ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H02K33/00 H02K33/02 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитному приводу, а точнее к электромагнитным двигателям возвратно-поступательного перемещения.

Во многих электромагнитных устройствах энергия магнитного поля используется для создания электромагнитных сил, вызывающих перемещение подвижных частей и совершающих механическую работу. Такие электромагнитные устройства называются электромагнитными двигателями (ЭМД) и используются они в электромашиностроении и электроаппаратостроении, в основном в качестве приводов.

Изобретение относится к группе ЭМД, имеющих взаимоподвижные магнитные системы индуктора и якоря, в которых электромагнитные силы создаются путем взаимодействия их магнитных полей.

Известен ЭМД, состоящий из неподвижного магнитопровода индуктора с обмоткой, охватывающего расположенный внутри его магнитопровод якоря также с обмоткой, в качестве которой использован короткозамкнутый виток. Якорь установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Магнитопроводы индуктора и якоря образуют магнитную систему ЭМД в виде замкнутой магнитной цепи, которая характеризуется наличием пары постоянных немагнитных зазоров - верхнего и нижнего, расположенных соосно взаимному перемещению индуктора и якоря. Обе обмотки ЭМД размещены между этими зазорами [1].

Наличие в ЭМД короткозамкнутого витка в качестве обмотки позволяет квалифицировать его как индукционно-динамический двигатель, питаемый импульсным или переменным током.

При работе индуктор создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в короткозамкнутом витке якоря ток, создающий магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока в магнитопроводе якоря. В результате большая часть магнитного потока индуктора замыкается в немагнитном объеме между обеими обмотками и на якорь создается давление с равнодействующей силой А (см. фиг.1), направленной в сторону верхнего зазора между магнитопроводами. Аксиальная составляющая Б этой силы создает тяговое усилие для перемещения якоря в сторону увеличения начального смещения обмоток относительно друг друга, что является обязательным условием работы ЭМД - прототипа. Радиальная составляющая В, учитывая конструкцию рассматриваемого двигателя, нейтрализуется.

Недостатком описанного ЭМД является зависимость электромагнитной силы на якоре как от взаимного положения обмоток якоря и индуктора, так и от изменения их взаимоиндукции. Так, действующее на якорь усилие Б определяется током I_и в обмотке индуктора, током I_я в обмотке якоря, углом ϕ между равнодействующей силой А (см. фиг.1) и радиальной составляющей В, а также величиной взаимоиндукции М и описывается выражением
Б=I_иI_яsin(ϕ(x))M(x),
где х - координата перемещения обмотки якоря относительно обмотки индуктора.

При х=0 (радиальное совпадение центров обмоток индуктора и якоря) взаимоиндукция М имеет максимально возможную величину, однако угол ϕ=0 и электромагнитная сила Б равна нулю.

При х, равной более полсуммы длины обмоток индуктора и якоря, т.е. х= а/2+в/2, угол ϕ близок к 90^o, однако взаимоиндукция М стремиться к нулю и электромагнитная сила близка к нулю.

Таким образом, сила Б зависит от взаимного расположения обмоток индуктора и якоря и является величиной переменной, достигая максимума при неком фиксированном значении координаты х. При этом, работая в области этого максимума (х≈а/2), электромагнитная сила Б имеет значение, меньшее почти в 4 раза (ϕ≈45^o М≈0,5М_мах), чем теоретически возможное (ϕ≈90^o, М≈М_мах). Это приводит к тому, что значительно завышаются массогабаритные параметры ЭМД и коэффициент полезного действия (кпд) преобразования энергии не превышает 35%.

Таким образом, целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия преобразования энергии электромагнитного двигателя и снижение его массогабаритных параметров.

Цель, согласно изобретению, достигается за счет того, что ЭМД характеризуется совокупностью магнитопроводов индуктора и якоря, снабженных обмотками и образующих замкнутую магнитную цепь с парой постоянных зазоров, один из которых смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря при этом расположена в зоне этого зазора. Конкретно, указанные отличия реализуются в конструкции ЭМД, где магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого установлена его обмотка, в то время как обмотка якоря смонтирована на поршне с внутренней стороны.

