ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H02K33/02 H01F7/18 

Предлагаемый электромагнитный двигатель (ЭМД) относится к электротехнике, в частности к электромагнитным двигателям с возвратно-поступательным перемещением исполнительного органа, и может быть использован в роли привода для прессов, насосов и других механизмов.

Уровень техники в данной области характеризуется приведенными ниже сведениями.

Известны электромагнитные двигатели, электродвигатели и электромагниты для реализации линейного перемещения рабочего звена (якоря). Так, вертикальный линейный электродвигатель /Гарницкий В.Н. А.с. СССР N743132, кл. H 02 K 33/02, опубл. 25.06.80 БИ 23/ выполнен как броневой электромагнит со втяжным якорем в виде ферромагнитного цилиндра; для повышения плавности хода между кольцевым полюсом корпуса электромагнита и ферромагнитным цилиндром помещена ферромагнитная вставка в виде втулки с буртиком. Недостатком этого электродвигателя является наличие нерабочего зазора между кольцевым полюсом и ферромагнитным цилиндром (якорем), что снижает силу тяги и экономичность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является "Электромагнитный двигатель с горизонтальной тяговой характеристикой" (Патент РФ N 2089995 кл. H 02 K 33/02, H 01 F 7/16, 10.09.97 бюл. N 25), который содержит цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника, и плоский внешний прямоходовый якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца с усеченно- коническими боковыми поверхностями.

Этому двигателю присущи недостатки - невысокая тяга и отсутствие возможности ее коррекции соответственно особенностям нагрузки, и как следствие низкая экономичность. Невысокая тяга обусловлена использованием плоского прямоходового якоря, который, как следует из фиг. 1 - 4, приведенных в описании прототипа, выполнен как единое целое с ферромагнитным шунтом, и это приводит к резкому подъему тяговой характеристики в конце хода якоря. Для исключения этого подъема в прототипе ограничен ход якоря путем установки немагнитной прокладки 12 фиг. 1 и соответственно не полностью использована энергия магнитного поля.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономичности двигателя путем повышения тяги в рабочем диапазоне хода якоря и обеспечения возможности коррекции тяговой характеристики в процессе эксплуатации соответственно особенностям нагрузки и режима работы.

Решение поставленной задачи достигается тем, что у предлагаемого электромагнитного двигателя, который содержит цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника, и плоский внешний прямоходовый якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца, плоский внешний прямоходовой якорь выполнен немагнитным и введена система управления, которая содержит программируемый блок управления, детектор нулевого напряжения, датчики исходного и контрольного положений якоря, силовой узел с входами управления и клеммами питания и контроля, при этом блок управления снабжен тремя логическими входами, к которым присоединены выходы детектора нулевого напряжения, датчиков исходного и контрольного положений якоря, аналоговыми входами, соединенными с контрольными клеммами силового узла, и управляющими выходами, которые подключены ко входам управления силового узла, а входы детектора нулевого напряжения - к обмотке двигателя.

У предлагаемого двигателя плоский внешний прямоходовой якорь выполнен немагнитным, а для взаимодействия с магнитным полем использован ферромагнитный шунт в виде кольца. Это позволило увеличить тягу в рабочем диапазоне хода якоря за счет использования энергии магнитного поля, которая у прототипа, концентрируясь в плоском якоре, расходовалась на резкое увеличение тяги в конце хода. Введение системы управления обеспечило возможность дозированной подачи тока в обмотку в соответствии особенностям нагрузки и режима работы. Все это дает повышение экономичности и расширяет технологические возможности предлагаемого двигателя.

На фиг. 1 приведен разрез предлагаемого ЭМД, у которого ферромагнитный шунт выполнен с усеченно-коническими боковыми поверхностями.

На фиг. 2 приведен пример исполнения схемы системы управления предлагаемого электромагнитного двигателя с однотактной мостовой схемой с демпфирующими диодами в роли силового узла.

На фиг. 3 приведен вариант исполнения якоря, где для формирования тяговой характеристики использованы кольцевые пазы a1...a7 на внешней и b1... b4 на внутренней боковых поверхностях ферромагнитного шунта.

На фиг. 4 изображены экспериментальные тяговые характеристики предлагаемого ЭМД (I), прототипа (II) и варианта якоря фиг.3 (III).

