ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД С СЕРДЕЧНИКОМ И ЯКОРЕМ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК H02K33/16 

Область техники

Изобретение относится к линейным приводам, по меньшей мере, с одной обмоткой возбуждения для создания переменного магнитного поля, с сердечником с полюсами, на котором расположена обмотка возбуждения и который служит магнитопроводом, с не несущим обмотки ярмом, расположенным напротив сердечника, причем между сердечником и ярмом имеется осевой зазор, и

с якорем, имеющим, по меньшей мере, два расположенных друг за другом в осевом направлении постоянных магнита, намагниченных в противоположных направлениях, причем якорь может совершать колебательное движение вдоль оси под действием магнитного поля, создаваемого в зазоре обмоткой возбуждения.

Уровень техники

Подобный привод известен из патентного документа US 5559378 A.

Соответствующие приводы используются в частности для обеспечения линейного колебательного движения поршней компрессоров. Система, состоящая из такого компрессора и линейного привода, называется поэтому также линейным компрессором (ср., например, JP 2002-031054 A). В соответствующих известных линейных компрессорах их колеблющиеся части рассчитаны на определенную частоту колебаний.

Известный из патентного документа US 5559378 A привод имеет, по меньшей мере, одну обмотку возбуждения, расположенную на Ш-образном сердечнике из листового железа с тремя полюсами. Напротив сердечника расположено ярмо, на котором нет обмотки возбуждения и которое предназначено для уменьшения магнитного сопротивления магнитной цепи. Между сердечником и ярмом имеется щелевидный зазор, в котором магнитное поле с силой, зависящей от направления тока, воздействует на два намагниченных в противоположных направлениях пластинчатых постоянных магнита расположенного в зазоре, подвижного в осевом направлении якоря. Это движение может быть использовано для привода поршня компрессора.

В приводе, известном из документа US-A, крайние полюсные стержни Ш-образного сердечника должны иметь существенно большую протяженность в осевом направлении, чем средний полюсный стержень. Это достигается благодаря тому, что крайние полюсные стержни на стороне, обращенной к якорю, в части, тянущейся параллельно якорю, выполнены с перегибом. Изготовление такого сердечника соответственно обходится дорого Кроме того, это затрудняет размещение обмотки возбуждения в окне между стержнями сердечника.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить такую конструкцию линейного привода с вышеназванными признаками, которая упростит его изготовление.

Первое решение этой задачи согласно изобретению обеспечивается признаками пункта 1 формулы. В соответствии с этим все стержни сердечника должны иметь на своих полюсных поверхностях, обращенных к якорю, одинаковую ширину в осевом направлении, причем расстояние между соседними полюсными стержнями должно быть одинаково, а протяженность каждого магнита в осевом направлении должна быть равна, по меньшей мере, приблизительно сумме ширины полюса и междуполюсного расстояния. При этом должны быть включены отклонения суммы на ±10%.

Преимущества, связанные с такой конструкцией привода, заключаются, главным образом, в простой и дешевой конструкции обмотки возбуждения при одновременном снижении веса магнитопровода.

Предпочтительные конструктивные варианты предлагаемого изобретением линейного привода вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения. При этом в приводе по пункту 1 могут быть дополнительно предусмотрены по отдельности или в сочетании следующие признаки.

Сердечник может иметь в области своих полюсных поверхностей полюсные башмаки, протяженность которых в осевом направлении больше, чем соответствующая протяженность окна между стержнями сердечника для размещения обмотки возбуждения. При этом полюсные башмаки могут прикрепляться к соответствующим стержням сердечника. Такая мера позволит простым способом увеличить окно для обмотки, а значит, увеличить сечение проводов обмотки. Это снизит сопротивление катушки и, следовательно, уменьшит электрические потери.

Другое решение названной задачи согласно изобретению достигается признаками пункта 4 формулы изобретения. В соответствии с этим пунктом линейный привод с перечисленными вначале признаками должен быть выполнен так, чтобы его сердечник и его ярмо образовывали общий магнитопровод с общими крайними стержнями, причем сердечник должен иметь средний стержень, осевая ширина которого на его полюсной поверхности, обращенной к якорю, по меньшей мере, равна осевой протяженности каждого магнита.

