ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02P7/62 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромагнитному приводу с двигателем возвратно-поступательного движения.

Известен электромеханический преобразователь возвратно-поступательного движения [1] состоящий из якоря, движущегося в диамагнитной направляющей трубе, обмотки возбуждения, помещенной в пазу магнитопровода индуктора, корпуса, буферного устройства и выключателя. При подключении обмотки возбуждения к источнику сетевой частоты якорь под действием электромагнитных сил начинает движение к положению магнитного равновесия. Рабочий процесс электромеханического преобразователя рассчитывается так, что при подходе якоря к положению магнитного равновесия протекание полуволны тока в обмотке возбуждения прекращается и якорь по инерции продолжает движение в том же направлении, начиная сжимать буферную пружину. При подходе якоря к крайнему положению начинает протекать новая полуволна тока по обмотке возбуждения, и якорь под действием электромагнитных сил обмотки возбуждения и упругих сил пружины движется в обратном направлении. При подходе к положению магнитного равновесия прекращаются действие упругих сил пружины и протекание тока в обмотке возбуждения. Далее якорь движется по инерции.

Недостатками такого преобразователя являются ограничение времени движения, а следовательно, и хода якоря длительностью полупериода питающего напряжения и отсутствие регулировки частоты ударов при неизменной частоте питающего напряжения. Кроме того, при малой величине свободного выбега якоря в сторону пружины якорь подходит к положению магнитного равновесия раньше, чем прекратится протекание тока в обмотке, что приводит к электромагнитному торможению якоря и уменьшению КПД. При чрезмерно большой величине свободного выбега якоря в сторону пружины ток в обмотке прекращается раньше, чем якорь подойдет к положению магнитного равновесия, что уменьшает силу тяги и КПД преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электромеханический преобразователь возвратно-поступательного движения [2] состоящий из обмоток прямого и обратного хода, каждая из которых заключена в свой магнитопровод, состоящий из полюсов и ярма, якоря, расположенного во внутренней полости обмоток и имеющего возможность перемещаться в осевом направлении вдоль направляющих втулок, и системы питания. При попеременной подаче напряжения на обмотку якорь под действием электромагнитных сил втягивается то в одну, то в другую обмотку, совершая возвратно-поступательное движение.

В такой конструкции перемещение якоря происходит под действием электромагнитной силы, создаваемой в основном поперечным магнитным потоком, замыкающимся в радиальном направлении с боковой поверхности якоря через обмотку прямого или обратного хода на магнитопровод индуктора. Поперечный магнитный поток создается лишь частью ампервитков обмотки, помещенных между якорем и магнитопроводом индуктора, а ток при этом протекает по всем виткам обмотки, что приводит к увеличению тепловых потерь в обмотке и снижению КПД преобразователя. Кроме того, обмотки прямого и обратного хода расположены в разных пазах магнитопровода, т.е. отделены одна от другой полюсами магнитопровода. Это приводит к увеличению длины якоря, его массы, а следовательно, к уменьшению быстродействия преобразователя.

Цель изобретения увеличение быстродействия и КПД преобразователя.

Цель достигается тем, что в электромагнитном приводе возвратно-поступательного движения, содержащем индуктор с магнитопроводом и обмотками возбуждения прямого и обратного хода, ферромагнитный якорь и систему питания обмоток возбуждения, обмотки прямого и обратного хода расположены в одном пазу магнитопровода индуктора, включены встречно и выполнены по крайней мере из дух катушек, помещенных в пазу вплотную одна за дугой в осевом направлении и включенных между собой согласно, причем система питания обмоток возбуждения выполнена в виде источников импульсов тока, присоединенных к каждой катушке, а крайние катушки обмоток прямого и обратного хода зашунтированы диодами,
На фиг.1 изображена конструктивная схема электромагнитного привода возвратно-поступательного движения; на фиг.2 приведены зависимости во времени токов в обмотках; на фиг.3 показан пример выполнения системы питания обмоток возбуждения.

Электромагнитный привод возвратно-поступательного движения (фиг.1) включает в себя магнитопровод индуктора, состоящий из ярма 1, верхнего полюса 2 и нижнего полюса 3. В пазу магнитопровода размещены обмотки прямого и обратного хода. Обмотка обратного хода состоит из трех катушек 4,5,6, расположенных в верхней части паза вплотную одна за другой в осевом направлении и включенных между собой согласно. Обмотка прямого хода состоит из трех катушек 7, 8, 9, расположенных в нижней части паза вплотную одна за другой и включенных между собой согласно. Внутри индуктора помещен цилиндрический ферромагнитный якорь 10. Каждая из катушек как обмотки прямого, так и обратного хода присоединена к отдельному источнику 11.16 импульсов тока. Крайние катушки 4 и 9 обмоток обратного и прямого хода зашунтированы соответственно диодами 17 и 18. Обмотки прямого и обратного хода включены между собой встречно.

