RU2098909C1

RU2098909C1 - Electromechanical drive

Info

Publication number: RU2098909C1
Application number: RU96109989A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Гаврилов
Original assignee: Андрей Александрович Гаврилов
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 1997-12-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; reciprocating drives. SUBSTANCE: magnetoelectric drive has fixed stator in the form of shell-type core accommodating pole shoes and field coil, and moving armature formed by pair of oppositely oriented magnets separated by ferromagnetic insert. Core is made in the form of ring and armature magnets are mounted on rod passed through hole in core ring and mounted within case on two diaphragm-type springs with magnets symmetrically arranged relative to pole shoes of core. EFFECT: minimized loss in magnetic gaps which raises device efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям, в частности, электрическим проводам возвратно-поступательного движения. The invention relates to electromechanical converters, in particular, electrical wires reciprocating.

Известны разнообразные конструкции электрических проводов возвратно-поступательного движения. Такие приводы обычно содержат статор, выполненный в виде одной или нескольких обмоток возбуждения, и подвижный якорь, выполненный в виде ферромагнитного стержня различной конфигурации [1,2] или содержащий также подвижные обмотки [1,3]
Известны также магнито-электрические приводы. Такие приводы обычно содержат статор, выполненный, как и в электромагнитных приводах, в виде одной или нескольких обмоток возбуждения, и подвижный якорь, выполненный в виде одного или нескольких постоянных магнитов в сочетаниях с различными ферромагнитными деталями [4,5] и дополнительными обмотками [4-9] Движение рабочего органа в таких приводах обеспечивается за счет взаимодействия электромагнитного поля обмотки статора и поля постоянного магнита якоря. При этом могут использоваться различные средства концентрации как электромагнитного поля обмотки, так и постоянного магнитного поля якоря [10-12]
Наиболее близким к изобретению является устройство по заявке PCT WO 94/10742 [12]
Устройство-прототип представляет собой линейный двигатель. Он содержит статор в виде пустотелого броневого сердечника в форме прямоугольной трубы из ферромагнитного материала с полюсными наконечниками, образованными смещенными на половину длины якоря прорезями в верхней и нижней стенках трубы. Внутри сердечника-трубы размещена обмотка возбуждения, жестко связанная с подвижным якорем. Последний образован парой встречно ориентированных стержневых постоянных магнитов, разделенных вставкой из ферромагнитного материала. Вставка выполняет роль концентратора поля постоянных магнитов, формируя их объединенный магнитный полюс. Такая конструкция образует эквивалентный трехполюсный магнит, одним из полюсов которого является вставка, а двумя другими, одноименными между собой, оппозитные ей концы стержней постоянных магнитов.A variety of designs of electric wires reciprocating motion are known. Such drives usually contain a stator made in the form of one or several field windings, and a movable armature made in the form of a ferromagnetic rod of various configurations [1,2] or also containing movable windings [1,3]
Magnetoelectric drives are also known. Such drives usually contain a stator, made, as in electromagnetic drives, in the form of one or more field windings, and a movable armature, made in the form of one or more permanent magnets in combination with various ferromagnetic parts [4,5] and additional windings [4 -9] The movement of the working body in such drives is ensured by the interaction of the electromagnetic field of the stator winding and the field of the permanent armature magnet. In this case, various means of concentration of both the electromagnetic field of the winding and the constant magnetic field of the armature can be used [10-12]
Closest to the invention is a device according to PCT application WO 94/10742 [12]
The prototype device is a linear motor. It contains a stator in the form of a hollow armored core in the form of a rectangular pipe made of ferromagnetic material with pole tips formed by slots displaced by half the length of the armature in the upper and lower walls of the pipe. An excitation winding, rigidly connected with a movable armature, is placed inside the core-pipe. The latter is formed by a pair of counter-oriented rod permanent magnets, separated by an insert of ferromagnetic material. The insert acts as a hub of the field of permanent magnets, forming their combined magnetic pole. This design forms an equivalent three-pole magnet, one of the poles of which is an insert, and the other two, of the same name, opposite to it are the ends of the rods of the permanent magnets.

