ЛИНЕЙНАЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2023 года по МПК H02K41/03 H02K33/16 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам возвратно-поступательного движения, и может быть использовано в составе электрического привода поршневого компрессора.

Известен электротехнический комплекс поршневого компрессора на основе линейной магнитоэлектрической машины, содержащий линейную магнитоэлектрическую машину, состоящую из неподвижного статора в виде броневого сердечника, подвижного якоря и постоянных магнитов якоря, отличающийся тем, что броневой сердечник линейной магнитоэлектрической машины электротехнического комплекса поршневого компрессора выполнен в виде ферромагнитного цилиндра, а подвижный якорь - в форме многогранной призмы, на гранях которого расположены постоянные магниты, постоянные магниты выполнены в количестве m, причем m - четное целое ненулевое число, и выполнены призматической формы, причем постоянные магниты объединены в группы и образуют составной полюс, внутри неподвижного статора расположены две обмотки, причем каждая обмотка выполнена из n катушек, причем n≥1 - целое число, поршневой компрессор, систему управления и программное обеспечение, позволяющее выводить информацию о рабочем режиме работы линейной магнитоэлектрической машины, а также задавать параметры режима работы электротехнического комплекса поршневого компрессора [Пат. №2720882 РФ].

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению (прототипом) является линейная магнитоэлектрическая машина, содержащая неподвижный статор в виде броневого сердечника, подвижный якорь и постоянные магниты якоря, подвижный якорь выполнен призматической формы прямоугольного сечения, на гранях которого расположены постоянные магниты, внутри неподвижного статора расположены две обмотки, причем каждая обмотка выполнена из n катушек, причем n - целое не нулевое число, а постоянные магниты выполнены в количестве m, причем m - четное целое не нулевое число, и выполнены призматической формы, причем постоянные магниты могут быть объединены в группы, образуя составной полюс, линейная магнитоэлектрическая машина может находиться как в двигательном, так и генераторном режиме работы [Пат. №2707559 РФ].

Недостатком приведенной конструкции магнитоэлектрической машины возвратно-поступательного движения является наличие катушек, размещенных на всей протяженности пути перемещения якоря с постоянными магнитами. Проведенные исследования указывают на то, что наличие большего количества обмоток с током не приводит к росту электромагнитного тягового усилия, а с учетом потерь в обмотках снижает общий КПД линейной магнитоэлектрической машины. В связи с этим возникает необходимость дополнительного контроля положения якоря с целью отключения от источника питания обмоток с током, которые находятся вне зоны действия постоянных магнитов.

Технической задачей является повышение надежности, упрощение системы управления, за счет исключения необходимости включения и отключения катушек при движении якоря, уменьшение электрических потерь в обмотке при повышении развиваемого электромагнитного усилия.

Техническая зада решается благодаря тому, что применяется заявленная линейная магнитоэлектрическая машина, которая включает неподвижный статор, выполненного в виде ферромагнитного цилиндра, подвижный якорь, выполненный в форме многогранной призмы, и на гранях которого расположены постоянные магниты и отличается тем, что внутри неподвижного статора расположена одна обмотка, причем обмотка представляет собой две катушки, включенных последовательно и встречно, длина каждого одноименного полюса якоря L_пол превышает длину катушки L_кат на длину хода якоря L_х, кроме этого, обеспечивается возможность конструктивно исключить расстояние между разноименными полюсами якоря.

На фиг. 1. представлены результаты экспериментального исследования статических характеристик развиваемого электромагнитного усилия от тока при различном подключении катушек.

На фиг. 2. представлены результаты экспериментального исследования статических характеристик потребляемой мощности от тока при различном подключении катушек.

На фиг. 3. представлена конструкция предлагаемой линейной магнитоэлектрической машины.

На фиг. 4. представлена конструкция линейной магнитоэлектрической машины, в которой обеспечивается возможность конструктивного исключения расстояния между разноименными полюсами якоря.

С использованием разработанного макетного образца линейной магнитоэлектрической машины получены результаты экспериментального исследования статических характеристик при различном подключении катушек (1 - 4 катушки, 2 - 6 катушек, 3 - 8 катушек) представлены в виде графической зависимости от тока в обмотках на фиг. 1 - электромагнитного усилия, на фиг. 2 - потребляемой мощности линейной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме. Результатами испытаний доказано, что максимальное тяговое электромагнитное усилие, развиваемое линейной магнитоэлектрической машиной, достигается только в том случае, когда одна обмотка представляет собой одну катушку, которая находится в зоне постоянных магнитов (фиг.1). Если обмотка является составной (т.е. состоит из нескольких катушек), то катушки, находящиеся за пределами постоянных магнитов, уменьшают развиваемое тяговое усилие (это объясняется тем, что при подключении катушек, находящихся за пределами полюсов постоянных магнитов создается усилие, направленное в противоположную сторону от полезного усилия в связи с изменением направления магнитного потока, пронизывающего витки катушки). Для того, чтобы избежать уменьшения развиваемого усилия, необходимо производить отключение катушек, находящихся вне зоны действия постоянных магнитов от источника питания. Однако, ввиду большой индуктивности катушки на коммутационных аппаратах (или твердотельных реле) возникают большие коммутационные перенапряжения, что выводит из строя коммутационную аппаратуру. Также на практике для регулирования перемещения поршня компрессора возникает задача обеспечения заданного закона изменения тока в обмотке. Эта задача решается, например, с применением в системе управления преобразователя частоты с открытой программной платформой. В этом случае включение/отключение катушек по мере движения якоря с постоянными магнитами без нарушения закона изменения тока, заданного системой управления является сложной задачей ввиду большой индуктивности катушек. Кроме этого, сокращение числа катушек линейной магнитоэлектрической машины снижает потребляемую двигателем мощность за счет уменьшения потерь на их нагрев.

