СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА Российский патент 2009 года по МПК H01F7/13 H01F7/18 

Область техники

Изобретение относится к области автоматики, а именно к устройствам бесконтактного магнитного подвеса, центрирования и демпфирования вращающихся тел и может быть использовано в различных видах магнитных подшипников для высокоскоростных шпинделей, центрифуг и центробежных измельчителей материалов.

Предшествующий уровень техники

Электромагнит, подключенный к источнику постоянного тока, обладает отрицательной жесткостью тяговой характеристики, т.е. при уменьшении воздушного зазора между его полюсами и якорем сила притяжения якоря увеличивается. Известен способ формирования положительной жесткости тяговой характеристики (ПЖТХ) электромагнита, питаемого постоянным током, в магнитных опорах с системой автоматического регулирования (Журавлев Ю.Н. «Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение». Политехника, СПб, 2003, стр.12-13, рис.1.8 [1]). Согласно данному способу увеличению зазора между полюсами и якорем соответствует увеличение тока в обмотке электромагнита, что достигается благодаря измерению величины зазора и преобразованию ее (данной величины) в управляющий ток обмотки электромагнита. Такой способ является сложным, так как требует применения специального датчика положения якоря (оптического, емкостного или индуктивного типа) и усилителя - формирователя сигнала датчика.

Известен способ формирования ПЖТХ электромагнита, питаемого переменным током, при использовании резонанса LC-контура (стр.11-12, рис.1.7 [1]), согласно которому в обмотку электромагнита с индуктивностью «L» включается конденсатор с емкостью «С», при этом величина емкости подбирается таким образом, чтобы значения тока обмотки электромагнита находились на ниспадающей ветви резонансной кривой. Такой способ не требует датчика положения и специального регулятора. Однако он имеет недостаток, заключающийся в том, что для получения высокой жесткости тяговой характеристики требуется высокая добротность LC-контура, а следовательно, и применение материала магнитопровода с малыми потерями энергии на вихревые токи и перемагничивание. Такие материалы - магнитодиэлектрики (например, ферриты) - имеют невысокую допустимую индукцию, что резко снижает нагрузочную способность электромагнита. Кроме этого, работа электромагнита на переменном токе снижает дополнительно его тягу в два раза по сравнению с работой на постоянном токе.

Известен бездатчиковый способ формирования ПЖТХ электромагнита на постоянном токе (Вышков Ю.Д. и Иванов В. И. «Магнитные опоры в автоматике». - М.: Энергия, 1978, стр.73-74), принятый за прототип, при котором сигнал положения якоря получают с помощью дополнительной обмотки электромагнита, питаемой переменным током по описанному выше резонансному принципу. Переменное напряжение на этой обмотке, пропорциональное смещению якоря, преобразуется благодаря демодуляции в постоянный управляющий ток, магнитный поток от которого суммируется в сердечнике с опорным магнитным потоком основной обмотки. Такой способ-прототип отличается сложностью ввиду использования резонансного контура с дополнительной обмоткой, демодуляции и заградительной фильтрации.

Сущность изобретения

Задача изобретения заключается в упрощении бездатчикового способа формирования ПЖТХ электромагнита на постоянном токе, что позволяет реализовать простые устройства бесконтактного подвеса, центрирования и демпфирования вращающихся ферромагнитных тел.

Эта задача решена благодаря тому, что обмотку электромагнита питают суммой постоянного и переменного напряжений через управляемое сопротивление, на котором переменную составляющую напряжения выпрямляют, фильтруют и подают на управляющий вход этого сопротивления. В качестве суммы постоянного и переменного напряжения может использоваться выходное напряжение силового выпрямителя с пульсацией.

Перечень чертежей

На фиг.1 представлена общая блок-схема включения электромагнита, содержащего сердечник и якорь.

На фиг.2 показана функциональная схема формирования ПЖТХ электромагнита.

На фиг.3 дана принципиальная электрическая схема - как пример простой реализации предложенного способа формирования ПЖТХ электромагнита.

Предложенный способ формирования ПЖТХ электромагнита заключается в следующем. Электромагнит 1 (фиг.1, содержащий якорь 2, сердечник 3 и обмотку 4) питают от источника 5 суммой постоянного напряжения U₁ (источник 7, фиг.2) и переменного напряжения U₂ (источник 8, фиг.2) через управляемое сопротивление 9 (входящее в состав регулятора 6). Переменную составляющую напряжения ΔU₂ на управляемом сопротивлении (выделенную с помощью разделительного фильтра 10, фиг.2) выпрямляют (выпрямитель 11, фиг.2), фильтруют для подавления пульсаций (сглаживающий фильтр 12, фиг.2) и подают на управляющий вход сопротивления 9.

