БЕСКОНТАКТНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД Российский патент 1994 года по МПК H02K41/00 H02K49/10 

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено для привода магнитной подвесной дороги и подъемников.

Известен линейный двигатель (заявка ФРГ N 3120328, кл. H 02 K 41/03, 1982), первичная часть которого представляет собой вращающийся цилиндрический вал, по периметру которого установлены магниты по винтовой линии. Северный и южный полюса при этом выполнены в виде непрерывных лент, благодаря чему в области цилиндрической поверхности образуется перемещающееся по оси поле (бегущее поле). Оно частично закорачивается между полюсами благодаря тесному следованию друг за другом лент магнитных полюсов, и только относительно небольшая часть замыкается через вторичную часть, в которой к тому же получается относительно высокая доля вихревых токов. Поэтому экономичность этого известного двигателя относительно мала.

Кроме того, известна магнитная передача (патент Великобритании N 1434809, кл. H 2 А, 1974), первичная часть которой выполнена в виде магнитного колеса и взаимодействует с вторичной частью, имеющей пазы в виде зубьев. Эта конструкция имеет относительно низкий КПД, так как всегда лишь магнитный контур из двух следующих друг за другом по периметру полюсов замыкается через вторичную часть.

Целью изобретения является повышение экономичности.

Эта задача решается с помощью бесконтактного линейного привода, обладающего отличительными признаками.

Конструктивное исполнение функционально важных частей в виде профильных элементов или в виде двухзаходной ферромагнитной спирали является относительно простым и дает экономию в стоимости.

Двойная спираль может быть неподвижно закреплена направляющей частью, а шина - подвижной транспортной частью или наоборот. В случае применения изобретения для транспортных средств, например дорог на магнитной подвеске, предлагается применение направляющей части шины в качестве неподвижной направляющей части и двухзаходной спирали в качестве подвижной транспортной части. Шина при этом сама может быть частью подвесной дороги, в то время как двухзаходная спираль закреплена на транспортном средстве.

Профилированный элемент может иметь различную форму. При этом всегда важно, чтобы в одинаковой последовательности осевых интервалов, соответственно как в спиралях, профильная часть вблизи спирали каждый раз имела материал или не имела (ритм: материал - да - нет - спираль - да - нет - спираль - и т. д. ). Так, профильная часть может представлять собой профилированную шину, которая простирается в основном тангенцильно относительно шнека. Однако шина может быть также изогнутой относительно той же оси, что и шнек, причем в этом случае она огибает шнек в основном концентрически, по меньшей мере, частично, или покрывает его. Благодаря этому достигается большая площадь воздействия и тем самым более высокий КПД.

Направляющая часть может окружать шнек в виде концентрической трубы, причем остается открытой лишь сквозная осевая щель, через которую выступают опорные или крепежные элементы шнека.

Направляющая часть может осуществлять ритмическое приближение материала различным образом. Так, например, в профильной части могут быть предусмотрены выемки в виде окошек, причем выемки находятся над спиралью, и магнитный поток может идти сам по себе через лежащие между ними перемычки.

Направляющая часть может также представлять собой, в основном, волнообразный профиль с выпуклостями и впадинами волн, следующими друг за другом в направлении движения. При этом преимущества представляет вариант, в котором вершины выпуклостей волн, приближающиеся каждый раз к виткам двухзаходной ферромагнитной спирали подвижного вращающегося элемента, уплощаются в основном параллельно поверхности оболочки и на равное осевое распространение спиралей, благодаря чему оптимизируется магнитный поток.

Направляющая часть может иметь ребра, направленные в основном перпендикулярно к двухзаходной спирали подвижной вращающейся части, так, что в основание ребра расположено напротив витка спирали вращающейся части лишь на незначительном расстоянии (зазоре) от нее. Ребра могут при этом быть нанесены на гладкую поверхность несущей части или приварены к ней.

Направляющая часть может быть составлена из отдельных L-образных профильных элементов, при этом ребра, проходящие в осевом направлении, например, сварены, образуя единое тело, в то время как перпендикулярные по отношению к ним ребра в основном проходят перпендикулярно к шнеку.