Предлагаемый двигатель (фиг. 1) содержит выполненный в виде кольца ферромагнитный шунт 1 с усеченноконическими боковыми поверхностями, с которым жестко связан внешний плоский прямоходовой немагнитный якорь 2, а с ним, в свою очередь, жестко связан направляющий стержень 3. Этот стержень выполнен с возможностью осевого перемещения в продольном канале сердечника 4. Сердечник 4, вокруг которого расположена обмотка 5, корпус 6 и фланец 7 образуют статор электромагнитного двигателя. Якорь снабжен возвратной пружиной, не показанной на приводимых фигурах. Система управления (фиг. 2) содержит программируемый блок управления 8 (ПБУ), детектор нулевого напряжения 9 (ДНН), датчик исходного положения якоря 10 (ДИП), датчик контрольного положения якоря 11 (ДКП) и силовой узел с клеммами подвода питания 12 и 13. Блок управления имеет три логических входа 14, 15 и 16, пять аналоговых входов 17, 18, 19, 20 и 21 и управляющие выходы 22 и 23. На фиг.3 силовой узел выполнен в виде однотактной мостовой схемы с четырьмя демпфирующими диодами 24, 25, 26 и 27, двумя транзисторами 28 и 29 в роли силовых ключей, которые установлены в противолежащих плечах мостовой схемы и шунтированы RC-цепочками 30. Обмотка ЭМД 5 присоединена к клеммам контроля 31 и 32 на горизонтальной диагонали мостовой схемы, а вертикальная диагональ шунтирована рекуперативным конденсатором 33 и присоединена к клеммам питания 12 и 13 через прямосмещенный диод 34. Базы транзисторов 28 и 29, к которым присоединены клеммы контроля 35 и 36, являются входами управления силового узла. Клемма контроля 37 присоединена к вертикальной диагонали в точке соединения диода 34 с рекуперативным конденсатором 33. К логическим входам блока управления 16, 15 и 14 присоединены выходы датчиков исходного и контрольного положений и детектора нулевого напряжения. Аналоговые входы 17, 18, 19, 20 и 21 подключены к клеммам контроля 35, 37, 32, 36 и 31, а управляющие выходы 22 и 23 соединены со входами управления силового узла - базами транзисторов 28 и 29. Обмотка 5 с детектором нулевого напряжения 9, входы которого присоединены к выводам обмотки, выполняют функцию датчика останова якоря.

В исходном состоянии плоский прямоходовой немагнитный якорь 2 с ферромагнитным шунтом 1 и направляющим стержнем 3 максимально выдвинут из статора магнитопровода (фиг. 1, позиции 4, 5, 6, 7), что соответствует перемещению якоря по возрастающему участку тяговой характеристики в ее начале (фиг. 4). В процессе снятия тяговой характеристики было установлено, что при подаче напряжения на выводы обмотки 5 через нее протекает ток, и ферромагнитный шунт втягивается в промежуток между корпусом 6 и сердечником 4. Тяга двигателя непостоянна и зависит от положения якоря, и эта зависимость различна для разных форм сечения ферромагнитного шунта 1 и величины отношения высоты (продольного размера) ферромагнитного шунта 1 к длине хода якоря. При этом увеличение магнитного потока (при увеличении введенной в зазор ферромагнитной массы) и уменьшение магнитного сопротивления в рабочих зазорах между ферромагнитным шунтом и сердечником, и между шунтом и корпусом магитопровода приводят к увеличению тяги. При сечении кольца в виде трапеции, у которой меньшее основание обращено к обмотке (фиг. 1), имеет место преимущественно монотонный рост тяги по ходу якоря. При форме сечения кольца в виде трапеции с большим основанием, обращенным к обмотке, у тяговой характеристики имеет место преимущественно подъем в начале хода с последующим спадом. Как и у прототипа, в предлагаемом двигателе четко выражена зависимость формы тяговой характеристики от углов наклона внешней и внутренней поверхностей якоря к плоскости, перпендикулярной оси, но при любой форме сечения кольца имеет место спад тяги в конце хода, если длина хода больше высоты ферромагнитного шунта 1.