При подаче на обмотку возбуждения переменного напряжения происходит периодическое перемагничивание сердечника. В один из полупериодов действующего напряжения ближайший к упомянутой выше вставке полюсный наконечник, например, расположенный на верхней стенке сердечника-трубы, и сама вставка оказываются имеющими одноименные полюса намагниченности. В результате на вставке, и, следовательно, на якорь будет действовать сила, вызывающая его механическое смещение в сторону от полюсного наконечника, имеющего одноименную со вставкой намагниченность, к полюсному наконечнику с противоположной намагниченностью. Движение якоря в указанном направлении начнется одновременно с первой полуволной питающего напряжения. Частота этого напряжения выбрана такой, чтобы время перемещения якоря между соседними полюсными наконечниками сердечника было бы немного меньше длительности одного полупериода напряжения. В результате за время действия одной полуволны напряжения якорь переместится не только на расстояние между соседними полюсными наконечниками, но, двигаясь по инерции, пройдет точку максимального приближения ферромагнитной вставки якоря к притягивающему ее полюсному наконечнику. В этот момент произойдет смена полярности полуволны питающего напряжения, и полюсной наконечник сердечника, имевший ранее разноименную с ферромагнитной вставкой сердечника намагниченность и притягивавший ее, приобретает одноименную с ней намагниченность. В этот же самый момент следующий по направлению движения якоря полюсной наконечник приобретает намагниченность, разноименную с намагниченностью вставки якоря. В результате на вставку, и, следовательно, на якорь будет действовать сила, смещающая его в том же направлении, в котором происходило смещение во время действия первой полуволны питающего напряжения. Якорь продолжит свое движение вдоль сердечника-трубы. When an alternating voltage is applied to the excitation winding, a periodic magnetization reversal of the core occurs. In one of the half-periods of the operating voltage, the pole tip closest to the insert mentioned above, for example, located on the upper wall of the core-pipe, and the insert itself have the same magnetization poles. As a result, a force will act on the insert, and therefore, on the anchor, causing it to mechanically shift away from the pole piece, which has the same magnetization as the insert, to the pole piece with opposite magnetization. The movement of the armature in the indicated direction will begin simultaneously with the first half-wave of the supply voltage. The frequency of this voltage is chosen so that the time of movement of the armature between adjacent pole tips of the core is slightly less than the duration of one half-period of voltage. As a result, during the action of one half-wave of voltage, the armature will move not only by the distance between adjacent pole pieces, but, moving by inertia, will pass the point of maximum proximity of the ferromagnetic insert of the armature to the pole piece attracting it. At this moment, the polarity of the half-wave of the supply voltage changes, and the pole tip of the core, which had magnetization previously opposite to the ferromagnetic core insert and attracted it, acquires the same magnetization. At the same moment, the pole tip following in the direction of movement of the armature acquires a magnetization that is opposite to the magnetization of the armature insert. As a result, a force will act on the insert and, therefore, on the anchor, displacing it in the same direction in which the displacement occurred during the first half-wave of the supply voltage. The anchor will continue its movement along the core-pipe.

По достижении якорем следующего притягивающего его полюсного наконечника все рассмотренные выше процессы повторятся, и якорь вновь совершит свое линейное движение вдоль сердечника-трубы. When the anchor reaches the next pole tip that attracts it, all the above processes will repeat, and the anchor will again perform its linear motion along the core-pipe.

Устройство-прототип предназначено для использования в качестве линейного двигателя, например, транспортного средства. The prototype device is intended for use as a linear engine, for example, a vehicle.

Устройство-прототип обладает высоким КПД, поскольку потери энергии из-за ее рассеяния в магнитных зазорах оказываются весьма малыми. При определенном выборе соотношений между периодом питающего напряжения и временем перемещения якоря между полюсными наконечниками сердечника это устройство могло бы быть использовано и в качестве привода возвратно-поступательного движения, например в электроинструменте. Однако это требует применения специальных схем управления, особенно в условиях переменных нагрузок на рабочий орган привода, что особенно характерно для электроинструмента. The prototype device has a high efficiency, since the energy loss due to its scattering in the magnetic gaps is very small. With a certain choice of relations between the period of the supply voltage and the time of movement of the armature between the pole pieces of the core, this device could also be used as a drive for reciprocating motion, for example, in a power tool. However, this requires the use of special control circuits, especially in conditions of variable loads on the working body of the drive, which is especially typical for power tools.

Технической задачей изобретения является создание магнито-электрического привода, преобразующего электрическую энергию в возвратно-поступательное движение, на основе линейного двигателя магнито-электрического типа. An object of the invention is the creation of a magneto-electric drive that converts electrical energy into reciprocating motion, based on a linear magneto-electric motor.

