СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК F15B13/44 

Изобретение относится к области автоматики, в частности к силовым системам управления, работающим на газообразном рабочем теле, и может быть использовано при разработке быстродействующих рулевых приводов летательных аппаратов.

Общеизвестен способ снижения потребляемой электрической мощности воздушным распределителем с электромагнитным приводом, состоящий в уменьшении рабочего хода якоря его электромагнита. Очевидность указанного способа основана на анализе зависимости для определения силы, развиваемой электромагнитным устройством [А.В.Гордон и А.Г.Сливинская. Электромагниты постоянного тока. М-Л.: Госэнергоиздат, 1960, стр.192, формула 4-19]:

где F_э - развиваемая сила, кг;

iw - намагничивающая сила, А;

S_n - площадь полюса, см²;

δ - ход якоря, см.

Но в ряде случаев этот способ не приводит к желаемому результату. Рассмотрим, например, известный воздушный распределитель с электромагнитным приводом [И.И.Артоболевский. Механизмы в современной технике, том VII, М.: Наука, 1981, стр.286]. Он состоит из двух сопел, которые выполнены в виде втулок с центральным отверстием и могут через каналы соединяться с рабочими полостями исполнительного механизма. Для перекрытия сопел между ними установлен плунжер, являющийся одновременно якорем втяжного электромагнита. При срабатывании электромагнита распределитель соединяет рабочую полость исполнительного механизма с атмосферой. Перемещение якоря в другую сторону обеспечивается после обесточивания катушки (за счет возвратной пружины). При этом рабочая полость исполнительного механизма соединяется с входной магистралью. Требуемый температурный режим обмотки электромагнита обеспечивается при обдуве внутренней стенки каркаса обмотки воздухом, протекающим по пазам плунжера. Одним из недостатков указанного воздушного распределителя с приводом от электромагнита является то, что его быстродействие, необходимое для обеспечения требуемой динамики рулевого привода летательного аппарата, достигается за счет потребления электромагнитом большой электрической мощности, необходимой для создания электромагнитной силы, достаточной для обеспечения требуемого быстродействия при сжатии возвратной пружины. Для возможности применения рассмотренного воздушного распределителя в рулевом приводе летательного аппарата необходимо снизить потребляемую его электромагнитом электрическую мощность до уровня, располагаемого на борту аппарата. Но если для этой цели в воздушном распределителе уменьшать ход плунжера, то этот способ не приведет к ощутимому уменьшению потребляемой электрической мощности, так как для сохранения регулируемых площадей в дросселях при меньшем ходе плунжера приходится увеличивать диаметр отверстия в дросселе. В результате увеличивается воздушная нагрузка на плунжер и для ее преодоления необходимо снова увеличивать ток электромагнита.

Второй недостаток, ограничивающий применимость распределителя в летательных аппаратах, состоит в его существенных габаритах, что вызвано необходимостью иметь большие сечения магнитопровода, которые позволяли бы пропускать без потерь существенный рабочий магнитный поток, обеспечивающий требуемую электромагнитную силу.

Указанные недостатки устранены в известном способе, выбранном в качестве прототипа (Патент RU №2112149), позволяющем снизить потребляемую электрическую мощность и который реализуется конструкцией воздушного распределителя с электромагнитным приводом (RU Патент №2112149). Способ состоит в том, что при обесточенных обмотках электромагнитного привода якорь, который одновременно выполняет функцию исполнительного элемента распределительного устройства, располагают с помощью пружин, установленных с двух его сторон, на половине рабочего хода якоря, а в процессе функционирования привода возбуждают электромагнитные силы, действующие в соответствии с релейным входным сигналом поочередно с каждой рабочей стороны якоря, и обдувают распределяемым воздухом статор.

Конструкция прототипа, реализующего способ, состоит из двух сопел, электромагнита с катушками, статорами и с подпружиненным якорем, совмещенным с исполнительным элементом распределительного устройства, а также имеет каналы для подвода воздуха к соплам.

