RU2024166C1

RU2024166C1 - Linear electric drive

Info

Publication number: RU2024166C1
Authority: RU
Inventors: Б.И. Петленко; В.В. Хватов
Original assignee: Московский государственный автомобильно-дорожный институт (Технический университет)
Priority date: 1991-04-10
Filing date: 1991-04-10
Publication date: 1994-11-30

Abstract

FIELD: robotics. SUBSTANCE: linear electric drive has inductor, secondary element and control winding, control layer made in form of hollow dielectric shell filled with magnetic liquid. Control layer and control winding embracing the layer are arranged partially outside working zone of inductor. With electric drive operating, part of magnetic flux of inductor interacts with secondary element building up traction effort. Part of flux is shunted by magnetic liquid in shell and is not involved in building up traction effort. Level of magnetic liquid can be changed under action of magnetic field induced by control winding current. Such design of control layer provides complete utilization of installed power of inductor and widening of traction effort adjustment range. EFFECT: enlarged operating capabilities. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании приводов транспортно-согласующих и робототехнических устройств поступательного перемещения. The invention relates to electrical engineering and can be used to create drives transport-matching and robotic translational devices.

Известен линейный электропривод, содержащий индуктор с магнитопроводом, многофазными обмотками подмагничивания, а также подвижный элемент [1]. Known linear electric drive containing an inductor with a magnetic circuit, multiphase magnetization windings, as well as a movable element [1].

Известен также линейный электропривод, принятый в качестве прототипа, содержащий индуктор, вторичный элемент и расположенный между ними ферромагнитный слой управления, подмагничиваемый обмоткой управления [2]. A linear electric drive adopted as a prototype is also known, containing an inductor, a secondary element and a ferromagnetic control layer located between them, magnetized by the control winding [2].

Недостатком известных линейных электроприводов, в том числе и прототипа, является неполное использование установленной мощности индуктора при наибольшем развиваемом усилии и узкий диапазон регулирования тягового усилия. Это обусловлено тем, что ферромагнитный слой управления даже при максимальном насыщении, когда электропривод развивает наибольшее тяговое усилие, шунтирует часть магнитного потока индуктора. Поэтому реально достижимые рабочий поток взаимоиндукции, тяговое усилие и мощность электропривода всегда остаются меньше своих значений, обеспечиваемых приводом при отсутствии ферромагнитного слоя управления. A disadvantage of the known linear electric drives, including the prototype, is the incomplete use of the installed power of the inductor with the greatest developed effort and a narrow range of traction control. This is due to the fact that the ferromagnetic control layer, even at maximum saturation, when the electric drive develops the greatest traction, shunts part of the magnetic flux of the inductor. Therefore, the achievable mutual induction flow, traction and electric drive power always remain less than their values provided by the drive in the absence of a ferromagnetic control layer.

Целью изобретения является обеспечение полного использования установленной мощности индуктора и расширение диапазона регулирования тягового усилия. The aim of the invention is to ensure full use of the installed power of the inductor and the expansion of the range of regulation of traction.

Цель достигается тем, что в известном лнейном электроприводе, содержащем индуктор, вторичный элемент, слой управления между ними с обмоткой управления, слой управления выполнен полым из диэлектрика, внутренняя полость которого заполнена магнитной жидкостью, и установлен вертикально в рабочей зоне индуктора, при этом часть слоя управления и обмотка управления размещены вне рабочей зоны индуктора. The goal is achieved in that in the known linear drive containing an inductor, a secondary element, a control layer between them with a control winding, the control layer is hollow of a dielectric, the inner cavity of which is filled with magnetic fluid, and is installed vertically in the working zone of the inductor, while part of the layer control and control winding are located outside the working area of the inductor.