Эта другая конструктивная форма отличается меньшей шириной магнита и, значит, меньшим количеством материала постоянного магнита. Следовательно, наряду с экономией материала, соответственно уменьшается движущаяся масса.

Эта конструктивная форма привода может дополнительно обладать еще следующими полезными признаками по отдельности или в сочетании.

Так, осевая ширина среднего стержня сердечника может быть больше, чем ширина крайних стержней, причем осевая ширина крайних стержней сердечника в частности может быть вдвое меньше ширины среднего стержня. С этим связано соответствующее ограничение материала всего магнитопровода.

Кроме того, особенно выгодно, если длина хода якоря во время его колебательного движения будет меньше, чем соответствующая протяженность каждого окна между стержнями сердечника для размещения, по меньшей мере, одной обмотки возбуждения. При этом, в частности, осевая протяженность каждого окна для обмотки может быть равна осевому расстоянию от полюсной поверхности среднего стержня сердечника до крайних стержней. Это обеспечивает удобство монтажа обмотки возбуждения. Кроме того, это исключает возможность соударения якоря во время его колебательного движения с крайними стержнями сердечника.

Предпочтительные модификации обеих конструктивных форм линейного привода, предлагаемого изобретением, могут обладать еще следующими дополнительными признаками по отдельности или в сочетании:

Так, ярмо может иметь стержни, ширина которых соответствует осевой ширине стержней сердечника у полюсных поверхностей. Однако ярмо может также иметь форму пластины или параллелепипеда, т.е не иметь выраженных полюсных стержней.

Особенно предпочтительно, если осевая ширина, по меньшей мере, одного полюса хотя бы приблизительно равна длине хода якоря при его колебательном движении.

Целесообразно, чтобы магниты были выполнены в виде пластин или полос.

Предпочтительно, чтобы якорь привода был жестко соединен с поршнем компрессора.

Прочие предпочтительные модификации предлагаемого изобретением линейного привода вытекают из не упоминавшихся выше зависимых пунктов и чертежей.

Краткий перечень чертежей.

Ниже изобретение описывается подробнее с помощью предпочтительных примеров реализации со ссылками на чертежи.

На чертежах представлены:

на фиг.1 - схематическое перспективное изображение предлагаемого в изобретении линейного привода,

на фиг.2 - один из вариантов исполнения ярма,

на фиг.3 - один из вариантов исполнения сердечника,

на фиг.4 - один из вариантов исполнения сердечника и ярма.

При этом аналогичные части на фигурах обозначены одинаковыми номерами

Осуществление изобретения

В основе изображенного на фиг.1 линейного привода согласно изобретению лежат известные сами по себе конструктивные реализации, предусмотренные для линейного компрессора (см. упомянутый вначале документ US 5559378 A). На перспективном виде на чертеже в основном видны лишь верхняя 2а и нижняя 2b части такого привода, причем эти части расположены по обе стороны осевой плоскости Е. Привод 2 имеет в своей верхней части 2а обмотку 3 возбуждения, которая расположена в окнах 4 между стержнями 5а-5с магнитопроводящего сердечника 5. Этот сердечник 5 может иметь, например, известную Ш-образную форму. В нижней части 2b, с противоположной стороны от плоскости Е расположено магнитопроводящее ярмо 6, также имеющее Ш-образную форму. На нем нет обмотки, так что его стержни 6а-6с, расположенные против стержней 5а-5с сердечника перпендикулярно плоскости Е могут быть значительно короче. В центральном щелевидном зазоре 7 между этими двумя противолежащими частями магнитопровода, то есть между их противолежащими поверхностями F_p полюсов, находится магнитный якорь 8, который может иметь два постоянных магнита 9а и 9b в виде пластин или полос, выполненных из магнитотвердого материала, например из NdFeB. Их перпендикулярная к плоскости Е встречно-параллельная намагниченность М обозначена стрелками. Этот якорь 8 может совершать в переменном магнитном поле обмотки 3 возбуждения колебательные движения в осевом направлении в плоскости Е. Он имеет, по меньшей мере, одну направленную вдоль оси боковую удлиненную часть 10, предпочтительно жестко соединенную с поршнем 11 компрессора V, не изображенного на фигуре более подробно. Этот поршень соответственно повторяет колебательные движения якоря 8 с ходом Н якоря.