Вариант исполнения якоря с цилиндрической формой ферромагнитного шунта (фиг. 4) и кольцевыми пазами на внешней и внутренней поверхностях обеспечивает возможность введения поправок в форму тяговой характеристики во всем диапазоне хода якоря. Так, ряд примыкающих друг к другу пазов a7, a6, a5 на наружной поверхности и b4, b3, b2 на внутренней образуют ступенчатый аналог сечения кольца 1 ферромагнитного шунта в форме трапеции с большим основанием, обращенным к обмотке, а пазы a3, a2, a1 и b2, b1 образуют аналог трапеции с малым основанием, обращенным к обмотке. Вместе они обеспечивают тяговую характеристику с подъемами на краях и спадом в середине хода. Паз малой глубины a4, расположенный между двумя более глубокими пазами a5 и a3, имеет вид ребра. Осевой размер этого ребра выбран таким, чтобы в ребре происходило насыщение проходящим по нему магнитным потоком. Поэтому ребро a4 хотя и повышает тягу в средней части хода якоря, но не создает чрезмерно большой концентрации магнитного поля. Иными словами, изменение расположения, числа и размеров кольцевых пазов дает возможность задания формы тяговой характеристики соответственно особенностям нагрузки.

Представленный вариант программируемого блока управления 8 выполнен на процессоре PIC16C73 фирмы Microchip Technology, который содержит три 8-битных таймера/счетчика с 8-битными программируемыми предварительными делителями (фактически три 16-битных таймера/счетчика событий), 33 индивидуально программируемых линии двунаправленного ввода/вывода и восьмибитный АЦП с восемью входными каналами и схемой выборки-хранения. При этом три линии использованы как логические входы, две - как выходы управления, а входы каналов АЦП подключены к контрольным точкам и использованы для диагностики элементов силового узла. В блоке управления программно реализованы следующие режимы работы:
- непрерывный режим работы с заданной частотой следования рабочих циклов "рабочий ход - возврат в исходное состояние",
- "пачка" из заданного числа рабочих циклов с заданной частотой следования с заданной паузой между пачками,
- отдельные рабочие циклы.

При работе предлагаемого двигателя блок управления 8 обеспечивает формирование управляющих сигналов таким образом, что во время рабочего хода один ключ - транзистор 28 открыт постоянно за счет подачи на его базу 35 с выхода 22 блока 8 импульса напряжения длительностью, равной длительности рабочего хода, а второй - 29 открыт импульсно за счет подачи напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с управляющего выхода 23 на базу 36 транзистора 29, что обеспечивает дозирование величины тока в обмотке 5. Период и длительность импульсов ШИМ заданы блоком управления 8 в результате анализа разности времени между моментом прохода якорем 2 контрольного положения и моментом его останова. При определении этой разности запуск внутреннего таймера процессора происходит при подаче на логический вход 15 сигнала с выхода датчика прохода контрольного положения 11, а останов таймера - при приходе на вход 14 сигнала с выхода датчика останова якоря, функцию которого выполняет детектор нулевого напряжения 9, присоединенный входами к выводам обмотки 5. Место установки датчика контрольного положения 11 выбрано в пределах 0.75 - 0.85 от хода якоря и соответствует линии К на фиг. 4. Момент прохода якорем этого положения соответствует моменту запирания ключей, далее якорь движется по инерции. Начало нового рабочего хода разрешено только при наличии на логическом входе 16 сигнала с выхода датчика 10 о нахождении якоря в исходном положении. Большей нагрузке соответствует более ранний останов якоря и увеличение длительности импульса ШИМ блоком управления для компенсации увеличения нагрузки. Таким образом осуществлено дозирование тока в соответствии с особенностями нагрузки, чем обеспечено повышение экономичности предлагаемого двигателя.