Направляющая часть может состоять из отдельных U-образных профильных элементов, которые своими ребрами располагаются каждый раз в осевой последовательности друг за другом, или из Т-профилей, которые соответственно располагаются своими средними коленами радиально внутрь. Эти сварные конструкции или способы изготовления ребристой профильной части имеют особые преимущества и могут давать экономический эффект при трубообразном варианте направляющей части.

Направляющую часть волнообразного вида можно сделать сварной, составленной из отдельных элементов, или профильные трубы могут в каждом случае представлять собой сварные бесконечные трубы из ленты с L-образным или U-образным профилем.

В соответствии с изобретением между обеими частями образуется действенное магнитное поле с помощью постоянного магнита. При этом постоянные магниты могут быть расположены в двухзаходной спирали, или в шине. При расположении постоянных магнитов в двухзаходной спирали они сформированы в первом варианте так, что оба захода спирали расположены вокруг магнитомягкого сердечника и заходы спирали имеют противоположную полярность. Для этого магниты в двухзаходных спиралях с радиальной ориентацией могут иметь такое расположение, что в одном заходе каждый раз наружу обращены южные полюса, а в другом заходе - северные полюса. Тем самым можно говорить о заходе южнополюсов и северополюсов. Магнитный поток, вызванный таким расположением, при варианте направляющей части в виде мягкомагнитной профильной шины с отверстиями имеет следующий ход: он выходит из северного полюса, пересекает воздушный зазор между шнеком и стальной шиной, далее идет в спицу профилированной шины и перед следующей выемкой снова выходит наружу, затем пересекает следующий воздушный зазор между шнеком и стальной шиной и входит в южный полюс следующей спирали. Внутренние полюса спирали замыкаются через мягкомагнитный сердечник. Таким образом замыкается весь контур. Спирали относительно стальной шины располагаются на определенном расстоянии. В соответствии с изобретением, их можно с помощью электродвигателя привести во вращение, и монтируются они в соответствии с преимущественным примером использования на транспортном средстве. Благодаря вращению спиралей возникает постоянное магнитное поле, которое сдвигает транспортное средство. Так как при таком исполнении профилированная шина прочно закреплена на дорожном полотне или при магнитной подвесной дороге на несущем профиле, спирали, образующие каждая по шнеку, как бы навинчиваются вдоль него, создавая таким образом привод для транспортного средства, на котором закреплены шнеки.

Во втором варианте исполнения шнека его двухзаходная спираль может быть изготовлена из магнитомягкого материала, в то время как сердечник состоит из немагнитного материала. Постоянные магниты при этом расположены в промежуточном пространстве между заходами спирали, в основном, в осевой ориентации. При этом магниты одного промежуточного пространства, например, южным полюсом соориентированы в направлении движения, в то время, как другое промежуточное пространство имеет магниты, соориентированные к южному полюсу, так что каждый раз спираль снабжена с боков одинаковыми полюсами, а именно южная спираль южными полюсами. Благодаря этому в спиралях имеет место высокая концентрация магнитных линий, благодаря чему можно очень сильно повысить КПД.

Двухзаходная спираль может быть изготовлена целиком из магнитомягкого материала, в то время как постоянные магниты предусмотрены в направляющей шине на одинаковом расстоянии как заходы двухзаходной спирали. Вращающиеся двухзаходные спирали, через которые замыкается магнитный поток постоянных магнитов, расположенных последовательно друг за другом в направлении движения, вызывают продвижение шнеком с двухзаходной спиралью на профилированных шинах, снабженных магнитами.

Привод в соответствии с изобретением может быть выполнен различным образом, располагая различное количество двухзаходных спиралей и профилированных шин относительно друг друга. Так, например, одна единственная двухзаходная спираль может взаимодействовать с одной единственной профилированной шиной. Этот случай, однако, не является самым оптимальным, так как соотношение сил относительно одностороннее, т. е. не имеет место выравнивание сил. Здесь должны быть приняты дополнительные соответствующие меры с тем, чтобы расстояние между профилированной шиной и спиралью всегда поддерживалось оптимальным.

Могут быть две двухзаходные спирали, синхронно вращающиеся в противоположном направлении, и только одна шина, расположенная между ними. Это предпочтительный пример выполнения изобретения, который дает многогранные возможности применения.

