ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ Российский патент 2001 года по МПК H02K33/00 H01F7/18 H02P8/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования электрической энергии в механическую энергию в двигателях колебательного движения, например, предназначенных для отбойных молотков, прессов или штамповочных агрегатов, в шаговых двигателях и т.д.

Известен преобразователь энергии, содержащий магнитопровод статора с полюсами, ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник питания. В этом преобразователе энергии преобразование энергии происходит при постоянном потокосцеплении, для обеспечения которого источник питания отключается, а выводы обмотки замыкаются между собой накоротко. Такой преобразователь энергии имеет высокие энергетические показатели, но в нем отсутствует автоматическое управление его работой [1].

Наиболее близким по технической сущности заявленному техническому решению является преобразователь энергии, содержащий магнигопровод статора с полюсами, ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник питания, одним выходом соединенный с одним из выводов диода, управляемый ключ, одним выводом соединенный со вторым выходом источника питания, а вторым выводом соединенный со вторым выводом диода, соединенным с одним из выводов обмотки, и датчики положения ротора [2].

Указанный преобразователь энергии имеет низкие энергетические показатели в режиме работы двигателя, так как во время деформации магнитного поля в воздушном зазоре источник питания препятствует диоду осуществлять замыкание обмотки накоротко и обеспечивать преобразование энергии при постоянном потокосцеплении.

Технической задачей изобретения является создание преобразователя энергии, работающего в режиме двигателя с повышенными энергетическими показателями, в частности, с повышенной удельной мощностью.

Задача решается тем, что в преобразователе энергии, содержащем магнитопровод статора с полюсами, ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник питания, одним выходом соединенный с одним из выводов диода, управляемый ключ, одним выводом соединенный со вторым выходом источника питания, а вторым выводом соединенный со вторым выводом диода, соединенным с одним из выводов обмотки, и датчики положения ротора, первый вывод диода дополнительно соединен со вторым выводом обмотки, при этом выход датчика начального положения ротора соединен с первым входом управления управляемого ключа, второй вход управления которого соединен с выходом датчика промежуточного положения ротора.

С целью дополнительного повышения энергетических показателей дополнительно введен накопитель электрической энергии, одним из выводов соединенный с первым выходом источника питания, а вторым выводом соединенный со вторым выводом управляемого ключа, при этом второй вывод управляемого ключа соединен со вторым выводом диода через дополнительный управляемый ключ, первый вывод диода соединен со вторым выводом обмотки через второй дополнительный управляемый ключ и второй вывод обмотки дополнительно соединен со вторым выводом управляемого ключа через дополнительный диод, а выход датчика начального положения ротора соединен дополнительно с первыми входами управления дополнительных управляемых ключей, вторые входы управления которых соединены с выходом датчика конечного положения ротора.

Дополнительно, датчиком начального положения ротора является датчик фазы напряжения, подключенный к источнику питания.

Дополнительно, датчиком промежуточного положения ротора является датчик скорости изменения электрического тока, включенный в цепь обмотки.

Дополнительно, датчиком конечного положения ротора является датчик минимального электрического тока, включенный в цепь обмотки.

Сущность технического решения поясняется следующим.

Благодаря тому, что источник питания по сигналу датчика промежуточного положения ротора отключается от диода во время деформации магнитного поля в воздушных зазорах, и обмотка замыкается накоротко, преобразование энергии происходит при постоянном потокосцеплении, чем и обеспечивается повышение энергетических показателей.

Энергетические показатели дополнительно повышаются введением накопителя электрической энергии, дополнительных управляемых ключей и дополнительного диода. Благодаря этому в положении ротора с минимальным магнитным сопротивлением в воздушном зазоре оставшаяся магнитная энергия в воздушном зазоре и магнигопроводе передается накопителю электрической энергии и используется в последующем цикле работы преобразователя энергии.

Указанные особенности изобретения представляют его отличия от прототипа и обуславливают новизну предложения. Эти отличия являются существенными, поскольку именно они обеспечивают достижение технического результата, отраженного в технической задаче, и отсутствуют в известных технических решениях с тем же эффектом.

На фиг. 1 приведен общий вариант преобразователя энергии; на фиг. 2 - преобразователь энергии с накопителем электрической энергии; на фиг. 3 - преобразователь энергии с датчиком фазы источника питания, датчиком скорости изменения электрического тока и датчиком минимального электрического тока в обмотке.