Кроме этого согласно другому варианту изобретения известный электропривод снабжен упругой оболокой, а обмотка управления выполнена с подвижным сердечником, при этом внутренняя полость слоя управления сообщена вне рабочей зоны индуктора с полостью упругой оболочки, которая с противоположной стороны жестко связана с подвижным сердечником обмотки управления с возможностью деформирования в направлении перемещения сердечника. In addition, according to another embodiment of the invention, the known electric drive is provided with an elastic shell, and the control winding is made with a movable core, while the internal cavity of the control layer is communicated outside the working zone of the inductor with a cavity of the elastic shell, which on the opposite side is rigidly connected with the movable core of the control winding with the possibility of deformation in the direction of movement of the core.

Предлагаемый электропривод отличается от прототипа, следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". The proposed electric drive differs from the prototype, therefore, the claimed device meets the criteria of the invention of "novelty."

При проведении поиска существенных признаков, отличающих заявляемое устройство от прототипа, не обнаружено источников патентной и научно-технической информации, свидетельствующих об их известности, следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "существенные отличия". When conducting a search for the essential features that distinguish the claimed device from the prototype, no sources of patent and scientific and technical information were found that indicate their fame, therefore, the claimed device meets the criteria of the invention "significant differences".

На фиг.1 приведен пример его конкретного выполнения; на фиг.2 представлен другой вариант выполнения линейного электропривода; на фиг.3 показаны формируемые механические характеристики электропривода: V = f(F), где V - скорость перемещения вторичного элемента; F - развиваемое тяговое усилие. Figure 1 shows an example of its specific implementation; figure 2 presents another embodiment of a linear electric drive; figure 3 shows the generated mechanical characteristics of the electric drive: V = f (F), where V is the speed of movement of the secondary element; F - developed tractive effort.

На фиг.1 и 2 использованы следующие обозначения: Ф_р - рабочий магнитный поток взаимоиндукции; Ф_ш - поток, шунтируемый слоем управления; a, b и с - положения уровня магнитной жидкости во внутренней полости слоя управления.In figures 1 and 2, the following notation is used: Ф _р - working magnetic flux of mutual induction; F _W - flow shunted by the control layer; a, b and c are the positions of the level of the magnetic fluid in the internal cavity of the control layer.

Линейный электропривод (см. фиг. 1) содержит индуктор 1, вторичный элемент 2 и обмотку 3 управления. Слой управления (на чертеже не обозначен) выполнен полым из диэлектрика в виде оболочки 4, во внутреннюю полость которой введена магнитная жидкость 5. Часть слоя управления и охватывающая его обмотка 3 управления размещены вне рабочей зоны индуктора 1. Согласно другому варианту (см. фиг. 2) внутрення полость слоя управления, иначе - часть полой оболочки 4, вне рабочей зоны индуктора 1 сообщена с внутренней полостью упругой деформируемой оболочки 6, которая с противоположной стороны жестко связана с подвижным сердечником 7 обмотки 3 управления с возможностью деформирования в направлении перемещения сердечника 7. The linear electric drive (see Fig. 1) contains an inductor 1, a secondary element 2 and a control winding 3. The control layer (not shown in the drawing) is made hollow of a dielectric in the form of a sheath 4, in which magnetic fluid 5 is introduced into the inner cavity. A part of the control layer and the control winding 3 surrounding it are located outside the working zone of inductor 1. According to another embodiment (see FIG. 2) the internal cavity of the control layer, otherwise, part of the hollow shell 4, outside the working zone of the inductor 1 is in communication with the inner cavity of the elastic deformable shell 6, which on the opposite side is rigidly connected with the movable core 7 of the control winding 3 with POSSIBILITY deformation in the direction of movement of the core 7.

Работе линейного асинхронного электропривода с максимальным тяговым усилием F = F_max соответствует механическая характеристика 8 (см. фиг.3), которая лежит правее предельной механической характеристики 9 по прототипу. Режим работы с нулевым тяговым усилием F = 0 представлен механической характеристикой 10, а промежуточная механическая характеристика 11 соответствует режиму работы привода с тяговым усилием 0 < F < F_max.The work of a linear asynchronous electric drive with a maximum traction force F = F _max corresponds to the mechanical characteristic 8 (see figure 3), which lies to the right of the limit mechanical characteristic 9 of the prototype. The operating mode with zero traction force F = 0 is represented by the mechanical characteristic 10, and the intermediate mechanical characteristic 11 corresponds to the operating mode of the drive with a traction force 0 <F <F _max .