Очень хорошим является вариант выполнения с одной двойной спиралью, которая предусмотрена между двумя параллельными профилированными шнеками, расположенными напротив друг друга по диагонали по отношению к двойной спирали.

Перемещение, вызванное линейным приводом, может осуществляться непрерывно в одном направлении, если, например, двойные спирали непрерывно вращаются в одном направлении. Однако возможно возвратно-поступательное движение, которое, в частности, применяется в станкостроении, для чего спирали или шнек осуществляют движения отклонения по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Шнеки, образованные спиралями и стержнем, могут приводиться во вращение, например, с помощью электродвигателя. Существует, однако, возможность передавать вращательное движение на шнек с помощью известных передающих элементов от других вращающихся элементов, например транспортного средства или от станка.

В устройстве с двумя шнеками и одной профильной шиной шнеки расположены так относительно друг друга, что при их синхронном вращательном движении всегда зеркально против друг друга симметрично стоят спирали с одинаковыми полюсами. С помощью отталкивания, получающегося благодаря этому, возникает большее усилие.

Преимущества дает вариант, когда на перемещающейся части - двухзаходной спирали предусмотрена предохранительная спираль из немагнитной стали. Она представляет собой пассивную спираль, которая должна содержать не больше, чем один или максимум два витка. Предохранительная спираль при этом проникает относительно глубоко в радиальном направлении в профилированную часть и взаимодействует с ее ребрами, также радиальными, аналогично торможению трением. Тем самым при перегрузке ротора он может не проскальзывать, так как предохранительные спирали касаются ребер профильной части и тормозят движение проскальзывания. При этом расстояние между ребрами профиля и предохранительной спиралью должно быть таким, чтобы ротор через предохранительные спирали сел на ребра профиля за короткое время до того, как прервется магнитное поле. Это имеет место примерно при 90% -ной нагрузке.

При варианте с двухзаходными спиралями с радиально ориентированными магнитами большие преимущества и одновременно экономию места дает вариант, в котором предусматривается размещение предохранительной спирали между магнитными спиралями на сердечнике. При магнитах, соориентированных по оси, это невозможно. Здесь целесообразно предусмотреть предохранительные спирали на отрезке сердечника вне полюсных спиралей. При этом достигается большая прочность, если в этой области диаметр стержня рассчитан на большой диаметр полюсных спиралей. Так, предохранительная спираль в основном имеет лишь высоту ребер профиля.

Привод в соответствии с изобретением имеет по сравнению с классическим линейным двигателем большие преимущества. Шнеки могут приводиться в движение от стандартного электродвигателя, который работает в идеальном случае, т. е. где ротор и статор обладают по возможности минимальным зазором. Потребление тока всегда постоянно и не зависит от величины воздушного зазора.

Следует рассматривать как значительное преимущество оптимальную и очень экономичную применимость линейного двигателя в соответствии с изобретением, так как он может применяться для перемещения практически в любом направлении. Так, его применение для горизонтального перемещения является оптимальным, например, для подвесных дорог, ворот, станков или других машин, в которых должны осуществляться относительные перемещения всей машины или внутри машины.

Применение двигателя в соответствии с изобретением дает большие преимущества при вертикальной транспортировке, потому что, например, по сравнению с лифтами, работающими традиционным способом, с транспортными кабелями или подъемниками для транспортировки людей или материалов не требуется никаких дополнительных верхних и нижних сооружений для приводов, благодаря чему получается большая экономия места и материалов. Отпадают также имеющие относительно высокий собственный вес тросы или кабели, благодаря чему, например, можно осуществлять перемещения в подземных разработках в шахтах большой глубины. В настоящее время там еще нужно перемещаться во многих, смещенных относительно друг друга отрезках, что каждый раз требует новой комплексной транспортной системы со всеми расходами.

На фиг. 1 изображен линейный привод с двухзаходной ферромагнитной подвижной частью - спиралью и гофрированной трубой в качестве направляющей части; на фиг. 2 показана вращающаяся подвижная часть с магнитомягкими спиралями и магнитами между ними с осевой намагниченностью; на фиг. 3 представлено сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 изображен линейный привод с вращающейся подвижной частью в соответствии с фиг. 2 и составленной из L-профилей направляющей частью в разрезе; на фиг. 5 - линейный привод с вращающейся частью с радиально направленными магнитами, с ребристой трубчатой направляющей частью, составленной из U-образных профилей, и с предохранительной спиралью в разрезе; на фиг. 6 - то же, но с трубчатой частью с магнитами, соориентированными по оси.