Преобразователь энергии содержит магнитопровод статора 1 с полюсами 2, ротор 3, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов 2 и отделенный от магнитопровода статора воздушным зазором 4, обмотку 5, расположенную на магнитопроводе статора 1, источник питания 6, диод 8, управляемый ключ 9, датчик начального положения ротора 10 и датчик промежуточного положения ротора 11.

Источник питания 6 одним выходом соединен с выводом диода 8, а управляемый ключ 9 одним выводом соединен со вторым выходом источника питания 6, а вторым выводом - со вторым выводом диода 8. Второй вывод диода 8 соединен с одним из выводов обмотки 5. Первый вывод диода 8 дополнительно соединен со вторым выводом обмотки 5. Выход датчика начального положения ротора 10 соединен с первым входом управления управляемого ключа 9, второй вход управления которого соединен с выходом датчика промежуточного положения ротора 11.

Дополнительно может быть введен накопитель электрической энергии 12, одним из выводов соединенный с первым выходом источника питания 6, а вторым выводом соединенный со вторым выводом управляемого ключа 9, при этом второй вывод управляемого ключа 9 соединен со вторым выводом диода 8 через дополнительный управляемый ключ 14, первый вывод диода 8 соединен со вторым выводом 3 обмотки через второй дополнительный управляемый ключ 13 и второй вывод обмотки 5 дополнительно соединен со вторым выводом управляемого ключа 9 через дополнительный диод 16, а выход датчика начального положения ротора 10 соединен дополнительно с первыми входами управления дополнительных ключей 13 и 14, вторые входы управления которых соединены с выходом датчика конечного положения ротора 17.

При использовании источника питания переменного напряжения функцию датчика начального положения ротора может выполнять датчик фазы напряжения 18, подключенный к источнику питания 6, и устройство приведения ротора в исходное положение 19, состоящее из пружины 20 и упора 21. В качестве устройства приведения ротора в исходное состояние может быть также использован аналогичный преобразователь энергии.

Датчиком промежуточного положения ротора может служить датчик скорости изменения электрического тока 22, включенный в цепь обмотки 5. Такой датчик может состоять из маломощного трансформатора, первичная обмотка которого включена в цепь обмотки 5, а вторичная нагружена на большое активное сопротивление, к которому подключено пороговое устройство.

Для источника питания переменного напряжения функции датчика промежуточного положения ротора может выполнять второй датчик фазы напряжения, подключенный к источнику питания. Величина фазы напряжения, при которой происходит срабатывание такого датчика, устанавливается соответственно максимальному значению электрического тока в обмотке.

Датчиком конечного положения ротора может служить датчик минимального электрического тока 23, включенный в цепь обмотки 5. Такой датчик может быть построен аналогично датчику скорости изменения электрического тока, но с порогом срабатывания, близким к нулю, и, кроме того, отличаться знаком порога срабатывания порогового устройства.

Преобразователь энергии работает следующим образом.

При исходном положении ротора, соответствующем максимальному магнитному сопротивлению в воздушном зазоре 4, на первый вход управления управляемого ключа 9 подается сигнал от датчика начального положения poтоpa 10. В результате этого управляемый ключ 9 открывается и обмотка 5 подключается к источнику питания 6, при этом диод 8 закрыт обратным напряжением источника питания. В обмотке 5 возникает электрический ток, а в воздушном зазоре 4 - магнитное поле, в результате чего на ротор будет действовать электромагнитная сила, которая перемещает ротор из исходного положения. В промежуточном положении ротора по сигналу датчика промежуточного положения poтора 11 ключ 9 закрывается и источник питания 6 отключается от диода 8. В результате этого диод 8 открывается и обмотка 5 через него замыкается накоротко. Теперь ротор перемещается под действием электромагнитной силы почти при постоянном потокосцеплении и совершает полезную механическую работу. При положении ротора, соответствующем минимальному магнитному сопротивлению в воздушном зазоре 4, цикл работы преобразователя энергии завершается. Дальнейшее движение ротора осуществляется аналогичным другим преобразователем энергии, а первый преобразователь может использоваться для движения второго аналогичного ротора, жестко связанного с первым, или ротор возвращается в исходное положение известными методами и цикл работы повторяется.

Преобразователь энергии с накопителем электрической энергии работает следующим образом.

