RU2149493C1

RU2149493C1 - Electromagnetic linear motor

Info

Publication number: RU2149493C1
Application number: RU99119969A
Authority: RU
Inventors: Д.М. Белый
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2000-05-20

Abstract

FIELD: electric drives of electromagnetic actuators. SUBSTANCE: device has electromagnet in the form of flat coil with slit-shaped air gap and two flat ferromagnetic cores, as well as driven section, guides with stops, and locking members. Coil is mounted so that slit-type air gap occurs in vertical plane and longitudinal axis is oriented horizontally. Ferromagnetic cores are made in the form of disks suspended by means of rods and bushes from common horizontal shaft for rotation relative to shaft and for easy relative displacement along shaft thereby forming physical pendulums. Pendulum suspending shaft is arranged beyond coil near one of its ends perpendicular to slit-type gap plane. Driven section is, essentially, nonmagnetic strip loosely mounted in air gap of coil and between ferromagnetic cores whose planes are facing each other; its side edges carry locking members contacting guide stops. EFFECT: reduced power requirement, simplified design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электромагнитным исполнительным устройствам и может быть использовано в качестве линейного электропривода. The invention relates to electromagnetic actuators and can be used as a linear electric drive.

Известен линейный электродвигатель, содержащий источник магнитного поля с полюсами, подвижный гофрированный упругий элемент с жестко закрепленной на нем обмоткой, размещенной между полюсами источника, а также ведомое звено, выполненное в виде стержня, установленного с натягом между гофрами упругого элемента /см. а.с. СССР N 1365275, кл. H 02 K 33/10, 41/03, 1988 г./. A linear electric motor is known that contains a magnetic field source with poles, a movable corrugated elastic element with a winding rigidly fixed on it, placed between the poles of the source, and also a driven link made in the form of a rod mounted with an interference fit between the corrugations of the elastic element / cm. A.S. USSR N 1365275, class H 02 K 33/10, 41/03, 1988).

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и сравнительно низкое тяговое усилие. The disadvantages of the known device are the design complexity and relatively low traction.

Известен также электромагнитный линейный двигатель, содержащий два электромагнита с катушками, якорями и магнитопроводами с фиксаторами, взаимодействующими с зубчатой рейкой, причем один электромагнит расположен внутри другого, а якорь каждого электромагнита жестко связан с магнитопроводом другого /см. а.с. СССР N 957366, кл. H 02 K 41/03, 1982 г./. An electromagnetic linear motor is also known, containing two electromagnets with coils, anchors and magnetic circuits with locks interacting with a gear rack, with one electromagnet located inside the other, and the armature of each electromagnet is rigidly connected to the magnetic circuit of the other / cm. A.S. USSR N 957366, class H 02 K 41/03, 1982 /.

Недостатками данного двигателя являются сложность конструкции, значительные вес и габариты, а также значительное потребление электроэнергии вследствие необходимости перемещения в процессе работы всего электродвигателя. The disadvantages of this engine are design complexity, significant weight and dimensions, as well as significant energy consumption due to the need to move the entire motor during operation.

Кроме того, известны электромагнитные измерительные механизмы, содержащие плоскую катушку со щелевым воздушным зазором и два плоских ферромагнитных сердечника, размещенных в щелевом зазоре и эксцентрично укрепленных на поворотной оси /см. Фремке А.В. Электрические измерения. - Л.: Энергия, 1973, с. 71 - 73/. In addition, electromagnetic measuring mechanisms are known, comprising a flat coil with a slotted air gap and two flat ferromagnetic cores located in the slotted gap and eccentrically mounted on a rotary axis / cm. Fremke A.V. Electrical measurements. - L .: Energy, 1973, p. 71 - 73 /.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является электромагнитный линейный двигатель, содержащий электромагнит в виде корпуса со стопорными элементами, входящими в зацепление с упорами направляющих, цилиндрического магнитопровода, катушки возбуждения с воздушным зазором и ферромагнитного сердечника, установленного в зазоре и соединенного с помощью стержней и пружины сжатия с ограничителем перемещения и фланцем /см. а.с. СССР N 1483563, кл. H 02 K 41/03, 1987 г./, принятый за прототип. The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is an electromagnetic linear motor containing an electromagnet in the form of a housing with locking elements engaged with guide stops, a cylindrical magnetic circuit, an excitation coil with an air gap and a ferromagnetic core installed in the gap and connected using rods and compression spring with travel stop and flange / cm. A.S. USSR N 1483563, class H 02 K 41/03, 1987 /, adopted as a prototype.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции вследствие необходимости перемещения за два такта с поочередной фиксацией фланца и корпуса, а также значительное потребление электроэнергии вследствие необходимости перемещения в процессе работы большой массы всего двигателя вместе с корпусом. The disadvantages of the prototype device are the design complexity due to the need to move in two cycles with the alternate fixing of the flange and the housing, as well as significant energy consumption due to the need to move the large mass of the entire engine with the housing during operation.