Привод (фиг. 1 и 3) содержит вращающуюся подвижную часть 1 в виде двухзаходной спирали из ферромагнитного материала, причем, ее заходы 2, 3 имеют противоположную полярность, так как между ними размещены постоянные магниты. Сердечник 4 выполнен из магнитомягкого материала. Неподвижная направляющая часть 5 выполнена в форме трубы из ферромагнитного материала, установленной коаксиально подвижной вращающейся части 1. На внутренней поверхности неподвижной направляющей части 5 выполнены зубцы в виде двухзаходной ферромагнитной спирали, имеющей с двухзаходной спиралью подвижной вращающейся части 1 в основном одинаковый наклон. Заходы обеих спиралей расположены на одном и том же расстоянии друг от друга.

Как, в частности, видно из фиг. 3, труба 6 имеет шлицеобразный осевой проем 7, через который проходят не показанные опоры или крепежные элементы для вращающейся подвижной части 1.

Двухзаходные спирали направляющей части 5 могут быть образованы выемками в виде окон в ферромагнитной трубе 6 или в виде профилированной ферромагнитной волнистой трубы 6 с чередующимися вдоль ее продольной оси впадинами 8 и волнами 9. Волны образуют витки двухзаходной спирали, которые в основном срезаны до величины осевой протяженности полюсов спиралей подвижной части 1.

На фиг. 2 представлена подвижная вращающаяся часть 1, у которой заходы 2 и 3 двухзаходной ферромагнитной спирали выполнены из магнитомягкого материала и навиты вокруг немагнитного сердечника 4. В пространствах между заходами 2 и 3 расположены соориентированные по оси постоянные магниты 10, как это, в частности, видно из фиг. 4. Постоянные магниты 10 вмонтированы с переменной полярностью, так что всегда одно промежуточное пространство с северной ориентацией сменяется промежуточным пространством с южной ориентацией. Тем самым всегда один заход имеет сбоку одинаковые магнитные полюса, благодаря чему одновременно получается полюсность заходов ферромагнитной двухзаходной спирали 1. Это обусловливает очень высокую концентрацию магнитных линий 11, которые в основном имеют направление, показанное штриховыми линиями на фиг. 4.

На фиг. 4 направляющая часть 5 образована как ребристая труба 12. Ребра 13, направленные по радиусу, являются частью L-профиля 14, который составлен в бесконечную трубу с помощью сварки.

По фиг. 5 направляющая спираль 1 имеет радиально намагниченные магниты. Направляющая часть 5 составлена подобно тому, как это показано на фиг. 4, однако из U-профилей, сваренных друг с другом в осевой последовательности своими параллельными полками. Сваренные параллельные полки U-образных профилей образуют ребро 13 двухзаходной спирали.

Между заходами 2, 3 двухзаходной ферромагнитной спирали подвижной вращающейся части 1 предусмотрена предохранительная спираль 15 из немагнитной стали, которая может иметь от одного до двух витков. Спираль 15 вдается относительно далеко в радиальном направлении между ребрами 13 неподвижной направляющей части 5 или 12 и имеет на своей тормозной площади, взаимодействующей с ребрами 13, тормозную накладку 16. Спираль 15 крепится на пруткообразном сердечнике 4 из магнитомягкого материала подвижной вращающейся части 1, например, с помощью сварки.

