9, 14, 15 (источник и цепи питания на чертеже не показаны). Емкость 16 начинает заряжаться по цепи - диод 17, часть переменного сопротивления 19, инвертор 15. На выходе инвертора 15, а значит и генератора 7, появляется импульс, длительность которого равна времени заряда емкости 16. Этот импульс, приходя на вход инвертора 8, составляет его в нулевом состоянии, а инвертор 9, подключенный к выходу инвертора 8, переключается в единичное состояние.

Соответственно нулевой сигнал с выхода инвертора 8 поступает на базы транзисторов 10, 11, открывая транзистор 11, а единичный сигнал с выхода инвертора 9 поступает на базы транзисторов 12, 13, открывая транзистор 12. Создается замкнутая цепь, и постоянный ток протекает через транзистор 12, катушку 3 индуктивности и транзистор 11.

Вокруг катушки 3 появляется магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита 5, вызывает втягивание катушки 3 в зазор магнитной цепи, и, соответственно, перемещение связанного с ней поршня 2 вниз. При этом происходит засасывание откачиваемого газа в цилиндр 1, то есть рабочий ход поршня 2.

По окончании заряда емкости 16, инверторы 14,15 переключаются в противоположное состояния и на выходе генератора 7 появляется нулевой сигнал, который будет сохраняться все время разряда емкости 16. Разряд емкости 16 при этом происходит через инвертор 15, другую часть переменного сопротивления 19 и диод 18. Нулевой сигнал с выхода генератора 7 поступает на вход инвертора 8, переключая его в единичное состояние, а инвертор 9, подключенный к выходу инвертора 8, при этом переключается в нулевое состояние. Единичный сигнал с выхода инвертора 8 поступает на базы транзисторов 10, 11, открывая транзистора 10, а нулевой сигнал с выхода инвертора 9 поступает на базы транзисторов 12, 13, открывая транзистор 13. Создается замкнутая цепь, и постоянный ток протекает через транзистор 10, катушку 3 и транзистор 13.

Вокруг катушки 3 появляется магнитное поле противоположной направленности, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита 5, вызывает выталкивание катушки 3 индуктивности из зазора магнитной цепи, и, соответственно, перемещение поршня 2 вверх. Происходит выталкивание газа из цилиндра 1 в атмосферу, то есть холостой ход поршня 2.

По окончании разряда емкости 16 происходит переключение инверторов 14, 15 в противоположное состояние, на выходе генератора 7 опять появляется импульс, а емкость 16 опять начинает заряжаться. Цикл заряда - pазряда емкости 16 повторяется многократно, так как генератор 7 работает в режиме мультивибратора. Работа насоса при этом происходит описанным выше образом, чередуя рабочий ход всасывания и холостой ход выталкивания газа в атмосферу.

Установление оптимальной скважности импульсов генератора 7 производится один раз перед вводом насоса в эксплуатацию. Для этого насос подключают к вакуумметру (цепи подключения и вакуумметр на чертежах не показаны) и включают его описанным выше образом. Последовательно изменяя положение подвижного контакта переменного сопротивления 19, то есть варьируя соотношение сопротивлений цепей заряда и разряда емкости 16, следят за скоростью нарастания вакуума. Максимальная скорость нарастания вакуума соответствует оптимальной скважности импульсов генератора 7 и, следовательно, максимальной производительности насоса.

Предлагаемый насос с электромагнитным приводом является по сравнению с прототипом более производительным и стабильным в работе. Кроме того, схема управления насосом очень проста. (56) Авторское свидетельство СССР N 1613678, кл. F 04 B 35/04, 1990.

Сущность изобретения: цилиндр с поршнем расположены вертикально над катушкой индуктивности (КИ), ниже которой помещена магнитная цепь. КИ подключена к выходу преобразователя напряжения, состоящего из последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов оптимальной скважности, первого и второго инверторов и мостовой схемы, образованном двумя парами транзисторов. Каждая пара представляет эмиттерный повторитель. Выходы первого и второго инверторов подключены соответственно к базам первой и второй пары транзисторов моста, к диагонали которого подключена КИ. К точкам соединения коллекторов транзисторов подключен источник постоянного напряжения. Генератор содержит третий и четвертый последовательно включенные инверторы, параллельно которым подключена емкость, и подключенный параллельно третьему инвертору контур. Контур состоит из двух параллельно и встречно включенных диодов, два разноименных выхода которых соединены с неподвижными контактами переменного сопротивления, подвижный контакт которого подсоединен к выходу третьего инвертора. Выход четвертого инвертора является выходом генератора. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. НАСОС С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ, содержащий цилиндр с поршнем и электромагнитный привод, включающий магнитную цепь, состоящую из магнитопровода и постоянного магнита с полюсным наконечником, и катушку индуктивности, помещенную с возможностью перемещения в воздушном зазоре магнитной цепи и жестко связанную с поршнем, отличающийся тем, что цилиндр с поршнем расположен вертикально над катушкой индуктивности, ниже которой помещена магнитная цепь, а катушка индуктивности подключена к выходу преобразователя напряжения, состоящего из последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов оптимальной скважности, первого и второго инверторов и мостовой схемы, образованной двумя парами транзисторов, каждая из которых представляет эмиттерный повторитель, при этом выходы первого и второго инверторов подключены соответственно к базам первой и второй пары транзисторов моста, к диагонали которого подключена катушка индуктивности, а к точкам соединения коллекторов транзисторов подключен источник постоянного напряжения, причем генератор прямоугольных импульсов содержит третий и четвертый последовательно включенные инверторы, параллельно которым подключена емкость, и подключенный параллельно третьему инвертору контур, состоящий из двух параллельно и встречно включенных диодов, два разноименных вывода которых соединены с неподвижными контактами переменного сопротивления, подвижный контакт которого подсоединен к выходу третьего инвертора, а выход четвертого инвертора является выходом генератора, и величины переменного сопротивления R и емкости C определяются из следующего соотношения:
T = 2RC,
где T - оптимальный период следования импульсов генератора, определяемый экспериментально. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что полюсный наконечник имеет толщину, соизмеримую с толщиной постоянного магнита.