По катушкам 6,5,4 обмотки обратного хода протекают соответственно токи 19,20,21 (фиг.2), а по катушкам 7,8.9 обмотки прямого хода токи 22,23,24.

На фиг.3 приведен пример выполнения системы питания обмоток возбуждения электромагнитного привода возвратно-поступательного движения с обмотками прямого и обратного хода, состоящими из трех катушек (фиг.1). Каждая катушка 4.9 присоединена к источникам 11.16 импульсов тока, состоящим из конденсаторов 25.30 и тиристоров 31.36. Обкладки конденсаторов 25.30 присоединены к зарядному устройству 37, подключенному к источнику переменного напряжения. Катушка 4 обмотки обратного хода и катушка 9 обмотки прямого хода зашунтированы соответственно диодами 17 и 18. Катушки 4.6 обмотки обратного хода и катушки 7.9 обмотки прямого хода включены между собой согласно, а обмотки прямого и обратного хода встречно.

Электромагнитный привод возвратно-поступательного движения работает следующим образом.

В момент времени t_о (фиг.2) в катушку 6 обмотки обратного хода от источника 13 импульсов тока подается импульс тока 19. Так как катушка 9 включена встречно с катушкой 6 и зашунтирована диодом 18, то в ней начинает протекать наведенный ток, экранирующий прохождение нарастающего магнитного потока, создаваемого катушкой 6 через нижние полюса 3 магнитопровода индуктора. Таким образом, суммарный магнитный поток Φ замыкается между якорем 10 и ярмом 1 в основном в области расположения катушек 7 и 8 и частично в области расположения катушки 9.

В момент времени t₁, когда якорь подойдет к катушке 5, источник 12 импульсов тока подключается к катушке 5, а источник 13 импульсов тока отключается от катушки 6. Так как катушки 5 и 6 расположены вплотную друг к другу, то между ними существует сильная взаимоиндуктивная связь и, следовательно, они охвачены общим магнитным потоком. Поскольку энергия магнитного поля скачком измениться не может, то при быстром уменьшении тока 19 в катушке 6 происходит быстрое увеличение тока 20 в катушке 5 на интервале t₁-t₁' так, чтобы магнитный поток за это время не изменился. В момент времени t₁' катушка 6 обесточивается и дальнейшее движение якоря обеспечивается за счет электромагнитной силы, создаваемой катушкой 5.

В момент времени t₂, когда якорь подходит к катушке 4, источник 11 импульсов тока подключается к катушке 4, а источник 12 импульсов тока отключается от катушки 5. Так как катушки 4 и 5 расположены вплотную друг к другу, то между ними существует сильная взаимоиндуктивная связь и они охвачены общим магнитным потоком. Поскольку энергия магнитного поля скачком измениться не может, то при быстром уменьшении тока 20 в катушке 5 происходит быстрое увеличение тока 21 в катушке 4 на интервале t₂-t₂' так, чтобы магнитный поток за это время не изменился. В момент t₂' катушка 5 обесточивается и дальнейшее движение якоря обеспечивается за счет электромагнитной силы, создаваемой катушкой 4. Источник 11 импульсов тока отключается от катушки 4 раньше, чем якорь 10 достигнет верхнего полюса 2. При этом открывается шунтирующий диод 17 и ток 21 замыкается через катушку 4 и диод 17. Дальнейшее движение якоря до крайнего верхнего положения происходит под действием электромагнитной силы, создаваемой катушкой 4.

Для того, чтобы якорь начал двигаться вниз, в момент времени t₄ подается импульс тока 22 в катушку 7 обмотки прямого хода от источника 14 импульсов тока. Так как катушка 4 включена встречно с катушкой 7 и зашунтирована диодом 17, то в ней начинает протекать наведенный ток, экранирующий прохождение нарастающего магнитного потока, создаваемого катушкой 7, через верхние полюса 2 магнитопровода индуктора. При подходе якоря к катушке 8 в момент времени t₅ источник 15 импульсов тока подключается к катушке 8, а источник 14 импульсов тока отключается от катушки 7. За счет сильной взаимоиндуктивной связи между катушками 7 и 8, расположенными в пазу магнитопровода вплотную друг к другу, на интервале t₅-t₅' ток 22 в катушке 7 быстро уменьшается, а ток 23 в катушке 8 быстро возрастает. В момент t₅' ток 22 в катушке 7 равен нулю, а якорь продолжает двигаться вниз под действием электромагнитной силы, создаваемой катушкой 8.

В момент времени t₆, когда якорь подходит к катушке 9, источник 16 импульсов тока подключается к катушке 9, а источник 15 импульсов тока отключается от катушки 8. За счет сильной взаимоиндуктивной связи между катушками 8 и 9, расположенными в пазу магнитопровода вплотную друг к другу, на интервале t₆-t₆' ток 23 быстро уменьшается, а ток 24 быстро возрастает. В момент t₆' ток 23 в катушке 8 равен нулю, а якорь продолжает двигаться вниз под действием электромагнитной силы, создаваемой катушкой 9. Источник 16 импульсов тока отключается от катушки 9 раньше, чем якорь достигнет нижних полюсов 3. При этом открывается шунтирующий диод 18 и ток 24 замыкается через катушку 9 и диод 18. Дальнейшее перемещение якоря до крайнего нижнего положения происходит под действием электромагнитной силы, создаваемой катушкой 9.