Поэтому в предлагаемом изобретении используются две включенные последовательно и встречно катушки в обмотке, длина каждого одноименного полюса якоря L_пол превышает длину катушки L_кат на длину хода якоря L_х, кроме этого, обеспечивается возможность конструктивно исключить расстояние между разноименными полюсами якоря. Это повысит надежность системы за счет исключения операции включения и отключения катушек по мере движения якоря, упростит систему управления и уменьшит потери на нагрев обмотки.

Конструкция предлагаемой линейной магнитоэлектрической машины представлена на фиг.3.

Предлагаемая конструкция линейной магнитоэлектрической машины, используемой в качестве привода, содержит неподвижный статор 1 в виде сердечника, цилиндрической формы, внутри статора 1 расположена обмотка 2, состоящая из двух катушек, катушки присоединены друг к другу последовательно и встречно, причем катушки с одной стороны упираются в ограничительные упорные кольца 3, подвижный ферромагнитный якорь 4 изготовлен в виде многогранной призмы, на гранях которого любым способом закреплены m постоянных магнитов 5 любой геометрической формы, m - четное, целое не нулевое число, причем постоянные магниты 5 могут быть объединены в группы, образуя составной полюс, и на каждой грани якоря 4 постоянные магниты обращены к обмоткам одноименными полюсами, таким образом, чтобы общий магнитный поток постоянных магнитов 5 замыкался по статору 1 и якорю 4, между постоянными магнитами 5, образующими одну пару полюсов по отношению к обмотке 2, максимальное расстояние хода якоря 5 определяется в виде разности общей длины одноименного полюса и длины одноименного полюса, находящегося в зоне обмотки 2, одноименный полюс образован несколькими постоянными магнитами, таким образом, длина одноименного полюса L_пол превышает длину катушки L_кат на длину хода якоря L_{х ,} т.е. L_пол=L_кат+ L_х, и на якоре 4 с двух сторон любым способом жестко закреплен шток в виде цилиндрической трубы 6, с двух сторон неподвижного статора 1 закреплены две неферромагнитые крышки 7, в которых установлены подшипники скольжения или качения (на фиг. не показаны), по которым перемещается шток 6 и якорь 4, крышки 7 связаны между собой шпильками 8, обмотка 2, расположенная на неферромагнитой трубе (на фиг. не показана), закрепленной на крышках 7, обмотки 2 подключаются к системе управления (на фиг. не показана), которая получает информацию от датчика перемещения и датчика развиваемого усилия (датчики на фиг. не показаны). Система управления подключается к персональному компьютеру (на фиг. не показано) с установленным программным обеспечением, позволяющему выводить информацию о развиваемом усилии, положении якоря. Кроме этого, программное обеспечение и система управления должны иметь возможность задать для линейного магнитоэлектрического привода рабочие параметры: закон движения штока и обеспечение тягового усилия. В предложенной конструкции линейной магнитоэлектрические машины отсутствуют требования к обеспечению расстояния между разноименными полюсами якоря, в отличие от конструкции линейной магнитоэлектрической машины, указанной в качестве наиболее близкой, что поясняется на фиг. 4. В описанном патенте (Пат. №2707559 РФ) расстояние между разноименными полюсами якоря должно было соответствовать длине хода якоря.