Сущность изобретения состоит в том, что радиальное смещение одного из немагнитных зазоров ЭМД, например верхнего, и размещение обмотки якоря над обмоткой индуктора в зоне смещенного зазора приводит к такому искажению магнитного поля индуктора, что угол ϕ не зависит от взаимного перемещения якоря и индуктора, а зависит только от конструктивного расположения обмотки якоря на его поршне и может иметь значение, близкое к 90^o. При этом взаимоиндукция М обмоток индуктора и якоря имеет максимально возможное значение и слабую зависимость от их взаимного положения за счет изменения длины магнитопровода между ними. Выше приведенные характеристики приводят к значительному увеличению кпд ЭМД и снижению массогабаритных параметров. Значительным преимуществом предлагаемой конструкции является слабая зависимость усилия на якоре от взаимного положения его обмотки и обмотки индуктора, что дает возможность получить на ЭМД значительный рабочий ход.

На фиг.1 схематически изображен ЭМД - прототип.

На фиг.2 дано схематическое изображение ЭМД предлагаемой конструкции.

ЭМД, согласно изобретению, состоит из индуктора, образованного из магнитопровода 1 (см. фиг. 2), выполненного в виде цилиндра, на дне 2 которого закреплена обмотка 3, связанная с источником тока (не показана). Подвижный магнитопровод 4 якоря выполнен в виде поршня, установленного в цилиндре с зазорами 5 и 6, величина которых ограничена в пределах 0,05...1,0 мм и заполнена магнитопроводящей смазкой. Напротив обмотки 3 с нижней стороны поршня смонтирована обмотка 7 якоря, выполненная, например, в виде короткозамкнутого витка.

Работает ЭМД следующим образом.

За счет магнитной связи обмоток индуктора 3 и якоря 7 при изменении магнитного поля в системе с помощью обмотки 3 индуктора в короткозамкнутом витке якоря 7 наводится ток, создающий магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока в магнитопроводе 4 якоря, охваченного этим короткозамкнутым витком 7. В результате большая часть создаваемого индуктором переменного магнитного потока замыкается в немагнитном объеме возле и через обмотку 7 якоря, создавая таким образом магнитное давление на якорь с равнодействующим усилием А (см. фиг.2), перпендикулярным нормали n-n, усреднено определяющей направление вытесненного в немагнитный зазор магнитного потока. Угол ϕ не зависит от взаимного перемещения якоря и индуктора, а зависит только от конструктивного расположения обмотки 7 якоря на его поршне и может иметь значение, близкое к 90^o. При этом взаимоиндукция М обмоток индуктора 3 и якоря 7 имеет максимально возможное значение и слабую зависимость от их взаимного положения за счет изменения длины магнитопроводов 1 и 4 между ними. При использовании в качестве магнитопроводов электротехнических сталей с большими значениями относительной магнитной проницаемости (до 10⁴) изменением взаимоиндукции М от изменения длины магнитопровода можно пренебречь. Таким образом, действующее на якорь усилие Б определяется выражением
Б=I_иI_яM.

Выше приведенные характеристики показывают высокий кпд преобразования электрической энергии в механическую, т.е. кпд предлагаемого ЭМД может быть охарактеризован величинами порядка 85. . .95%, и снижение массогабаритных показателей в 1,5...2 раза. Значительным преимуществом предлагаемой конструкции является слабая зависимость усилия на якоре от взаимного положения его обмотки и обмотки индуктора, что дает возможность получить на ЭМД значительный рабочий ход. Практически увеличивается номенклатура приводов, конструктивную основу которых составляют цилиндр и поршень (гидро- и пневмоцилиндры), еще одним конструктивно родственным приводом, который авторы определили как электромагнитный цилиндр.

Источник информации
1. Авторское свидетельство СССР 686126, кл. Н 02 К 33/02, выдан 15.08.79 - прототип.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромагнитным двигателям. Технический результат изобретения, заключающийся в увеличении кпд и снижении массогабаритных параметров электромагнитного двигателя, достигается путем того, что в электромагнитном двигателе, включающем магнитопроводы индуктора и якоря, снабженные обмотками и образующие замкнутую магнитную цепь с постоянными верхним и нижним зазорами, верхний зазор смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря расположена в зоне смещенного зазора, при этом магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого под поршнем установлена его обмотка, смонтированная напротив обмотки индуктора с внутренней стороны поршня. 2 ил.

Электромагнитный двигатель, включающий магнитопроводы индуктора и якоря, снабженные обмотками и образующие замкнутую магнитную цепь с постоянными верхним и нижним зазорами, отличающийся тем, что верхний зазор смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря расположена в зоне смещенного зазора, при этом магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого под поршнем установлена его обмотка, при этом обмотка якоря смонтирована напротив обмотки индуктора с внутренней стороны поршня.