ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H02K33/12 

\Изобретение относится к области электромеханики, в частности к электрическим двигателям возвратно-поступательного движения (в.п.д.) с обмоткой возбуждения на индукторе и короткозамкнутой обмоткой на якоре. Такого рода двигатели часто в литературе называются индукционно-динамическими двигателями.

Известен электрический двигатель возвратно-поступательного движения индукционно-динамического типа, состоящий из плоского ферромагнитного индуктора с обмоткой возбуждения и якоря с короткозамкнутой обмоткой [1]. Недостатком такого электродвигателя является низкий кпд энергопреобразования, обусловленный значительными потоками рассеяния.

Существенно большим кпд обладает электродвигатель цилиндрической формы с ферромагнитными якорем и индуктором [2]. Однако такой двигатель выполняет работу, определяемую его функциональным назначением, при перемещении якоря лишь в одно крайнее положение, когда электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию движущегося якоря. Перемещение якоря назад (в другое крайнее положение) осуществляется под действием энергии, запасенной в упругих элементах, работа двигателем при этом не выполняется. Это снижает технические возможности и частоту повторения двигателем рабочих циклов.

В [3] (прототип) приведен двигатель, работа которым выполняется при перемещении его якоря как в одну, так и в другую сторону. Двигатель состоит из одной обмотки индуктора и двух обмоток якоря. Индуктор и якорь снабжены цилиндрическими магнитопроводами.

При необходимости переместить якорь двигателя в одну сторону по одной из обмоток индуктора пропускают импульс тока и электромагнитные силы действуют между этой обмоткой и одной из обмоток якоря, когда необходимо якорь двигателя переместить в другую сторону, вновь пропускают через эту же обмотку индуктора импульс тока, но теперь электромагнитные силы действуют между той же обмоткой индуктора, но уже другой, второй обмоткой якоря.

К недостаткам конструкции двигателя следует отнести следующее:

1. Обмотка индуктора, выполняемая многовитковой и с хорошей изоляцией, нагревается током в два раза больше, чем обмотка якоря, выполняемая одновитковой и не требующая специальной изоляции (обмотка индуктора запитывается импульсным током при каждом включении двигателя, а по обмоткам якоря ток протекает поочередно).

Это снижает надежность обмотки индуктора и двигателя в целом.

2. В конструкции двигателя по прототипу отношение числа обмоток индуктора к числу обмоток якоря равно 1/2. Поэтому при перемещении якоря как в одну, так и в другую сторону лишь одна из двух обмоток якоря с ферромагнитным магнитопроводом оказывается активным элементом якоря двигателя, а вторая обмотка с магнитопроводом остаются пассивными элементами, увеличивающими массу якоря. А это снижает кпд и быстродействие двигателя.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение массы якоря двигателя и повышение надежности.

Цель достигается тем, что в предлагаемой конструкции двигатель выполнен с соотношением числа обмоток индуктора к числу обмоток якоря равным 2, обмотка якоря расположена между обмоток индуктора с большим смещением к одной из них, обеспечивающим неодинаковое перекрытие пазов, причем магнитопровод обмотки якоря образует единую магнитную цепь с магнитопроводом одной обмотки индуктора.

На чертеже изображен предлагаемый электродвигатель при верхнем (вид слева) и нижнем (вид справа) крайних (исходных) положениях якоря.

Стопорное устройство 1 двигателя жестко закреплено к индуктору 2, выполненному цилиндрическим ферромагнитным, например шихтованным из электротехнической стали и собранным в корпусе 3. В пазах индуктора расположены обмотки возбуждения 4, 5, расстояние X между которыми, может быть равным и нулю. Внутри индуктора, подвижно относительно его, помещен ферромагнитный якорь 6 с короткозамкнутой обмоткой 7, высота которой h.

Обмотка 7 якоря расположена между обмотками 4 и 5 индуктора, соосно с ними и смещена относительно середины каждой из них на расстоянии у₁ и у₂ соответственно. Причем у₁≠у₂. Таким смещением обмотки 7 относительно обмоток 4 и 5 обеспечивается перекрытие пазов обмотки 7 и одной из обмоток 4 или 5 на величину δ.

Якорь 6 с индуктором связан посредством фланца 8 и перекидного подпружинивающего устройства 9.

Следует отметить, что число обмоток 4 или 5 может быть и больше 2, но кратным 2. Число обмоток 7 якоря всегда в 2 раза меньше, чем обмоток индуктора.

В исходном положении, например, указанном на фиг.1 слева, якорь 6 подпружинивающим устройством 9 поджат к стопорному устройству 1, обмотка 7 якоря смещена относительно обмотки 5 на расстояние y₁, a относительно обмотки 4 на расстояние у₂, причем у₂>у₁. Паз обмотки 7 перекрывает паз обмотки 5 на величину 5. В связи с этим магнитопровод обмотки 7 якоря 6 образует единую магнитную цепь только с магнитопроводом обмотки 5.