Сущность изобретения заключается в том, что в электромеханическом приводе, содержащем статор в виде пустотелого броневого сердечника с полюсными наконечниками и размещенной в нем обмоткой возбуждения и якорь, образованный парой встречно ориентированных постоянных магнитов, разделенных ферромагнитной вставкой, сердечник статора выполнен в виде пустотелого кольца, полюсные наконечники статора образованы внутренней поверхностью кольца, разделенной в своей центральной части радиальной прорезью, обмотка возбуждения выполнена в виде соленоида, соосного с сердечником статора, постоянные магниты и вставка выполнены в виде шайб и неподвижно закреплены на штоке, а шток установлен в упругих опорах с возможностью осевого перемещения, при этом ферромагнитная вставка расположена симметрично относительно полюсных наконечников сердечника статора. The essence of the invention lies in the fact that in an electromechanical drive containing a stator in the form of a hollow armored core with pole tips and an excitation coil placed in it and an armature formed by a pair of counter-oriented permanent magnets separated by a ferromagnetic insert, the stator core is made in the form of a hollow ring, pole the stator tips are formed by the inner surface of the ring, divided in its central part by a radial slot, the field winding is made in the form of Lenoid coaxial with the stator core, permanent magnets and the insert are made in the form of washers and are fixedly mounted on the rod, and the rod is mounted in elastic supports with the possibility of axial movement, while the ferromagnetic insert is located symmetrically relative to the pole tips of the stator core.

Введение совокупности новых признаков приводит к тому, что смещение якоря (штока) относительно корпуса в обоих направлениях его оси оказывается ограниченным противодействующей ему (т.е. смещению) силой упругих опор, возрастающей по мере увеличения самого смещения. Благодаря действию этих сил скорость смещения к концу действия каждой из полуволн напряжения питания падает, в результате смена полярности наконечников сердечника происходит до момента достижения такой величины смещения якоря, при котором разделяющая постоянные магниты ферромагнитная вставка выходит за пределы расстояния, разделяющего полюсные наконечники сердечника. Таким образом обеспечиваются условия смены направления движения якоря после смены полярности полюсных наконечников сердечника. То есть, происходит возвратно-поступательное движение. При этом указанные условия обеспечиваются автоматически вне зависимости от частоты питающего напряжения: упругие опоры фактически выполняют роль стопов магнито-электрического привода, не допуская смещения якоря выше установленного предела расстояние между полюсными наконечниками сердечника. The introduction of a set of new features leads to the fact that the displacement of the armature (rod) relative to the hull in both directions of its axis is limited by the opposing force (i.e. displacement) of the strength of the elastic supports, which increases as the displacement itself increases. Due to the action of these forces, the displacement rate towards the end of the action of each half-wave of the supply voltage drops, as a result of a change in the polarity of the core tips, until the armature displacement is reached, at which the ferromagnetic insert separating the permanent magnets goes beyond the distance separating the core pole tips. Thus, the conditions for changing the direction of movement of the armature after changing the polarity of the pole tips of the core are provided. That is, a reciprocating movement occurs. Moreover, these conditions are provided automatically, regardless of the frequency of the supply voltage: the elastic supports actually act as stops of the magnetoelectric drive, preventing the armature from displacing the distance between the pole tips of the core above the set limit.

В частном случае реализации заявляемого изобретения упругие опоры могут быть выполнены в виде пружин мембранного типа. In the particular case of the implementation of the claimed invention, the elastic supports can be made in the form of membrane springs.

Радиальная симметрия всех введенных элементов привода обеспечивает возможность выполнения его конструкции цилиндрической формы, что создает благоприятные условия сопряжения с приборами различного практического назначения. The radial symmetry of all the drive elements introduced makes it possible to carry out its cylindrical design, which creates favorable conditions for interfacing with devices for various practical purposes.

На чертеже показан заявляемый электромеханический привод. The drawing shows the inventive electromechanical drive.

Привод содержит корпус 1, в котором неподвижно закреплен броневой сердечник 2, выполненный в виде пустотелого кольца, с размещенной в нем соленоидальной обмоткой 3 возбуждения. В центральной части внутренней поверхности кольца сердечника 2 выполнена радиальная прорезь 4, благодаря которой образуются кольцевые полюсные наконечники 5 и 6. В отверстии кольца сердечника 2 между полюсными наконечниками 5 и 6 установлен подвижный якорь, выполненный в виде штока 7 с закрепленными на нем двумя встречно ориентированными шайбообразными постоянными магнитами 8 и 9, разделенными ферромагнитной вставкой 10. Шток 7 закреплен на двух пружинах 11 и 12 мембранного типа. При этом вставка 10 расположена симметрично относительно полюсных наконечников 5 и 6. The drive includes a housing 1, in which the armor core 2 is fixedly mounted, made in the form of a hollow ring, with a solenoidal excitation winding 3 placed therein. In the central part of the inner surface of the core ring 2, a radial slot 4 is made, due to which annular pole pieces 5 and 6 are formed. A movable armature is installed in the hole of the core ring 2 between pole pieces 5 and 6, made in the form of a rod 7 with two opposite oriented washer-like permanent magnets 8 and 9, separated by a ferromagnetic insert 10. The rod 7 is mounted on two springs 11 and 12 of the membrane type. In this case, the insert 10 is symmetrically relative to the pole pieces 5 and 6.