Система питания обмоток возбуждения электромагнитного привода возвратно-поступательного движения (фиг.3) работает следующим образом.

В момент времени t_о (фиг.2) подается управляющий импульс на тиристор 33. Он открывается, и конденсатор 27 разряжается на катушку 6, формируя импульс тока 19. За счет наведенной в катушке 9 ЭДС открывается диод 18, и по катушке 9 начинает протекать ток, экранирующий прохождение нарастающего магнитного потока, создаваемого током 19 катушки 6, через нижние полюса магнитопровода индуктора.

В момент времени t₁, когда якорь подходит к катушке 5, подается управляющий импульс на тиристор 32. Он открывается, и в катушке 5 формируется импульс тока 20 за счет разряда на нее конденсатора 26. За счет сильной взаимоиндуктивной связи между катушками 5 и 6 ток 19 быстро спадает до нуля, и тиристор 33 закрывается, а ток 20 быстро возрастает. Наведенная в катушке 6 ЭДС приложена к тиристору 33 в обратном направлении, и он восстанавливает свои запирающие свойства.

В момент времени t₂, когда якорь подходит к катушке 4, подается управляющий импульс на тиристор 31. Он открывается, а в катушке 4 формируется импульс тока 21 за счет разряда на нее конденсатора 25. За счет сильной взаимоиндуктивной связи между катушками 4 и 5 ток 20 быстро спадает до нуля и тиристор 32 закрывается, а ток 21 быстро возрастает. Наведенная в катушке 5 ЭДС приложена к тиристору 32 в обратном направлении, и он восстанавливает свои запирающие свойства. При перезаряде конденсатора 25 током 21 обратной полярности открывается диод 17, ток 21 катушки 4 перехватывается в цепь шунтирующего диода 17, а тиристор 31 закрывается. Работа схемы при движении якоря вниз происходит аналогично. При этом по мере перемещения якоря вниз к конденсаторам 28.30 поочередно через тиристоры 34.36 подключаются катушки 7. 9 обмотки прямого хода.

Таким образом, за время перемещения якоря при его движении вверх при обратном ходе на интервале времени t_o-t₃ ток протекает по катушке 6 лишь на интервале времени t_o-t₁', по катушке 5 на интервале времени t₁-t₂' и по катушке 4 на интервале времени t₂-t₃. Поэтому тепловые потери выделяются в каждой из катушек 4-6 обмотки обратного хода не на всем интервале времени движения якоря вверх (t_o-t₃), а лишь в течение времени протекания тока по соответствующей катушке, которое для каждой из катушек меньше общего времени перемещения якоря.

В прототипе, рассчитанном на тот же ход якоря, что и заявляемое устройство, при движении якоря вверх ток протекает по всей обмотке обратного хода в течение всего времени перемещения якоря вверх. Поэтому тепловые потери выделяются во всей обмотке и на всем интервале времени движения якоря вверх. То же самое происходит и при прямом ходе якоря. Следовательно, в заявляемом устройстве тепловые потери, выделяемые как в обмотке прямого хода, так и в обмотке обратного хода, меньше, чем тепловые потери, выделяемые в соответствующих обмотках прототипа, что приводит к повышению КПД электромагнитного привода, особенно при большом ходе якоря.

Подключение шунтирующих диодов к нижней катушке обмотки прямого хода и к верхней катушке обмотки обратного хода позволяет уменьшить тормозные эффекты, возникающие при выходе конца якоря из области полюсов магнитопровода в начале движения якоря и, следовательно, повысить быстродействие и КПД привода по сравнению с прототипом.

Использование: в электроприводах с двигателем возвратно-поступательного движения. Сущность изобретения заключается в том, что подключение шунтирующих диодов к нижней катушке обмотки прямого хода и к верхней катушке обмотки обратного хода позволяет уменьшить тормозные эффекты, возникающие при выходе конца якоря из области полюсов магнитопровода в начале движения якоря, и следовательно, повысить быстродействие и КПД привода. 3 ил.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ, содержащий индуктор с магнитопроводом и обмотками возбуждения прямого и обратного хода, ферромагнитный якорь и систему питания обмоток возбуждения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и КПД, обмотки прямого и обратного хода расположены в одном пазу магнитопровода индуктора, включены встречно и выполнены по крайней мере из двух катушек, помещенных в пазу непосредственно одна за другой в осевом направлении и включенных между собой согласно, система питания обмоток воздуждения выполнена в виде источников импульсов тока, присоединенных к каждой катушке, крайние катушки обмоток прямого и обратного хода зашунтированы диодами.