Физическая сущность предложенного способа может быть пояснена математически. При увеличении зазора между сердечником 3 и якорем 2 (фиг.1) индуктивное сопротивление X_L обмотки 4 изменяется в виде:

где X_Lo=ωL_o,

ω - угловая частота источника 8,

L_o - индуктивность обмотки электромагнита при номинальном положении якоря с воздушным зазором δ_O,

Δ_X=ΔX/X_Lo - относительное изменение индуктивности обмотки, соответствующее увеличению воздушного зазора на Δδ.

Так как всегда соблюдаются условия:

где r - активное сопротивление обмотки 4,

R_o - номинальная величина управляемого сопротивления 9, и малая величина:

то приращение переменного тока, протекающего по цепи «обмотка 4 - управляемое сопротивление 9», при смещении якоря будет:

где L_2o - номинальное значение переменного тока.

Приращение переменной составляющей переменного напряжения на сопротивлении 9 будет:

где Δ_R=ΔR/R_o - относительное изменение величины сопротивления 9 при смещении якоря в результате воздействия управляющего напряжения на входе этого сопротивления.

Выражение (5) с учетом уравнения (4) в нормированной форме будет:

где Δ_U2=ΔU₂/U₂ - относительное изменение напряжения на сопротивлении 9.

Относительное изменение сопротивления 9 определяется величиной Δ_U2 и коэффициентом К передачи цепи «выпрямитель 11 - сопротивление 9»:

На основании (6) и (7) находим:

Выражение (8) показывает, что при выработке сигнала смещения якоря Δ_U2 действует внутренняя отрицательная обратная связь в виде члена в знаменателе - Δ_ОΔ_XK, что обусловливает устойчивость формирования ПЖТХ электромагнита по предложенному способу.

Приращение постоянного силового тока в обмотке электромагнита можно определить исходя из выражений (2), (7) и (8) по формуле:

,

где I_1o=U₁/(r+R_o)≈0,5U₁/R_o,

из которой следует, что при заданных значениях Δ_O и Δ_Х и увеличении коэффициента передачи (усиления), K, приращение силового тока стремится к величине номинального опорного тока I_1o обмотки электромагнита.

Практическая реализация предложенного способа представлена принципиальной электрической схемой на фиг.3. Обмотка 4 электромагнита запитывается от силового выпрямителя в виде моста с диодами 13-16. Величина пульсаций (переменного напряжения U₂) задается емкостью конденсатора 17 (сглаживающего фильтра выпрямителя). В качестве управляемого сопротивления 9 используется транзистор. Роль разделительного фильтра 10 выполняет конденсатор 18, одновременно входящий в состав выпрямителя 11 (с удвоением напряжения на диодах 19 и 20). Выходное напряжение сглаживается фильтром 12, содержащим резистор 21 и конденсаторы 22 и 23, и подается на базу транзистора (в качестве управляемого сопротивления могут быть использованы и другие элементы в различных компоновках: полевые транзисторы, составные транзисторы, оптроны и т.п.). Для динамической устойчивости - демпфирования (например, при работе в вакууме) - в цепь «выпрямитель 11 - база транзистора» могут быть включены дифференцирующая и интегрирующая RC-цепи для образования ПИД-регулятора.

Предложенный способ формирования ПЖТХ электромагнита на постоянном токе позволяет реализовать весьма простые и дешевые (доступные для большого класса промышленных и бытовых изделий) магнитные подвесы-подшипники и центрирующие демпфирующие устройства для вращающихся тел.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах бесконтактного магнитного подвеса, центрирования и демпфирования вращающихся тел, в различных видах магнитных подшипников для высокоскоростных шпинделей, центрифуг и центробежных измельчителей материалов. Техническим результатом является упрощение бездатчикового способа формирования положительной жесткости тяговой характеристики. В способе формирования положительной жесткости тяговой характеристики электромагнита электромагнит питают суммой постоянного и переменного напряжений через управляемое сопротивление, на котором переменную составляющую напряжения выпрямляют, фильтруют и подают на управляющий вход этого сопротивления. В качестве суммы постоянного и переменного напряжений используют выходное напряжение силового выпрямителя с пульсацией. Способ позволяет реализовать простые (доступные для большого класса промышленных и бытовых изделий) магнитные подвесы-подшипники. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования положительной жесткости тяговой характеристики (ПЖТХ) электромагнита, основанный на регулировании тока в зависимости от зазора между полюсами и якорем, отличающийся тем, что обмотку электромагнита питают суммой постоянного и переменного напряжений через управляемое сопротивление, на котором переменную составляющую напряжения выпрямляют, фильтруют и подают на управляющий вход этого сопротивления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве суммы постоянного и переменного напряжений используют выходное напряжение силового выпрямителя с пульсацией.