Сущность изобретения заключается в создании электромагнитного линейного двигателя, в котором однонаправленное интенсивное движение ведомого звена создается за счет обеспечения жесткого контакта с помощью магнитных сил ведомого звена с ферромагнитными сердечниками в рабочие полупериоды движения сердечников, и разрыва этого контакта за счет действия сил тяжести ферромагнитных сердечников в нерабочие полупериоды движения. The essence of the invention is to create an electromagnetic linear motor in which unidirectional intensive movement of the driven link is created by providing hard contact with the help of the magnetic forces of the driven link with ferromagnetic cores during the working half-periods of the movement of the cores, and rupture of this contact due to the action of gravity of the ferromagnetic cores inoperative half periods of movement.

Технический результат - упрощение конструкции и снижение потребления электроэнергии. EFFECT: simplified design and reduced power consumption.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном электромагнитном линейном двигателе, содержащем электромагнит в виде плоской катушки со щелевым воздушным зазором и двух плоских ферромагнитных сердечников, а также ведомое звено, направляющие с упорами и стопорные элементы, особенность заключается в том, что катушка установлена с расположением щелевого зазора в вертикальной плоскости и горизонтальной ориентацией продольной оси, ферромагнитные сердечники выполнены в виде дисков и с помощью стержней и втулок подвешены на общей горизонтальной оси с возможностью вращения относительно оси и свободного смещения вдоль оси относительно друг друга, образуя собой физические маятники, при этом ось подвеса маятников размещена за пределами катушки вблизи одного из ее торцов перпендикулярно плоскости щелевого зазора, а ведомое звено выполнено в виде немагнитной пластины, свободно размещенной в щелевом воздушном зазоре катушки и между обращенными друг к другу плоскостями ферромагнитных сердечников, имеющей на боковых гранях стопорные элементы, контактирующие с упорами направляющих. The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known electromagnetic linear motor containing an electromagnet in the form of a flat coil with a slotted air gap and two flat ferromagnetic cores, as well as a driven link, guides with stops and locking elements, the feature is that the coil is installed with a slotted gap in the vertical plane and a horizontal orientation of the longitudinal axis, the ferromagnetic cores are made in the form of disks and with The rods and bushings are suspended on a common horizontal axis with the possibility of rotation about the axis and free movement along the axis relative to each other, forming physical pendulums, while the axis of the pendulum suspension is located outside the coil near one of its ends perpendicular to the plane of the gap, and the driven link made in the form of a non-magnetic plate freely placed in the slotted air gap of the coil and between the planes of the ferromagnetic cores facing each other, having a stop on the side faces nary elements in contact with the stops of the guides.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен предлагаемый двигатель, продольный разрез; на фиг. 2 - вид слева на фиг. 1. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows the proposed engine, a longitudinal section; in FIG. 2 is a left view in FIG. 1.