Функционирование привода начинается при подаче на обмотку 3 возбуждения переменного напряжения, например, напряжения промышленной частоты 50 Гц. Синхронно с каждой из полуволн этого напряжения полюсные наконечники 5 и 6 броневого сердечника 2 намагничиваются, попеременно становясь северным и южным полюсами электромагнита, образованного катушкой 3 и сердечником 2. Пусть, например, в первый момент времени (после включения питания обмотки 3 возбуждения) полюсной наконечник 6 является северным полюсом электромагнита, а полюсной наконечник 5 его южным полюсом. Тогда, если постоянные магниты 8 и 9 установлены на штоке 7 так, как это показано на чертеже (т.е. северными полюсами навстречу друг другу), и вставка 10 выполняет роль северного полюса сложного составного магнита (из магнитов 8 и 9), то в этот момент времени на вставку 10 будет действовать сила, отталкивающая ее от полюсного наконечника 6 и притягивающая к полюсному наконечнику 5. В результате якорь привода сместится из первоначального симметричного относительно наконечников 5 и 6 положения в положение, при котором вставка 10 будет расположена максимально близко к наконечнику 5. Для показанного на фигуре случая и рассматриваемого примера это смещение якоря будет происходить в осевом направлении, задаваемом пружинами 11 и 12 и направлено справа налево. Со штока 7 усилие может быть передано на то механическое устройство (не показано), которое приводится в действие заявляемым приводом. The operation of the drive begins when applying to the winding 3 of the excitation of an alternating voltage, for example, voltage industrial frequency of 50 Hz. Synchronously with each of the half-waves of this voltage, the pole pieces 5 and 6 of the armored core 2 are magnetized, alternately becoming the north and south poles of the electromagnet formed by the coil 3 and core 2. Let, for example, at the first moment of time (after turning on the excitation winding 3) the pole piece 6 is the north pole of the electromagnet, and pole tip 5 is its south pole. Then, if the permanent magnets 8 and 9 are mounted on the rod 7 as shown in the drawing (i.e., the north poles towards each other), and the insert 10 acts as the north pole of a complex composite magnet (of magnets 8 and 9), then at this point in time, the force 10 will act on the insert 10, pushing it away from the pole piece 6 and pulling it to the pole piece 5. As a result, the drive armature will be displaced from the initial position, which is symmetrical relative to the tips 5 and 6, to the position where the insert 10 will have a max. mally close to the tip 5. In the case shown in the figure and considered example this shift will occur armature in the axial direction given by the springs 11 and 12 and directed from right to left. From the rod 7, the force can be transmitted to that mechanical device (not shown), which is driven by the inventive drive.

При смещении штока 7 в сторону первоначального положения связанные с ним пружины 11 и 12 получат прогиб в сторону смещения штока 7. По мере увеличения этого прогиба будет возрастать сила сопротивления пружин 11 и 12 смещению штока 7. Одновременно по мере спада первой полуволны напряжения возбуждения обмотки 3 будет уменьшаться сила магнитного отталкивания вставки 10 полюсного наконечника 6. В какой-то момент времени эти силы сравняются, и движение штока 7 прекратится. When the rod 7 is displaced towards the initial position, the associated springs 11 and 12 will deflect towards the rod 7 displacement. As this deflection increases, the resistance force of the springs 11 and 12 to the rod 7 displacement will increase. At the same time, as the first half-wave of the excitation voltage of the winding 3 decreases the force of magnetic repulsion of the insert 10 of the pole piece 6 will decrease. At some point in time, these forces will become equal, and the movement of the rod 7 will stop.