Согласно изобретению все стержни 5а-5с и 6а-6с магнитопровода в зоне их полюсных поверхностей должны иметь одинаковую ширину b_j в осевом направлении. При этом ширина b_j может быть выбрана так, чтобы она соответствовала длине хода Н якоря. Кроме того, ширина b_j в осевом направлении и расстояние между соседними полюсами, соответствующее ширине b_w окна обмотки, выбираются так, чтобы сумма b_j+b_w хотя бы приблизительно равнялась осевой протяженности b_pm каждого магнита 9а или 9b. При этом допускается отклонение на ±10% от указанной суммы.

Вместо изображенного на фиг.1 нижнего ярма 6 с короткими стержнями 6а-6с может быть предусмотрено также неструктурированное ярмо 13 в форме плиты или параллелепипеда, как показано на фиг.2.

Изображенный в разрезе на фиг.3 конструктивный вариант линейного привода 15 отличается от изображенного на фиг.1 тем, что в его верхней части 2а на стороне Ш-образного сердечника 16, обращенной к якорю 8, предусмотрены особые полюсные башмаки 17а-17с, ширина которых в осевом направлении b_j соответствует длине хода Н якоря, но в окнах для обмотки, вне зоны поверхности F_p полюсов, он имеет большую протяженность b_w в осевом направлении. Здесь ширина b_j1 отдельных стержней 16а-16с в осевом направлении уменьшена по сравнению с прикрепленными полюсными башмаками 17а-17с и выбрана такой, чтобы сечение магнитопровода было достаточным для прохождения магнитного потока без насыщения железа.

В соответствующем конкретном примере реализации с постоянными магнитами 9а-9b из сплава NdFeB и магнитопроводом 16 и 6 из кремниевого ферросплава выбраны следующие значения.

Предпочтительно при этом соблюдается следующее соотношение:

b_j1≥b_j·[B_r/B_Fe]·(d_pm/d₁).

Кроме того:

Ширина полюсного башмака b_j = длине хода = 20 мм.

Толщина постоянных магнитов d_pm=3 мм.

Воздушный зазор d₁=5 мм.

Остаточная магнитная индукция постоянных магнитов B_r=1,1 Тл.

Плотность магнитного потока в магнитопроводе B_Fe=1,5 Тл.

В примере: ширина стержня сердечника b_j1≥9 мм.

Другой пример реализации линейного привода 18 приведен на фиг.4. Здесь сердечник и ярмо объединены в общий М-образный магнитопровод 20 с общими крайними стержнями 20а и 20с. Ширина b_j2 в осевом направлении его среднего стержня 20b, оставляющего зазор 7 для якоря 8, должна при этом быть больше, предпочтительно вдвое больше соответственной ширины b_j2 крайних стержней 20а и 20с. Здесь также длина хода Н соответствует осевой протяженности b магнитов 9а и 9b, причем предпочтительно ширина b_j2 среднего стержня 20b должна быть больше или равна ширине магнита b_pm. Как следует далее из фиг.4, ширина b_w окна 4 для обмотки больше хода Н якоря. При этом на обоих краях магнитопровода расстояние а между концом якоря 8 при его максимальном отклонении и ближайшим стержнем магнитопровода 20а или 20b должно составлять не меньше половины толщины d_pm магнитов 9а, 9b якоря 8, т.е. должно быть: а≥d_pm/2. На чертеже максимальное отклонение показано пунктирными линиями.