Электромагнитный линейный двигатель содержит электромагнит в виде плоской катушки 1, состоящей из каркаса 2 с обмоткой возбуждения 3, со щелевым воздушным зазором 4 и двух плоских ферромагнитных сердечников 5, 6, а также ведомое звено 7, направляющие 8 с упорами 9 и подпружиненные стопорные элементы 10, причем плоская катушка 1 установлена с расположением щелевого зазора 4 в вертикальной плоскости и горизонтальной ориентацией продольной оси, ферромагнитные сердечники 5, 6 выполнены в виде дисков и с помощью стержней 11, 12 и втулок 13, 14 подвешены на общей горизонтальной оси 15 с возможностью вращения относительно оси 15 и свободного смещения вдоль оси 15 друг относительно друга, образуя собой физические маятники. При этом ось 15 подвеса физических маятников размещена за пределами катушки 1 вблизи одного из ее торцов перпендикулярно плоскости щелевого зазора 4 и прикреплена к торцу катушки 1 с помощью винтов 16, а ведомое звено 7 выполнено в виде немагнитной пластины, свободно размещенной в щелевом воздушном зазоре 4 катушки 1 и между обращенными друг к другу плоскостями ферромагнитных сердечников 5, 6, имеющей на боковых гранях подпружиненные стопорные элементы 10, контактирующие с упорами 9 на направляющих 8. The electromagnetic linear motor contains an electromagnet in the form of a flat coil 1, consisting of a frame 2 with an excitation winding 3, with a slotted air gap 4 and two flat ferromagnetic cores 5, 6, as well as a driven link 7, guides 8 with stops 9 and spring-loaded stop elements 10 moreover, the flat coil 1 is installed with the slotted gap 4 in the vertical plane and the horizontal axis aligned horizontally, the ferromagnetic cores 5, 6 are made in the form of disks and are suspended by rods 11, 12 and bushings 13, 14 on the general horizontal axis 15 with the possibility of rotation relative to the axis 15 and free displacement along the axis 15 relative to each other, forming a physical pendulum. The axis 15 of the suspension of the physical pendulums is placed outside the coil 1 near one of its ends perpendicular to the plane of the gap gap 4 and is attached to the end face of the coil 1 with screws 16, and the driven link 7 is made in the form of a non-magnetic plate freely placed in the gap air gap 4 coil 1 and between facing each other the planes of the ferromagnetic cores 5, 6, having lateral faces spring-loaded locking elements 10 in contact with the stops 9 on the guides 8.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. The operation of the engine is as follows.

При выключенной обмотке 3 катушки 1 ферромагнитные сердечники 5, 6 /физические маятники/ свободно под действием сил тяжести занимают вертикальное положение и не прижаты к пластине 7 /см. фиг. 1 и фиг. 2/. При включении обмотки 3, то есть подаче в нее импульса тока, ферромагнитные сердечники 5, 6, находясь с торца катушки 1, стремятся максимально перекрыть щелевой зазор 4, обеспечивая магнитному потоку, огибающему с торцов катушку 1 и входящему в зазор 4, минимальное магнитное сопротивление. При этом ферромагнитные сердечники 5, 6 стремятся прижаться друг к другу, плотно зажимая пластину 7, втулки 13, 14 смещаются навстречу друг другу по оси подвеса 15. Но одновременно с этим сердечники 5, 6, укрепленные на стержнях 11, 12 и втулках 13, 14, поворачиваются вокруг оси 15 /как показано пунктиром на фиг. 1/ до упора торцами сердечников в торец катушки 1 /в щелевой зазор 4 сердечники 5, 6 за счет своей толщины войти не могут/. Такой поворот сердечников 5, 6 при одновременном зажатии ими пластины 7 /трение дисков 5, 6 о пластину 7 велико/ обуславливает смещение пластины 7 вправо. Так как угол поворота физических маятников довольно мал, то при сравнительно большой длине стержней 11, 12 тяговое усилие, прикладываемое к пластине 7 со стороны сердечников 5, 6, практически можно считать направленным по прямой вправо, за счет чего нагрузка на направляющие 8 в поперечном направлении незначительна. При выключении тока притяжение дисков 5, 6 друг к другу, а следовательно, их давление на пластину 7 исчезает, при этом силы трения между дисками 5, 6 и пластиной 7 минимальны, и диски 5, 6 опять поворачиваются влево в вертикальное положение, а пластина 7 остается в смещенном вправо состоянии. В результате при подаче в катушку 1 последовательных импульсов тока любой полярности пластина 7 /ведомое звено/ получает направленное поступательное перемещение вправо. При этом за счет взаимодействия упоров 9 направляющих 8 с подпружиненными стопорными элементами 10 на боковых гранях пластины 7 обеспечивается поступательное движение пластины 7 с необходимой дискретностью позиционирования, то есть движение в шаговом режиме /данный вопрос подробно описан в известных конструкциях/. На фиг. 1 во избежание загромождения рисунка показаны только направляющие с правой стороны катушки 1. When the winding 3 of the coil 1 is off, the ferromagnetic cores 5, 6 / physical pendulums / freely, under the action of gravity, occupy a vertical position and are not pressed against the plate 7 / cm. FIG. 1 and FIG. 2 /. When the winding 3 is turned on, that is, a current pulse is fed into it, the ferromagnetic cores 5, 6, being at the end of the coil 1, tend to close the gap gap 4 as much as possible, providing the magnetic flux enveloping coil 1 from the ends and entering the gap 4, the minimum magnetic resistance . In this case, the ferromagnetic cores 5, 6 tend to cling to each other, tightly clamping the plate 7, the bushings 13, 14 are displaced towards each other along the axis of the suspension 15. But at the same time, the cores 5, 6, mounted on the rods 11, 12 and the bushings 13, 14 rotate about an axis 15 / as shown by the dotted line in FIG. 1 / until the end faces of the cores in the end face of the coil 1 / in the slotted gap 4, the cores 5, 6 due to their thickness can not enter /. This rotation of the cores 5, 6 while simultaneously clamping the plate 7 / friction of the disks 5, 6 on the plate 7 is large / causes the plate 7 to shift to the right. Since the angle of rotation of the physical pendulums is quite small, with a relatively large length of the rods 11, 12, the traction exerted on the plate 7 from the side of the cores 5, 6 can be practically considered to be directed in a straight line to the right, due to which the load on the guides 8 in the transverse direction insignificant. When the current is turned off, the attraction of the disks 5, 6 to each other, and therefore their pressure on the plate 7 disappears, while the friction forces between the disks 5, 6 and the plate 7 are minimal, and the disks 5, 6 again turn to the left in a vertical position, and the plate 7 remains in a right-shifted state. As a result, when a sequential current pulse of any polarity is supplied to the coil 1, the plate 7 / slave link / receives a directed translational movement to the right. In this case, due to the interaction of the stops 9 of the guides 8 with the spring-loaded stop elements 10 on the lateral faces of the plate 7, the translational movement of the plate 7 is provided with the necessary discreteness of positioning, that is, the movement in step mode / this issue is described in detail in the known constructions /. In FIG. 1 to avoid cluttering the picture, only the guides on the right side of the coil 1 are shown.