В начале рабочего хода двигателя оба ключа установлены в состояние "Замкнуто". Напряжение питания положительной полярности через клемму 12, диод 34, замкнутый ключ 28 подведено к выводу обмотки 5, который соединен с клеммой 31, а отрицательное напряжение через клемму 13 и замкнутый ключ 29 - ко второму выводу той же обмотки с клеммой 32. Это является причиной возникновения тока в обмотке, создания тяги и втягивания якоря в промежуток между корпусом 6 и сердечником 4. Закрытие ключей приводит к повышению напряжения на выводах обмотки и заряду рекуперативного конденсатора 33 через демпфирующие диоды 24 и 27, за счет кинетической энергии, накопленной в индуктивности обмотки и подвижных частях нагрузки, кинематически связанных с якорем. RC-цепочки 30 способствуют уменьшению мгновенных значений мощности, выделяющейся на транзисторах при переводе их из состояния "Разомкнуто" в состояние "Замкнуто" и особенно из состояния "Замкнуто" в состояние "Разомкнуто". Демпфирующие диоды 24, 25, 26, 27 обеспечивают заряд конденсатора 33 при превышении напряжения на обмотке 5 напряжения между клеммами 37 и 13 независимо от причины превышения и полярности напряжения. Рекуперация возвращает энергию в цепь питания ЭМД, что повышает экономичность предлагаемого двигателя.

Для диагностики элементов силового узла использованы аналоговые входы 17, 18, 19, 20 и 21 блока управления, присоединенные к точкам контроля 31, 32, 35, 36, 37. Контроль исправности каждого элемента сведен к оценке уровней напряжения на клеммах контроля во время рабочего хода. Например, исправному состоянию соответствуют: на клемме 37 всегда наличие напряжения не менее напряжения питания, при открытых ключах 28 и 29 на клемме 32 - не менее 0.9 от напряжения питания, подведенного к клеммам 12 и 13, между клеммами 32 и 35 - (0.4-0.9) В, на клемме 31 - не более 0.1 от напряжения на клемме 37.

Таким образом, поставленная задача - повышение экономичности электромагнитного двигателя - решена путем повышения тяги за счет исполнения якоря немагнитным с ферромагнитным шунтом в виде кольца, и применения системы управления для дозированной подачи тока в обмотку в соответствии с особенностями нагрузки и рекуперации кинетической энергии, запасенной в индуктивности обмотки и подвижных частях нагрузки, кинематически связанных с якорем, выполнена. Кроме того в предполагаемом изобретении дополнительно реализована возможность диагностики элементов силового узла.

Изобретение может быть использовано в роли привода для прессов, насосов и других механизмов. Участок коммуникации запитывают с каждой из двух сторон модулированным электрическим током. В электромагнитном двигателе, который содержит цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника, соединяющего их фланца, обмотку, расположенную вокруг сердечника, и плоский внешний прямоходовой якорь с ферромагнитным шунтом, выполненным в виде кольца, плоский внешний прямоходовой якорь выполнен немагнитным. Система управления содержит программируемый блок управления, детектор нулевого напряжения, датчик исходного и контрольного положений якорями и силовой узел. Технический результат - увеличение силы тяги в рабочем диапазоне хода якоря, повышение экономичности и расширение технологических возможностей двигателя. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Электромагнитный двигатель, содержащий цилиндрический магнитопровод, состоящий из корпуса, сердечника и соединяющего их фланца, а также обмотку, расположенную вокруг сердечника, и внешний плоский прямоходовой якорь с ферромагнитным шунтом в виде кольца, отличающийся тем, что он снабжен системой управления, которая содержит программируемый блок управления, обеспечивающий формирование управляющих сигналов так, что на одном управляющем выходе формируется импульс напряжения длительностью, равной длительности рабочего хода, а на другом - импульсы напряжения с широтно-импульсной модуляцией, период и длительность которых задаются в результате анализа разности времени момента прохода якорем контрольного положения и момента его остановки, детектор нулевого напряжения, выполняющий функцию датчика останова якоря, датчики исходного и контрольного положений якоря, при этом блок управления снабжен тремя логическими входами, к которым присоединены выходы детектора нулевого напряжения, датчиков исходного и контрольного положения якоря, аналоговыми входами, соединенными с контрольными клеммами силового узла, и управляющими выходами, которые подключены к входам управления силового узла, а входы детектора нулевого напряжения - к обмотке двигателя, причем датчик контрольного положения расположен в пределах 0,75 - 0,85 хода якоря, а плоский прямовходовой якорь выполнен немагнитным. 2. Электромагнитный двигатель по п.1, отличающийся тем, что ферромагнитный шунт выполнен в виде цилиндрического кольца с кольцевыми пазами на боковых поверхностях.