Линейный электропривод работает следующим образом. При подключении индуктора 1 к питающей сети образуется магнитный поток Ф_и индуктора (на фиг.1 не показан), часть которого - рабочий поток взаимоиндукции Ф_р - взаимодействует с вторичным элементом 2 и создает тяговое усилие F в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа. Другая часть потока Ф_шиндуктора 1 шунтируется магнитной жидкостью 5 в оболочке 4 и не создает тягового усилия. Значение тягового усилия F электропривода от соотношения двух потоков Ф_р и Ф_ш, которые изменяются в зависимости от уровня, а следовательно, магнитной жидкости 5, определяемого значением тока в обмотке 3 управления. При этом изменение уровня магнитной жидкости 5 обеспечивается непосредственным воздействием на нее магнитного поля тока обмотки 3 управления (см. Ольховский А. Н. и др. Магнитные жидкости в средствах измерения теплоэнергетических величин измерения, контроль, автоматизация. /Информ. прибор, 1989, N 4, с. 43-49/).Linear electric drive operates as follows. When the inductor 1 is connected to the supply network, a magnetic flux Ф _and an inductor (not shown in Fig. 1) is formed, part of which, the mutual induction flux Ф _р , interacts with the secondary element 2 and creates a traction force F in the direction perpendicular to the plane of the drawing. The other part of the flux Ф _{ш of the} inductor 1 is shunted by magnetic fluid 5 in the shell 4 and does not create traction. The value of the traction force F of the electric drive from the ratio of the two flows F _r and F _W , which vary depending on the level, and therefore, the magnetic fluid 5, determined by the current value in the control winding 3. In this case, a change in the level of magnetic fluid 5 is ensured by the direct influence of the magnetic field of the current of the control winding 3 on it (see Olkhovsky A.N. et al. Magnetic fluids in measuring instruments for heat and power measurement values, control, automation. / Inform. Instrument, 1989, N 4, pp. 43-49 /).

В результате этого воздействия магнитная жидкость втягивается в обмотку 3 управления и ее уровень в оболочке 4 между индуктором 1 и вторичным элементом 2 изменяется. При отсутствии тока в обмотке 3 управления уровень магнитной жидкости в оболочке 4 максимальный и соответствует положению b на фиг. 1. В этом случае слой магнитной жидкости 5 полностью шунтирует магнитный поток Ф_и индуктора 1, а рабочий поток взаимоиндукции Ф_р равен 0 (Ф_ш= Ф_и). В соответствии с этим электропривод не развивает тягового усилия (F = 0) и формируется механическая характеристика 10 (фиг.3).As a result of this action, the magnetic fluid is drawn into the control winding 3 and its level in the shell 4 between the inductor 1 and the secondary element 2 changes. In the absence of current in the control winding 3, the level of magnetic fluid in the shell 4 is maximum and corresponds to position b in FIG. 1. In this case, the layer of magnetic fluid 5 completely shunts the magnetic flux Ф _and inductor 1, and the working flux of mutual induction Ф _р is 0 (Ф _ш = Ф _и ). In accordance with this, the electric drive does not develop traction (F = 0) and the mechanical characteristic 10 is formed (Fig. 3).

При наибольшем токе в обмотке 3 управления магнитная жидкость максимально втянута в оболочку 3, в результате чего ее уровень в оболочке 4 соответствует положению а, т.е. по существу в рабочей зоне индуктора 1 магнитная жидкость 5 отсутствует. При этом весь магнитный поток Ф_и индуктора является рабочим Ф_р, а поток Ф_ш = 0. Электропривод развивает максимальное для данного индуктора тяговое усилие F = F_max, значение которого больше наивысшего достижимого у прототипа значения F_max', так как у последнего поток Ф_ш≠ 0. Для линейного асинхронного привода формируется механическая характеристика 8 (фиг.3), которая лежит правее предельной механической характеристики 9, соответствующей прототипу.At the highest current in the control winding 3, the magnetic fluid is maximally drawn into the shell 3, as a result of which its level in the shell 4 corresponds to position a, i.e. essentially in the working area of the inductor 1, the magnetic fluid 5 is absent. Moreover, the entire magnetic flux Ф _{and the} inductor is the working Ф _р , and the flux Ф _ш = 0. The electric drive develops the maximum traction force F = F _max for this inductor, the value of which is greater than the highest attainable value of the prototype F _max ', since the latter has the flux Ф _ш ≠ 0. For a linear asynchronous drive, a mechanical characteristic 8 is formed (Fig. 3), which lies to the right of the limiting mechanical characteristic 9 corresponding to the prototype.