Перемещение якоря в обе стороны осуществляется в соответствии с релейным входным сигналом поочередным включением обмоток, расположенных по обе стороны от якоря, что обеспечивает высокое быстродействие распределителя при меньшем потреблении тока. Уменьшение потребляемого тока по сравнению с аналогом объясняется тем, что при функционировании пневмораспределителя сжатие пружин происходит не на всем ходе якоря, а на половинном - при движении из среднего положения на упор, для чего требуются меньшие электромагнитные силы, а значит и токи, их возбуждающие. Кроме того, на участке движения якоря с упора к среднему положению усилия пружин и электромагнитные силы складываются (в аналоге всегда вычитались), что также дает возможность снизить электромагнитную силу (т.е. и ток) без ущерба для быстродействия распределителя. Обдув статора сбрасываемым воздухом осуществляется через щели распределителя, являющиеся каналами для сброса воздуха.

Уменьшение электромагнитной силы позволяет снизить величину рабочего магнитного потока, что, в свою очередь, допускает применить магнитопровод с меньшим сечением, а значит, электромагнитный привод будет иметь меньшие габариты. Кроме того, уменьшению габаритов способствует более интенсивный отбор тепла, выделяемого работающими обмотками, за счет обдува всего статора распределяемым воздухом (в аналоге обдув проводится только внутренней стенки каркаса обмотки).

Это нововведение позволило повысить плотность тока без опасности перегрева обмотки, что также дает возможность уменьшить габариты электромагнита за счет уменьшения размеров обмотки, что подтверждается следующим анализом.

Как известно, в соответствии с законом Джоуля-Ленца количество тепла, выделяемого проводником за единицу времени, определяется зависимостью

Q=i²·R,

где I - ток, протекающий по проводнику,

a R - его сопротивление.

Величина тока может быть представлена как произведение плотности тока j на площадь сечения проводника S:

а сопротивление проводника всей обмотки электромагнита:

где ρ - удельное сопротивление 1 м обмоточного провода,

w - число витков обмотки,

l_cp - средняя длина одного витка обмотки.

В результате можно записать:

Q=ρwl_cp·j²S.

Анализ полученных зависимостей показывает, что при неизменной величине тока уменьшение сечения проводника приводит к увеличению плотности тока с выделением большего количества тепла.

В летательных аппаратах всегда очень остро стоит вопрос под выделение габаритов для размещения функциональных блоков. Поэтому разработчику приходится изыскивать возможности по уменьшению габаритов разрабатываемых блоков. Покажем, что увеличение плотности тока при заданной величине напряжения на борту U и допустимой величине потребляемого тока i, которые определяют потребляемую электрическую мощность электромагнитного привода распределителя, а также при неизменной величине намагничивающей силы iw, необходимой для функционирования электромагнита, позволяет уменьшить габариты обмотки.

Запишем выражения для намагничивающей силы и плотности тока с учетом (1) и (2)

В соответствии с (4) увеличить плотность тока при неизменных U и w можно за счет уменьшения длины среднего витка обмотки l_ср. При этом для сохранения прежних значений тока и намагничивающей силы в соответствии с (3) необходимо соответственно уменьшить площадь сечения проводника, т.е. его диаметр, что в конечном счете уменьшает габариты обмотки. Но увеличение плотности тока, как указывалось выше, приводит к увеличению тепла, выделяемого обмоткой при ее функционировании, и для обеспечения работы обмотки без перегрева необходимо более интенсивно отводить тепло, что и решается в прототипе за счет обдува всего статора.

Для ряда малогабаритных управляемых летательных аппаратов (например ПТУРС) присущи очень жесткие ограничения как по габаритам, так и по потребляемой электрической мощности, предъявляемые к его функциональным блокам. В таких аппаратах применение прототипа при имеющемся уровне потребляемого им тока становится невозможным. Более подробный анализ его конструкции показал, что определенная часть потребляемой электромагнитным приводом электрической мощности необходима для удержания якоря на упоре, когда на него действует давление воздуха со стороны закрытого сопла, под действием которого якорь не должен отрываться от упора. Рассмотренный способ снижения потребляемой мощности электромагнитного привода воздушного распределителя, используемый в прототипе, не в состоянии решить вопрос по снижению указанной части энергопотребления электромагнитом.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение потребляемой электрической мощности быстродействующего воздушного распределителя с электромагнитным приводом при уменьшении габаритов до уровня, позволяющего использовать его без ухудшения быстродействия в малогабаритных летательных аппаратах.

Для решения поставленной задачи предложен способ снижения потребляемой электрической мощности быстродействующего воздушного распределителя с электромагнитным приводом, заключающийся в том, что на якорь, который одновременно служит исполнительным элементом распределительного устройства и который установлен при обесточенных обмотках электромагнитного привода на середине рабочего хода якоря с поджатием с двух его противоположных сторон пружинами, воздействуют электромагнитными силами, которые возбуждают в соответствии с релейным входным сигналом поочередно с каждой рабочей стороны якоря. При этом распределяемым воздухом обдувают статор.