На фиг. 6 двухзаходная ферромагнитная спираль подвижной вращающейся части 1 в основном образована подобно показанному на фиг. 2, а именно с магнитами 14, намагниченными вдоль продольной оси. При этом неподвижная направляющая часть 5, 12 сварена из U-образных профилей, как на фиг. 5. Здесь также предусмотрена предохранительная спираль 15, которая, однако, расположена на подвижной вращающейся части на дополнительном осевом участке 17 ее сердечника 4. Это может быть, например, конец ротора. Дополнительный осевой участок 17 сердечника 4 имеет больший диаметр, причем этот диаметр, например, имеет размер, равный примерно диаметру двухзаходной спирали. Активная тормозная площадь предохранительной спирали 15 также снабжена тормозной накладкой 16, которая практически покрывает всю активную торцовую поверхность предохранительной спирали, в то время как на фиг. 5 тормозная накладка составляет только часть тормозной поверхности предохранительной спирали, обращенной к оси. Предохранительные спирали 15 располагаются по отношению к ребрам 13, что уже при 90% -ной максимальной нагрузке предохранительная спираль 15 насаживается на ребро 13 и начинается торможение, не прерывая магнитное поле.

Использование: для привода магнитной подвесной дороги. Сущность изобретения: направляющая часть 5 установлена концентрично относительно вращающейся подвижной части 1, выполненной в виде двухзаходной ферромагнитной спирали, заходы 2, которой имеют противоположную полярность, так как между ними размещены постоянные магниты. При вращении подвижной вращающейся части от электродвигателя возникает постоянное магнитное поле, сдвигающее направляющую часть 5. 10 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. БЕСКОНТАКТНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД, содержащий неподвижную направляющую часть в форме трубы из ферромагнитного материала, на внутренней поверхности которой выполнены зубцы в виде двухзаходной ферромагнитной спирали и установленную коаксиально внутри направляющей части вращающуюся подвижную часть, содержащую по меньшей мере один магнит, один полюс которого установлен у витка одного захода, а другой - у витка другого захода ферромагнитной спирали неподвижной части, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, постоянные магниты подвижной части размещены на сердечнике, а их полюса выполнены в виде двухзаходной спирали из ферромагнитного материала, спирали разных ходов имеют противоположную полярность и имеют с двухзаходной спиралью неподвижной части в основном одинаковый наклон и расположены на том же расстоянии друг от друга, что и спирали неподвижной части. 2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что двухзаходные спирали направляющей части образованы выемками в виде окон в ферромагнитной трубе. 3. Привод по п. 1, отличающийся тем, что направляющая часть выполнена в виде профилированной ферромагнитной волнистой трубы с чередующимися вдоль ее продольной оси впадинами и волнами, волны образуют витки двухзаходной спирали, которые в основном срезаны до величины осевой протяженности полюсов спирали подвижной части, и эти срезы в основном параллельны полюсам спирали подвижной части. 4. Привод по п. 1, отличающийся тем, что направляющая часть выполнена в виде ребристой трубы, ребра которой образуют двухзаходную спираль, они в основном вертикальны и направлены к двухзаходной спирали подвижной части. 5. Привод по п. 4, отличающийся тем, что ребристая труба направляющей части выполнена из L-образных профилей, а ребра ее двухзаходной спирали образованы одним из плеч L-образных профилей, сваренных между собой. 6. Привод по п. 4, отличающийся тем, что ребристая труба направляющей части выполнена из U-образных профилей, а ребра ее двухзаходной спирали образованы сваренными между собой параллельными полками соседних U-образных профилей. 7. Привод по п. 1, отличающийся тем, что магниты подвижной части расположены в радиальном направлении в витках двухзаходной спирали, сердечник ее выполнен из магнитомягкого материала, а полярность магнитов чередуется вдоль ее продольной оси. 8. Привод по п. 1, отличающийся тем, что магниты подвижно расположены вдоль продольной ее оси в промежутках между витками двухзаходной ее спирали, сердечник ее выполнен немагнитным, а полярность магнитов чередуется вдоль продольной ее оси. 9. Привод по п. 4, отличающийся тем, что подвижная часть снабжена предохранительной спиралью из немагнитной стали, содержащей не более двух витков, размещенных между ребрами направляющей части для взаимодействия с ними и перекрывающих их на всей их длине до стенки ребристой трубы. 10. Привод по п. 9, отличающийся тем, что при выполнении подвижной части с радиально ориентированными магнитами витки предохранительной спирали размещены между витками ее двухзаходной спирали. 11. Привод по п. 9, отличающийся тем, что при выполнении подвижной части с магнитами, ориентированными вдоль ее продольной оси, ее сердечник выполнен с дополнительным осевым участком, на котором размещена предохранительная спираль.