При промежуточных значениях тока управления в обмотке 3 уровень магнитной жидкости 5 соответствует положению с, находящемуся между положениями а и b, имеются рабочий поток Ф_р и шунтируемый Ф_ш (Ф_р≠0, Ф_ш≠0). Привод развивает тяговое усилие 0 < F < F_max, определяемое соотношением Ф_р и Ф_ш, а его механическая характеристика 11 занимает промежуточное положение между характеристиками 8 и 10 (см. фиг.3). Таким образом, регулируя величину тока в обмотке 3 управления, можно установить любой уровень магнитной жидкости 5 между положениями а и b на фиг.1 и получить любые тяговые усилия F и механическую характеристику V = f(F) в интервале между характеристиками 8 и 9.At intermediate values of the control current in the winding 3, the level of the magnetic fluid 5 corresponds to the position c located between positions a and b, there is a working flow Ф _р and shunted Ф _ш (Ф _р ≠ 0, Ф _ш ≠ 0). The drive develops traction 0 <F <F _max , determined by the ratio of F _p and F _W , and its mechanical characteristic 11 occupies an intermediate position between characteristics 8 and 10 (see figure 3). Thus, by adjusting the current in the control winding 3, you can set any level of magnetic fluid 5 between positions a and b in figure 1 and get any traction forces F and mechanical characteristic V = f (F) in the interval between characteristics 8 and 9.

Таким образом, при уровне магнитной жидкости 5, соответствующем положению а (фиг.1), реализуется наибольшее возможное для данного индуктора и зазора между индуктором 1 и вторичным элементом 2 тяговое усилие F и формируется предельная механическая характеристика 8, лежащая правее наибольшей достижимой для прототипа характеристики 9. Поэтому диапазон регулирования тягового усилия заявляемого линейного электропривода, соответствующий области между характеристиками 8 и 10, больше диапазона регулирования тягового усилия в прототипе (заштрихованная область на фиг.3). Соответственно, при работе линейного электропривода на характеристике 8 реализуется полная установленная мощность индуктора, таким образом, расширяется также диапазон использования установленной мощности. Thus, at the level of magnetic fluid 5 corresponding to position a (Fig. 1), the greatest traction force F is possible for a given inductor and the gap between the inductor 1 and the secondary element 2, and the ultimate mechanical characteristic 8 is formed, which lies to the right of the maximum achievable characteristic for the prototype 9. Therefore, the range of traction control of the inventive linear electric drive, corresponding to the region between characteristics 8 and 10, is greater than the range of traction control in the prototype (bars 3). Accordingly, when the linear electric drive is operating on characteristic 8, the full installed power of the inductor is realized, thus, the range of use of the installed power is also expanded.