Очевидно, что предложенный двигатель отличается предельной простотой конструкции, а также регулировки и эксплуатации. При подборе соответствующих электромеханических параметров за счет значительных усилий втягивания сердечников 5, 6 и зажатия ими пластины 7 можно легко добиться значительных тяговых усилий и большого диапазона перемещений. Так как подвижным элементом здесь является не весь двигатель в корпусе как в известных вышеописанных конструкциях, а только пластина 7, то масса подвижной части мала, что позволяет снизить потребление электроэнергии на движение. Согласно принципу работы в двигателе исключены двойные циклы, когда, например, в первый полупериод движения часть двигателя /один магнитопровод с якорем/ смещается, второй магнитопровод - неподвижно фиксируется, а во второй полупериод движения - наоборот. За счет этого удалось повысить надежность двигателя, упростить конструкцию, уменьшить массу и габариты. Обеспечение в нерабочие полуциклы возврата ферромагнитных сердечников в исходное положение за счет сил их собственной тяжести, а не сил упругости пружин также позволило предельно упростить конструкцию устройства и повысить его надежность. It is obvious that the proposed engine is extremely simple design, as well as adjustment and operation. When selecting the appropriate electromechanical parameters due to the significant efforts of the retraction of the cores 5, 6 and clamping the plate 7, it is easy to achieve significant traction and a large range of movements. Since the movable element here is not the entire engine in the housing, as in the known above structures, but only the plate 7, the mass of the movable part is small, which allows to reduce the energy consumption for movement. According to the principle of operation in the engine, double cycles are excluded when, for example, in the first half-cycle of movement, a part of the engine / one magnetic circuit with an armature / is displaced, the second magnetic circuit is fixedly fixed, and in the second half-cycle of movement - vice versa. Due to this, it was possible to increase the reliability of the engine, simplify the design, reduce weight and dimensions. The provision of non-working half-cycles of the return of ferromagnetic cores to their original position due to the forces of their own gravity, and not the elastic forces of the springs, also made it possible to extremely simplify the design of the device and increase its reliability.

Claims

An electromagnetic linear motor containing an electromagnet in the form of a flat coil with a slotted air gap and two flat ferromagnetic cores, as well as a driven link, guides with stops and locking elements, characterized in that the coil is installed with the slotted gap in the vertical plane and the longitudinal axis is horizontally oriented , the ferromagnetic cores are made in the form of disks and with the help of rods and bushings are suspended on a common horizontal axis with the possibility of rotation about the axis and freely of displacement along the axis relative to each other, forming physical pendulums, while the pendulum suspension axis is placed outside the coil near one of its ends perpendicular to the plane of the gap gap, and the driven link is made in the form of a non-magnetic plate freely placed in the gap air gap of the coil and between facing each other by the planes of the ferromagnetic cores, having on the side faces locking elements in contact with the stops of the guides.