В начальном положении ротора на первый вход управления управляемого ключа 9 и управляемых ключей 13 и 14 подается сигнал от датчика начального положения poторa 10. Ключи 9, 13 и 14 открываются, и обмотка 5 подключается к источнику питания 6 и электрическому конденсатору 12, заряженному в предыдущем цикле работы преобразователя энергии, при этом диоды 8 и 16 закрыты обратным напряжением источника питания 6 и электрического конденсатора 12. Это приводит к возникновению в обмотке 5 электрического тока, а в воздушном зазоре 4 магнитного поля, которое создает электромагнитную силу, перемещающую ротор из начального положения. В промежуточном положении ротора по сигналу от датчика промежуточного положения poтоpa 11 управляемый ключ 9 закроется, и источник питания 6 отключится от диода 8 и электрического конденсатора 12. Когда конденсатор 12 разрядится через открытые ключи 13 и 14, диоды 8 и 16 откроются, и обмотка 5 замкнется накоротко через управляемый ключ 13, диоды 8 и 16 и управляемый ключ 14. Таким образом, как и в предыдущем случае, ротор перемещается под действием электромагнитной силы при почти постоянном потокосцеплении, совершая полезную работу. В положении ротора с минимальным магнитным сопротивлением в воздушном зазоре 4 по сигналу датчика конечного положения ротора 17 ключи 13 и 14 закроются. Электрический ток, вызванный оставшейся магнитной энергией в воздушном зазоре 4 и магнитопроводе через диоды 8 и 16, зарядит конденсатор 12, энергия которого используется при последующем цикле работы преобразователя энергии.

При использовании в качестве датчика начального положения ротора датчика фазы управляемый ключ 9 и управляемые ключи 13 и 14 открываются при заданной фазе волны напряжения источника питания 6, при этом ротор уже находится в исходном положении с максимальным магнитным сопротивлением в воздушном зазоре благодаря действию возвращающего устройства 19.

При использовании в качестве датчика промежуточного положения ротора датчика скорости изменения электрического тока 22 ключ 9 закрывается при достижении максимального тока в цепи обмотки 5.

При использовании в качестве датчика конечного положения ротора датчика минимального электрического тока 23 ключи 13 и 14 закрываются при достижении минимального тока в цепи обмотки 5.

Таким образом, в преобразователе энергии во время деформации магнитного поля в воздушном зазоре обеспечиваются отключение источника питания и замыкание обмотки накоротко по сигналам датчиков положения ротора. Это позволяет производить преобразование энергии при почти постоянном потокосцеплении и повысить тем самым энергетические показатели преобразователя энергия. Энергетические показатели дополнительно повышаются использованием остающейся магнитной энергии при положении ротора с минимальным магнитным сопротивлением в воздушном зазоре в последующем цикле работы.

Источники информации
1. Ряшенцев Н.П., Ряшенцев В.Н. Электромагнитный привод линейных машин. Новосибирск: Наука, 1985, с. 127-130.

2. Патент СССР N 1066469, кл. H 02 K 33/00. Генератор возвратно-поступательного движения (Жак Анри Жарре, Жан Мари Батист Жарре (Франция)). Заявл. 09.06.75., опубл. 07.01.84. (прототип).

Изобретение может быть использовано для преобразования электрической энергии в механическую энергию в двигателях колебательного движения, например, предназначенных для отбойных молотков, прессов или штамповочных агрегатов, в шаговых двигателях и т.д. Преобразователь энергии содержит магнитопровод статора с полюсами, ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов и отделенный от магнитопровода статора воздушным зазором, обмотку, расположенную на магнитопроводе статора, источник питания, диод, управляемый ключ, датчик начального положения ротора и датчик промежуточного положения ротора. По сигналу датчика промежуточного положения ротора источник питания 6 отключается от диода, и обмотка замыкается накоротко. В результате этого преобразование энергии происходит при постоянном потокосцеплении. Технический результат заключается в том, что обеспечивается повышение энергетических показателей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь энергии, содержащий магнитопровод статора с полюсами, ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник питания, одним выходом соединенный с катодом диода, управляемый ключ, катодом соединенный со вторым выходом источника питания, а анодом соединенный с анодом диода, соединенным с одним из выводов обмотки, и датчики положения ротора, отличающийся тем, что катод диода дополнительно соединен со вторым выводом обмотки, при этом выход датчика начального положения ротора соединен с первым входом управления управляемого ключа, второй вход управления которого соединен с выходом датчика промежуточного положения ротора. 2. Преобразователь энергии по п.1, отличающийся тем, что датчиком начального положения ротора является датчик фазы напряжения, подключенный к источнику питания переменного напряжения. 3. Преобразователь энергии по п.2, отличающийся тем, что датчиком промежуточного положения ротора является второй датчик фазы напряжения, подключенный к источнику питания переменного напряжения. 4. Преобразователь энергии по п.1 или 3, отличающийся тем, что датчиком промежуточного положения ротора является датчик скорости изменения электрического тока, включенный в цепь обмотки.