При выполнении электропривода согласно второму варианту (фиг.2) изменение положения уровня магнитной жидкости 5 обеспечивается также благодаря изменению тока в обмотке 3 управления. При отсутствии тока в обмотке 3 управления сердечник 7 под действием сил упругости деформируемой оболочки 6 занимает крайнее правое положение. Внутренний объем оболочки 6 при этом максимален, а положение уровня магнитной жидкости 5 минимален и соответствует положению а. В рабочей зоне индуктора 1 отсутствует магнитная жидкость, поэтому магнитный поток индуктора 1 Ф_и является рабочим Ф_р, а поток Ф_ш = 0. Электропривод в этом случае развивает максимальное для данного индуктора тяговое усилие F = F_max. Для электропривода формируется механическая характеристика 8.When performing the electric drive according to the second embodiment (FIG. 2), a change in the position of the level of the magnetic fluid 5 is also ensured by a change in the current in the control winding 3. In the absence of current in the control winding 3, the core 7 under the action of the elastic forces of the deformable shell 6 occupies the extreme right position. In this case, the internal volume of the shell 6 is maximum, and the position of the level of magnetic fluid 5 is minimal and corresponds to position a. The working area of the inductor 1, no magnetic fluid, so the magnetic flux of the inductor 1 _and is the working F F _p, and the flow F _w = 0. The actuator in this case develops the maximum for a given inductor pulling force F = F _max. For the electric drive, a mechanical characteristic 8 is formed.

При подаче в обмотке 3 управления наибольшего управляющего тока подвижный сердечник 7 втягивается в обмотку 3, перемещаясь влево на максимальное значение хода, оболочка 6, сжимаясь, уменьшает объем своей внутренней полости до минимального. При этом уровень магнитной жидкости 5 соответствует положению b в полой оболочке 4, т.е. максимальному положению, происходит полное шунтирование магнитного потока Ф_и индуктора 1, а рабочий поток взаимоиндукции равен 0 (Ф_ш = Ф_и). Соответственно электропривод не развивает тягового усилия (F = 0) и формируется механическая характеристика 10. При промежуточных положениях уровня магнитной жидкости работа электропривода происходит аналогично рассмотренному выше варианту. В обоих представленных вариантах электропривода регулирование тягового усилия осуществляют изменением тока в обмотке 3 управления.When applying the largest control current to the control winding 3, the movable core 7 is drawn into the winding 3, moving to the left by the maximum stroke value, the shell 6, compressing, reduces the volume of its internal cavity to the minimum. The level of magnetic fluid 5 corresponds to position b in the hollow shell 4, i.e. to the maximum position, there is a complete shunting of the magnetic flux Ф _and inductor 1, and the working mutual induction flux is 0 (Ф _ш = Ф _и ). Accordingly, the electric drive does not develop traction (F = 0) and a mechanical characteristic 10 is formed. At intermediate positions of the magnetic fluid level, the electric drive operates in the same way as the above option. In both presented variants of the electric drive, traction control is carried out by changing the current in the control winding 3.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что по сравнению с известными устройствами заявляемый электропривод обладает следующими преимуществами: при отсутствии магнитной жидкости в рабочей зоне (зазоре) индуктора реализуется максимальное для данного индуктора и зазора тяговое усилие, т.е. обеспечивается полное использование установленной мощности индуктора, обеспечивается также большой диапазон регулирования тягового усилия. Based on the foregoing, we can conclude that, in comparison with known devices, the claimed electric drive has the following advantages: in the absence of magnetic fluid in the working zone (gap) of the inductor, the maximum traction force for this inductor and gap is realized, i.e. full utilization of the installed power of the inductor is provided, a wide range of traction control is also provided.

Claims

1. A LINEAR ELECTRIC DRIVE containing an inductor, a secondary element, a control layer in the working area between them with a control winding, characterized in that, in order to increase the degree of use of the installed power and extend the range of traction control, the control layer is made in the form of a hollow dielectric sheath, the inner cavity of which is filled with magnetic fluid and has a means of changing its volume in the working area of the inductor, while part of the hollow shell and the control winding are located outside the working area of the inductance ora.

2. The drive according to claim 1, characterized in that the hollow dielectric sheath is made U-shaped, its parallel shelves, one of which is placed in the working area of the inductor, and the other, covered by the control winding, outside the working area, are installed vertically.

3. The drive according to claim 1, characterized in that the hollow dielectric sheath is provided with an elastic sheath, and the control winding is made with a movable core, while the inner cavity of the hollow dielectric sheath is connected outside the working zone of the inductor with the cavity of the elastic sheath, which is rigidly connected on the opposite side with a movable core of the control winding with the possibility of deformation in the direction of movement of the core.