Новым в способе является то, что распределяемым воздухом дополнительно обдувают обмотки катушек электромагнитного привода и создают давлением воздуха равные по величине, но с противоположными знаками силы, действующие на якорь в направлении его перемещения.

При предложенном способе снижения потребляемой электрической мощности равнодействующая сила, действующая на исполнительный элемент распределителя, т.е. на якорь, от распределяемого им воздуха высокого давления, не нагружает якорь и потребляемая приводом электрическая мощность в отличие от прототипа необходима только на создание силы для перемещения массы якоря с требуемым быстродействием. При снижении же потребной электромагнитной силы величины потребных магнитных потоков также снижаются, что дает возможность уменьшить сечения магнитопровода, т.е. габариты привода, а за счет обдува распределяемым воздухом не только статора, но и обмотки электромагнита увеличивается ее теплоотдача, что позволяет увеличить плотность тока и, как было показано выше, уменьшить благодаря этому габариты обмотки.

Для осуществления предложенного способа снижения потребляемой электрической мощности при уменьшении габаритов авторами разработан быстродействующий воздушный распределитель с электромагнитным приводом, содержащий электромагнит с статорами, катушками и подпружиненным якорем, совмещенным с исполнительным элементом распределительного устройства, каналы для подвода воздуха.

Новым по сравнению с прототипом является то, что статоры электромагнитного привода выполнены в виде двух концентрично расположенных цилиндров, соединенных между собой сплошной перемычкой, расположенной в их центральной зоне, торцы наружного цилиндра, высота которого превышает высоту внутреннего цилиндра, закрыты крышками. Между цилиндрами по обе стороны от перемычки расположены катушки с обмотками с зазорами для прохождения воздуха. Внутри цилиндра меньшего диаметра установлен стержень цилиндрической формы, служащий якорем двухстороннего действия. В средней части стержня выполнены две радиальные проточки, а в каждом торце стержня имеются глухие отверстия, в которых установлены пружины с гарантированным диаметральным зазором, упирающиеся в поджатом состоянии в крышки и удерживающие стержень с одинаковыми рабочими зазорами относительно крышек.

В боковых стенках цилиндров по их периметру выполнены два ряда сквозных наклонных отверстий, расположенных симметрично относительно перемычки, соединяющей цилиндры, в которой также имеются сквозные радиальные отверстия, причем отверстия выполнены таким образом, что при нахождении стержня на любом из упоров ряд наклонных отверстий, расположенных на стороне противоположного упора, совместно с отверстиями в перемычке совмещаются с соответствующей проточкой на стержне. При этом цилиндры, стержень и крышки выполнены из электротехнической стали.

Техническое решение поясняется графическим материалом, где на чертеже представлена конструктивная схема предлагаемого пневмораспределителя с электромагнитным приводом.

Объединяющей деталью является статор 1, выполненный в виде двух цилиндров, соединенных в их средней части перемычкой. Внутри статора на каркасах 2 размещены две катушки с обмотками 3, которые расположены с зазорами внутри статора. Статор 1 с двух сторон закрыт крышками 4, которые являются полюсами. Якорь, выполненный в виде стержня 5 при помощи пружин 6, находящихся в глухих отверстиях, расположенных вдоль его оси, установлен с одинаковыми зазорами 7 относительно крышек 4. В перемычке, соединяющей цилиндры магнитопровода, имеются сквозные отверстия 10, выполняющие роль каналов для сброса воздуха в атмосферу. С двух сторон от указанных каналов в стенках цилиндров расположены наклонные отверстия 8 и 9, которые являются каналами, соединяющими распределитель с рабочими полостями пневмодвигателя рулевого привода (на чертеже не показан).

В средней части стержня имеются две проточки 11 и 12, предназначенные для поочередного соединения каналов 8 и 9 с каналами сброса воздуха 10.