В этом варианте исполнения привода 18 с М-образным магнитопроводом 20 механическая соединительная деталь 10 проходит с обеих сторон крайнего стержня 20с. В соответствующих случаях в этом стержне можно также предусмотреть отверстие для пропуска соединительной детали 10.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в линейном приводе. Технический результат состоит в упрощении изготовления. Привод имеет, по меньшей мере, одну обмотку возбуждения (3) для создания переменного магнитного потока с магнитопроводом, состоящим из сердечника (5) и ярма (6), а также якорь (8) с двумя постоянными магнитами (9а, 9b), приводимый магнитным полем в колебательное движение между частями магнитопровода. Ширина (b_j) стержней (5а-5с, 6а-6с) магнитопровода (5, 6) и расстояния (b_w) между ними должны иметь заданные значения, зависящие от протяженности (b_pm) магнитов (9а, 9b) в осевом направлении. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Линейный привод, по меньшей мере, с одной обмоткой возбуждения для создания переменного магнитного поля, с сердечником с полюсами, на котором расположена обмотка возбуждения, и который служит магнитопроводом, с не несущим обмотки ярмом, расположенным напротив сердечника, причем между сердечником и ярмом имеется осевой зазор, и с якорем, имеющим, по меньшей мере, два расположенных друг за другом в осевом направлении постоянных магнита, намагниченных в противоположных направлениях, причем якорь выполнен с возможностью совершать колебательное движение вдоль оси под действием магнитного поля, создаваемого в зазоре обмоткой возбуждения, отличающийся тем, что все стержни (5а-5с) сердечника (5) имеют на своих полюсных поверхностях (F_p), обращенных к якорю (8), одинаковую ширину (b_j) вдоль оси, причем, расстояние (b_w) между соседними полюсными стержнями должно быть одинаково, а протяженность (b_pm) каждого магнита в осевом направлении должна быть равна, по меньшей мере, приблизительно, сумме ширины (b_j) полюса и междуполюсного расстояния (b_w).

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что сердечник (16) имеет в области своих полюсных поверхностей (F_p) полюсные башмаки (17а-17с), протяженность (b_j) которых в осевом направлении больше, чем соответствующая протяженность (b_w) окна (4) между стержнями сердечника (16а-16с) для размещения обмотки возбуждения (3).

3. Привод по п.2, отличающийся тем, что полюсные башмаки (17а-17с) выполнены с возможностью прикрепления к соответствующим стержням сердечника (16а-16с).

4. Линейный привод, по меньшей мере, с одной обмоткой возбуждения для создания переменного магнитного поля,
с сердечником с полюсами, на котором расположена обмотка возбуждения, и который служит магнитопроводом,
с не несущим обмотки ярмом, расположенным напротив сердечника, причем между сердечником и ярмом имеется осевой зазор, и
с якорем, имеющим, по меньшей мере, два расположенных друг за другом в осевом направлении постоянных магнита, намагниченных в противоположных направлениях, причем, якорь должен совершать колебательное движение вдоль оси под действием магнитного поля, создаваемого в зазоре обмоткой возбуждения, отличающийся тем, что сердечник и его ярмо образуют общий магнитопровод (20) с общими крайними стержнями (20а, 20с), причем сердечник имеет средний стержень (20b), осевая ширина (b_j2) которого на его полюсной поверхности (F_p), обращенной к якорю (8), по меньшей мере, равна осевой протяженности (b_pm) каждого магнита (9а, 9b).

5. Привод по п.4, отличающийся тем, что осевая ширина (b_j2) среднего стержня (20b) сердечника больше, чем ширина крайних стержней (20а, 20с).

6. Привод по п.5, отличающийся тем, что осевая ширина (b_j3) крайних стержней сердечника (20а, 20с) вдвое меньше ширины среднего стержня (20b).

7. Привод по одному из пп.4-6, отличающийся тем, что длина хода (H) якоря (8) во время его колебательного движения меньше, чем соответствующая протяженность (b_w) каждого окна (4) между стержнями сердечника (20а-20с) для размещения, по меньшей мере, одной обмотки возбуждения (3).

8. Привод по п.7, отличающийся тем, что осевая протяженность (b_w) каждого окна (4) для обмотки равна осевому расстоянию от полюсной поверхности (f_p) среднего стержня (20b) сердечника до соответствующих крайних стержней (20а, 20с).

9. Привод по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что ярмо (6) имеет стержни (6а-6с), ширина которых соответствует осевой ширине (b_j) стержней (5а, 5с) сердечника (5, 16) у полюсных поверхностей (F_p).

10. Привод по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что ярмо (13) имеет форму пластины или параллелепипеда.

11. Привод по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что осевая ширина (b_j), по меньшей мере, одного полюса хотя бы приблизительно равна длине хода (H) якоря (8) при его колебательном движении.

12. Привод по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что магниты (9а, 9b) выполнены в виде пластин или полос.

13. Привод по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что якорь (8) привода жестко соединен с поршнем (11) компрессора (V).