При подаче в обмотку 5, смещенную относительно обмотки 7 на расстояние у₁, импульса тока i₁(t)(+) в магнитной системе двигателя возбуждается импульсный магнитный поток Ф(t). В результате хорошей магнитной связи обмоток 5 и 7, магнитопроводы которых образуют единую магнитную цепь, в обмотке 7 индуцируется ток i₂(t)(-) обратной полярности. Ток i₂(t) обуславливает магнитный поток, способствующий замыканию основной части потока Ф(t) через рабочий зазор δ, равный перекрытию пазов обмоток 5 и 7. Взаимодействие двух контуров (5 и 7) с токами i₁(t) и i₂(1) проявляется в действии на якорь 6 импульса силы F=i₂·i₁·dM/dδ, где М - взаимоиндуктивность. Перемещаясь, якорь 6 совершает какую-то механическую работу, определяемую его назначением, а обмотка 7 выходит из зоны взаимодействия с обмоткой 5, запитанной током i₁(t). При этом перекрытие пазов δ обмоток 5 и 7 уменьшается, а перекрытие паза обмотки 7 с обмоткой 4 увеличивается, целостность магнитной цепи, образованной магнитопроводами обмоток 5 и 7, нарушается, а создается магнитная цепь, составленная из того же магнитопровода обмотки 7 и магнитопровода теперь уже обмотки 4. По мере перемещения якоря 6 перекрытия пазов δ, взаимоиндуктивность М, а потому и усилие F между обмотками 5 и 7 уменьшаются до нуля. Обмотку 5 обесточивают. При дальнейшем перемещении якоря под действием инерционных сил или сил предварительно сжатых упругих элементов перекидного подпружинивающего устройства взаимоиндуктивность и перекрытие пазов между обмотками 7 и теперь уже обмотками 4 возрастают до начальных значений М и δ.

В конце рабочего хода якоря практически вся его энергия расходуется на выполнение механической работы, характер которой определяется назначением двигателя, и лишь небольшая часть энергии якоря рассеивается при его соударении со стопорным устройством 1.

После перемещения якоря 6 двигателя на расстояние «а» он поджимается к стопорному устройству 1 перекидным подпружинивающим устройством 9 и удерживается им в нижнем крайнем положении (фиг.1 справа), характеризующимся перекрытием пазов δ обмоток 7 и 4, смещением у₂<у₁ и образованием магнитопроводами этих обмоток единой магнитной цепи.

Для повторного срабатывания двигателя переменным или импульсным током запитывают теперь уже обмотку 4 индуктора, имеющую у₂<у₁. При этом электромагнитные процессы в двигателе повторяются. Отличие будет лишь в том, что теперь якорь будет перемещаться вверх, совершая как и при перемещении вниз, какую-то работу. По перемещении вверх на расстояние «а» якорь 6 двигателя вновь перекидным устройством 9 устанавливается в исходном положении, обеспечивающем перекрытие пазов обмоток 5 и 7 на величину δ, смещение y₂>y₁ и образование магнитопроводами этих обмоток единой магнитной цепи.

Таким образом, в предлагаемой конструкции двигателя одна обмотка индуктора служит для перемещения якоря вниз, а другая - для перемещения якоря вверх. При этом обмотка 7 служит для перемещения якоря как вверх, так и вниз.

На чертеже не показан предмет, воздействуя на который якорь двигателя совершает механическую работу. Характер этой работы может быть самый разнообразный. Это и нанесение механических ударов с целью выполнения технологических операций, привод в действие возвратно-поступательных механизмов и т.д.

Использование конструкции двигателя с соотношением числа обмоток индуктора к числу обмоток якоря равным 2 уменьшает массу якоря по сравнению с прототипом в 2 раза. Объясняется это тем, что длина якоря, а потому и его масса при прочих равных условиях определяется числом обмоток якоря.

Уменьшение массы якоря позволяет увеличить кпд быстродействия и удельную мощность двигателя.

В предлагаемой конструкции двигателя в отличие от прототипа обмотки индуктора, выполняемые многовитковыми с хорошей изоляцией, работают поочередно и при прочих равных условиях нагреваются в 2 раза меньше, что повышает по сравнению с прототипом надежность ее работы. Обмотка якоря, выполняемая короткозамкнутой и одновитковой, не требует специальной изоляции, а потому в 2 раза больший ее нагрев по сравнению с обмоткой индуктора не снизит надежность ее работы.

Предлагаемую конструкцию двигателя предполагается использовать для привода вибратора источника сейсмических волн. Это позволит заменить дорогостоящий и не технологичный в изготовлении привод вибратора на электромеханический.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США № 3585458, кл. 317-156, 1969.

2. Чуркин И.М. Электрический двигатель возвратно-поступательного движения. А.С. № 1012399, бюл. 14, 1983.

3. А.И.Блудов, A.M.Еленкин, В.В.Ивашин. Быстродействующий возвратно-поступательный механизм с электромагнитным ускорением и торможением П.Т.Э. № 4, 1973, стр.241-243.

Электрический двигатель возвратно-поступательного движения состоит из цилиндрической формы ферромагнитного индуктора с обмоткой возбуждения и помещенного внутрь индуктора ферромагнитного подвижного якоря с короткозамкнутой обмоткой. Соотношение числа обмоток индуктора к числу обмоток якоря равно 2. Обмотка якоря расположена между обмоток индуктора с большим смещением к одной из них. Магнитопровод обмотки якоря образует единую магнитную цепь с магнитопроводом одной обмотки индуктора. Такое выполнение электродвигателя обеспечивает уменьшение массы его якоря и повышение надежности. 1 ил.

Электрический двигатель возвратно-поступательного движения, состоящий из цилиндрической формы ферромагнитного индуктора с обмоткой возбуждения и помещенного внутрь индуктора ферромагнитного подвижного якоря с короткозамкнутой обмоткой, отличающийся тем, что двигатель выполнен с отношением числа обмоток индуктора к числу обмоток якоря, равному 2, обмотка якоря расположена между обмоток индуктора с большим смещением к одной из них, магнитопровод обмотки якоря образует единую магнитную цепь с магнитопроводом одной обмотки индуктора.