В следующий момент времени шток 7 под действием пружин 11 и 12 начнет движение в обратную сторону. Одновременно произойдет смена полуволны напряжения питания обмотки 3, и полярность полюсных наконечников 5 и 6 изменится на противоположную. В результате на вставку 10 будет действовать сила, отталкивающая ее от полюсного наконечника 5 и притягивающая к наконечнику 6. Вставка 10 сместится в положение, при котором она будет максимально приближена к наконечнику 6. Вместе с ней произойдет смещение якоря, теперь уже слева направо. Пружины 11 и 12 также получат прогиб в противоположном направлении. В какой-то момент времени движение штока 7 вновь будет остановлено вследствие увеличения силы сопротивления пружин 11 и 12 и уменьшения действующей на вставку 10 магнитной силы из-за спада полуволны напряжения питания. At the next point in time, the rod 7 under the action of the springs 11 and 12 will begin to move in the opposite direction. At the same time, the half-wave of the supply voltage of the winding 3 will change, and the polarity of the pole pieces 5 and 6 will change to the opposite. As a result, the force 10 will act on the insert 10, pushing it away from the pole tip 5 and attracting it to the tip 6. The insert 10 will be displaced to the position where it will be as close as possible to the tip 6. Together with it, the armature will shift, now from left to right. Springs 11 and 12 will also deflect in the opposite direction. At some point in time, the movement of the rod 7 will again be stopped due to an increase in the resistance force of the springs 11 and 12 and a decrease in the magnetic force acting on the insert 10 due to a decrease in the half-wave of the supply voltage.

Далее вновь произойдет смена полярности полуволны напряжения питания, и на вставку 10 вновь будет действовать сила, отталкивающая ее от полюсного наконечника 6 и притягивающая к наконечнику 5. Движение якоря повторится подобно тому, как это происходило при рассмотренном выше действии первой полуволны питающего напряжения. Так обеспечивается возвратно-поступательное движение штока 7 вдоль его оси и, следовательно, функционирование заявляемого электромеханического привода. Next, the polarity of the half-wave of the supply voltage will again change, and the insert 10 will again be affected by the force pushing it away from the pole tip 6 and attracting it to the tip 5. The armature will repeat in the same way as the first half-wave of the supply voltage considered above. This ensures the reciprocating movement of the rod 7 along its axis and, therefore, the operation of the inventive electromechanical drive.

Источники информации:
1. Л. А. Казаков. Электромагнитные устройства РЭА. Справочник. Москва, "Радио и связь", 1991.Information sources:
1. L.A. Kazakov. REA electromagnetic devices. Directory. Moscow, Radio and Communications, 1991.

2. Заявка РФ N 92-013590/07, кл. H 02 К 33/02. 2. RF application N 92-013590 / 07, cl. H 02 K 33/02.

3. Пат. СССР N 2007617, кл. F 04 17/04. 3. Pat. USSR N 2007617, class F 04/17/04.

4. Пат. Германии N 3719460, кл. F 04 В 35/04. 4. Pat. Germany N 3719460, cl. F 04 B 35/04.

5. Пат. Германии N 3033684, кл. F 04 В 17/04. 5. Pat. Germany N 3033684, cl. F 04 B 17/04.

6. А.с. СССР N 1608353, кл. F 04 В 17/04. 6. A.S. USSR N 1608353, class F 04 B 17/04.

7. Пат. СССР N 2005912, кл. F 04 В 35/04. 7. Pat. USSR N 2005912, class F 04 B 35/04.

8. Заявка PCT N 93/22821, кл. H 02 K 33/06. 8. Application PCT N 93/22821, cl. H 02 K 33/06.

9. А.с. СССР N 1827427, кл. F 04 B 9/00. 9. A.S. USSR N 1827427, class F 04 B 9/00.

10. Пат. Японии N 5-20990, кл. H 02 K 33/18. 10. Pat. Japan N 5-20990, cl. H 02 K 33/18.

11. Пат. Японии N 5-24744, кл. H 02 K 41/03. 11. Pat. Japan N 5-24744, cl. H 02 K 41/03.

12. Заявка PCT N 94/10742, кл. H 02 K 41/03 прототип. 12. Application PCT N 94/10742, cl. H 02 K 41/03 prototype.

Claims

1. Electromechanical drive containing a stator in the form of a hollow armored core with pole tips and an excitation winding placed in it and an armature formed by a pair of counter-oriented permanent magnets separated by a ferromagnetic insert, characterized in that the stator core is made in the form of a hollow ring, pole stator tips formed by the inner surface of the ring, divided in its central part by a radial slot, the field winding is made in the form of a solenoid coaxial with sulfur echnikom stator, the permanent magnets and the insert are designed as washers and fixedly mounted on the rod, and the rod is mounted in the elastic supports with possibility of axial displacement, wherein the ferromagnetic insert arranged symmetrically with respect to the pole faces of the stator core.

2. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic supports are made in the form of membrane type springs.