В качестве примера, рассмотрим линейную магнитоэлектрическую машину, имеющую ход якоря 200 мм. Для предлагаемой конструкции линейной магнитоэлектрической машины, количество граней многогранной призмы равно шести, обмоток n=1, количество постоянных магнитов m=96 (восемь рядов по шесть постоянных магнитов, закрепленных с каждой грани ферромагнитного сердечника якоря на гранях одноименными полюсами). Постоянные магниты имеют призматическую форму 50х50х25 мм. Длина одной катушки составляет 200 мм. Катушки в количестве двух штук представляют собой обмотку, которые подключаются к системе управления (на фиг. не показано). Катушки подключены последовательно и встречно. Система управления подает напряжение на обмотку, по обмотке протекает электрический ток, закон изменения которого определяется системой управления. Часть одноименного полюса постоянного магнита находится в зоне действия катушки с током. Магнитное поле катушек, взаимодействуя с полем постоянных магнитов, создает электромагнитное тяговое усилие. Для изменения направления движения якоря система управления изменяет направление тока в обмотке двигателя. Постоянные магниты расположены на гранях якоря шестигранной призмы по восемь на каждой гране, таким образом, что двадцать четыре постоянных магнитов всегда находятся в зоне действия одной катушки, а другие двадцать четыре постоянных магнитов находятся в зоне другой катушки. Таким образом двадцать четыре постоянных магнита одноименного составного полюса находятся вне зоны действия обмотки и в процессе движения будут перемещаться через зону одной катушки, а другие двадцать четыре постоянных магнитов будут перемещаться через зону другой катушки. Все постоянные магниты разделены на две группы по сорок восемь постоянных магнитов, образуя составной полюс. Причем группы постоянных магнитов обращены к обмоткам разными полюсами. Постоянные магниты выполнены призматической формы 50х50х25 мм. Геометрическое сечение каждой катушки 100х28 мм2, при этом каждая катушка имеет сечение 100х28 мм2. Количество витков катушки равно 1200. В соответствии с расчетами, при плотности тока в обмотках 2.6 А/мм2 максимальное электромагнитное усилие, обусловленное взаимодействием постоянных магнитов и обмоток с током, составляет не менее 2 000 Н. В зависимости от технического задания для привода поршневого компрессора конкретного назначения указанные параметры могут быть изменены.

Принцип работы линейной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами и током, протекающим по виткам катушек. При подключении персонального компьютера и задании рабочего режима, система управления (на фиг. не показан) подает напряжение заданной формы, амплитуды и частоты на катушки. Протекающий по катушкам электрический ток, создает электромагнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к возникновению электромагнитной силы, действующей на якорь 5, причем закон изменения электромагнитной силы соответствует закону тока в катушках. Так как постоянные магниты 6 закреплены на подвижном якоре 5, якорь 5 и шток приходит в движение в направлении действия силы, перемещаясь до тех пор, пока постоянные магниты 6, обращенные одним полюсом к обмотке, находятся в зоне ее действия. При изменении направления тока в обмотках происходит изменение направления электромагнитной силы и, как следствие, изменение направления движения якоря 5. В связи с тем, что движущийся якорь 5 присоединен к штоку 7, а шток 7 может быть соединен с поршнем поршневого компрессора (на фиг. не показано), линейная магнитоэлектрическая машина в двигательном режиме представляет собой электромеханический преобразователь, рабочим органом которого является шток поршневого компрессора, а сам цилиндр компрессора рабочей машиной.

Линейная магнитоэлектрическая машина может находиться в генераторном режиме. В этом случае электропитание от устройства управления на обмотку линейной магнитоэлектрической машины не подается, а работу по перемещению якоря выполняет газ рабочей машины, при нагнетании газа в цилиндр компрессора, шток приходит в движение и перемещает связанный с ним якорь линейной магнитоэлектрической машины, при этом постоянные магниты, движущиеся в области катушки, в соответствии с законом электромагнитной индукции, создают в них электродвижущую силу. Электрическая энергия, полученная таким образом, может быть возвращена через устройство управления (на фиг. не показана) в электрическую сеть или накапливаться в аккумуляторной батарее (на фиг. не показано).

Технический результат: использование двух катушек, включенных последовательно и встречно в составе обмотки линейной магнитоэлектрической машины, упрощает технологичность сборки, повышает надежность, а также позволяет упростить систему управления за счет исключения необходимости переключения катушек в процессе движения подвижного якоря. Кроме этого, уменьшение количества катушек в обмотке приведет к уменьшению электрических потерь в обмотках на нагрев. В целом предложенная конструкция линейной магнитоэлектрической машины позволяет увеличить КПД и повысить электромагнитное усилие, обеспечивающее средние и высокие значения давления в поршневых компрессорных ступенях.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам возвратно-поступательного движения, и может быть использовано в составе электрического привода поршневого компрессора. Технический результат – повышение КПД и электромагнитного усилия, обеспечивающего средние и высокие значения давления в поршневых компрессорных ступенях. Линейная магнитоэлектрическая машина включает неподвижный статор, выполненный в виде ферромагнитного цилиндра, подвижный якорь, выполненный в форме многогранной призмы, на гранях которой расположены постоянные магниты. Внутри неподвижного статора расположена одна обмотка, которая представляет собой две катушки, включенные последовательно и встречно. Длина каждого одноименного полюса якоря L_пол превышает длину катушки L_кат на длину хода якоря L_х. При этом обеспечивается возможность конструктивно исключить расстояние между разноименными полюсами якоря. 4 ил.

Линейная магнитоэлектрическая машина, включающая неподвижный статор, выполненный в виде ферромагнитного цилиндра, подвижный якорь, выполненный в форме многогранной призмы, на гранях которой расположены постоянные магниты, отличающаяся тем, что внутри неподвижного статора расположена одна обмотка, причем обмотка представляет собой две катушки, включенные последовательно и встречно, длина каждого одноименного полюса якоря L_пол превышает длину катушки L_кат на длину хода якоря L_х, причем обеспечивается возможность конструктивно исключить расстояние между разноименными полюсами якоря.