Функционирует указанный воздушный распределитель следующим образом. При подаче в соответствии с сигналом управления выходного напряжения, например, на левую обмотку стержень перемещается влево до упора в левую крышку. При этом правая проточка 12 на стержне устанавливается под каналами 10 и 9, соединяя правую рабочую полость пневмодвигателя рулевого привода (на чертеже не показан) с атмосферой. При этом воздух, протекающий по каналам, обдувает и статор, и правую обмотку, интенсивно ее охлаждая. При перемене знака сигнала управления напряжение снимается с левой обмотки и одновременно подается на правую обмотку. Под усилием сжатой левой пружины и электромагнитной силы, возбужденной правой обмоткой, стержень перемещается вправо до упора в правую крышку. При этом левая проточка 11 на стержне устанавливается под каналами 8 и 10, соединяя левую рабочую полость пневмодвигателя (на чертеже не показан) с атмосферой, и воздух обдувает помимо статора левую обмотку.

Проточки в стержне имеют боковые стенки одинаковой высоты, а значит и площади, благодаря чему давление распределяемого воздуха на стенки проточки создают одинаковые усилия, направленные в противоположные стороны, не нагружая стержень.

Способ и устройство предназначены для систем управления, работающих на газообразном рабочем теле. Способ осуществляют следующим образом. При обесточенных обмотках электромагнитного привода якорь устанавливают на половине его рабочего хода, а в процессе функционирования привода возбуждают поочередно с каждой стороны якоря электромагнитные силы. При этом давлением распределяемого воздуха обдувают статор и обмотки электромагнитного привода, создают равные по величине и противоположные по знаку силы, действующие на якорь в направлении его перемещения. Распределитель состоит из двух концентрично расположенных цилиндров, соединенных перемычкой в их средней зоне. Между цилиндрами по обе стороны от перемычки расположены с зазорами для прохождения воздуха катушки с обмотками. Внутри цилиндра меньшего диаметра установлен цилиндрической формы стержень, являющийся якорем двустороннего действия, с каждой его стороны выполнены глухие отверстия, в которых установлены пружины, упирающиеся в крышки и удерживающие стержень с одинаковыми по величине зазорами относительно крышек. В стенках цилиндров имеются два ряда наклонных отверстий, симметричных относительно перемычки, соединяющей цилиндры. Технический результат - снижение потребляемой электрической мощности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ снижения потребляемой электрической мощности быстродействующего воздушного распределителя с электромагнитным приводом, заключающийся в том, что на якорь, являющийся одновременно исполнительным элементом распределительного устройства, и который установлен при обесточенных обмотках электромагнитного привода на середине его рабочего хода с поджатием с двух противоположных сторон пружинами, воздействуют электромагнитными силами, возбуждаемыми в соответствии с релейным входным сигналом, поочередно с каждой рабочей стороны якоря, при этом распределяемым воздухом обдувают статор, отличающийся тем, что распределяемым воздухом дополнительно обдувают обмотки катушек электромагнитного привода и создают давлением воздуха равные по величине, но с противоположными знаками силы, действующие на якорь в направлении его перемещения.2. Быстродействующий воздушный распределитель с электромагнитным приводом, содержащий электромагнит с статорами, катушками и подпружиненным якорем, совмещенным с исполнительным элементом распределительного устройства, каналы для подвода воздуха, отличающийся тем, что статоры электромагнитного привода выполнены в виде двух концентрично расположенных цилиндров, соединенных между собой сплошной перемычкой, расположенной в их центральной зоне, торцы наружного цилиндра, высота которого превышает высоту внутреннего цилиндра, закрыты крышками, между цилиндрами по обе стороны от перемычки расположены катушки с обмотками с зазорами для прохождения воздуха, внутри цилиндра меньшего диаметра установлен стержень цилиндрической формы, служащий якорем двухстороннего действия, в средней части стержня выполнены две радиальные проточки, а в каждом торце стержня имеются глухие отверстия, в которых установлены пружины с гарантированным диаметральным зазором, упирающиеся в поджатом состоянии в крышки и удерживающие стержень с одинаковыми рабочими зазорами относительно крышек, в боковых стенках цилиндров по их периметру выполнены два ряда сквозных наклонных отверстий, расположенных симметрично относительно перемычки, соединяющей цилиндры, в которой также имеются сквозные радиальные отверстия, причем отверстия выполнены таким образом, что при нахождении стержня на любом из упоров ряд наклонных отверстий, расположенных на стороне противоположного упора, совместно с отверстиями в перемычке совмещаются с соответствующей проточкой на стержне, при этом цилиндры, стержень и крышки выполнены из электротехнической стали.