RU2175808C2

RU2175808C2 - Energy converter

Info

Publication number: RU2175808C2
Application number: RU98119365A
Authority: RU
Inventors: С.Н. Запольских; В.Т. Караваев
Original assignee: Запольских Сергей Николаевич; Караваев Виктор Терентьевич
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2001-11-10

Abstract

FIELD: electrical-to-mechanical energy conversion in vibratory drive motors, stepping motors, and the like. SUBSTANCE: energy converter has stator magnetic core with poles, rotor mounted for displacement along poles and isolated from stator core by air gap, stator winding wound on magnetic core, power supply, diode, controlled switch, initial rotor position sensor, and intermediate rotor position sensor. Power supply 6 is disconnected from diode in response to signal coming from intermediate rotor position sensor which shorts out the winding with the result that energy conversion takes place at constant flux linkage. EFFECT: enhanced power characteristics. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования электрической энергии в механическую энергию в двигателях колебательного движения, например, предназначенных для отбойных молотков, прессов или штамповочных агрегатов, в шаговых двигателях и т.д. The invention relates to electrical engineering and can be used to convert electrical energy into mechanical energy in vibrational motion engines, for example, designed for jack hammers, presses or stamping units, in stepper motors, etc.

Известен преобразователь энергии, содержащий магнитопровод статора с полюсами, ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник питания. В этом преобразователе энергии преобразование энергии происходит при постоянном потокосцеплении, для обеспечения которого источник питания отключается, а выводы обмотки замыкаются между собой накоротко. Такой преобразователь энергии имеет высокие энергетические показатели, но в нем отсутствует автоматическое управление его работой [1]. A known energy converter containing a stator magnetic circuit with poles, a rotor made to move along the poles, a winding coupled to a magnetic circuit, a power source. In this energy converter, energy conversion occurs at constant flux linkage, to ensure that the power source is turned off, and the winding leads are shorted to each other. Such an energy converter has high energy performance, but there is no automatic control of its operation [1].

Наиболее близким по технической сущности заявленному техническому решению является преобразователь энергии, содержащий магнигопровод статора с полюсами, ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник питания, одним выходом соединенный с одним из выводов диода, управляемый ключ, одним выводом соединенный со вторым выходом источника питания, а вторым выводом соединенный со вторым выводом диода, соединенным с одним из выводов обмотки, и датчики положения ротора [2]. Closest to the technical nature of the claimed technical solution is an energy converter containing a stator magnitude conductor with poles, a rotor made to move along the poles, a winding coupled to a magnetic circuit, a power source, one output connected to one of the terminals of the diode, a controlled key, one the output connected to the second output of the power source, and the second output connected to the second output of the diode connected to one of the terminals of the winding, and rotor position sensors [2].

Указанный преобразователь энергии имеет низкие энергетические показатели в режиме работы двигателя, так как во время деформации магнитного поля в воздушном зазоре источник питания препятствует диоду осуществлять замыкание обмотки накоротко и обеспечивать преобразование энергии при постоянном потокосцеплении. The specified energy converter has low energy indicators in the engine operating mode, since during the deformation of the magnetic field in the air gap, the power source prevents the diode from shorting the winding and providing energy conversion with constant flux linkage.

Технической задачей изобретения является создание преобразователя энергии, работающего в режиме двигателя с повышенными энергетическими показателями, в частности, с повышенной удельной мощностью. An object of the invention is the creation of an energy converter operating in the engine mode with increased energy performance, in particular, with increased specific power.

Задача решается тем, что в преобразователе энергии, содержащем магнитопровод статора с полюсами, ротор, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов, обмотку, сцепленную с магнитной цепью, источник питания, одним выходом соединенный с одним из выводов диода, управляемый ключ, одним выводом соединенный со вторым выходом источника питания, а вторым выводом соединенный со вторым выводом диода, соединенным с одним из выводов обмотки, и датчики положения ротора, первый вывод диода дополнительно соединен со вторым выводом обмотки, при этом выход датчика начального положения ротора соединен с первым входом управления управляемого ключа, второй вход управления которого соединен с выходом датчика промежуточного положения ротора. The problem is solved in that in an energy converter containing a stator magnetic circuit with poles, a rotor arranged to move along the poles, a winding coupled to a magnetic circuit, a power source connected to one of the diode terminals by a single output, connected by a key, connected to the second output of the power source, and the second terminal connected to the second terminal of the diode connected to one of the terminals of the winding, and rotor position sensors, the first terminal of the diode is additionally connected to the second terminal of the winding, is the initial output of the rotor position sensor is connected to a first control input of controllable switch, a second control input coupled to an output of the intermediate rotor position sensor.

С целью дополнительного повышения энергетических показателей дополнительно введен накопитель электрической энергии, одним из выводов соединенный с первым выходом источника питания, а вторым выводом соединенный со вторым выводом управляемого ключа, при этом второй вывод управляемого ключа соединен со вторым выводом диода через дополнительный управляемый ключ, первый вывод диода соединен со вторым выводом обмотки через второй дополнительный управляемый ключ и второй вывод обмотки дополнительно соединен со вторым выводом управляемого ключа через дополнительный диод, а выход датчика начального положения ротора соединен дополнительно с первыми входами управления дополнительных управляемых ключей, вторые входы управления которых соединены с выходом датчика конечного положения ротора. In order to further increase energy performance, an electric energy storage device was additionally introduced, one of the terminals connected to the first output of the power source, and the second terminal connected to the second terminal of the managed key, while the second terminal of the controlled key is connected to the second terminal of the diode through an additional controlled key, the first terminal the diode is connected to the second terminal of the winding through a second additional controlled key and the second terminal of the winding is additionally connected to the second terminal of the controlled about the key through an additional diode, and the output of the sensor for the initial position of the rotor is additionally connected to the first control inputs of additional controlled keys, the second control inputs of which are connected to the output of the sensor for the final position of the rotor.

Дополнительно, датчиком начального положения ротора является датчик фазы напряжения, подключенный к источнику питания. Additionally, the sensor for the initial position of the rotor is a voltage phase sensor connected to a power source.

Дополнительно, датчиком промежуточного положения ротора является датчик скорости изменения электрического тока, включенный в цепь обмотки. Additionally, the sensor for the intermediate position of the rotor is an electric current rate sensor included in the winding circuit.

Дополнительно, датчиком конечного положения ротора является датчик минимального электрического тока, включенный в цепь обмотки. Additionally, the rotor end position sensor is a minimum electric current sensor included in the winding circuit.

Сущность технического решения поясняется следующим. The essence of the technical solution is illustrated by the following.

Благодаря тому, что источник питания по сигналу датчика промежуточного положения ротора отключается от диода во время деформации магнитного поля в воздушных зазорах, и обмотка замыкается накоротко, преобразование энергии происходит при постоянном потокосцеплении, чем и обеспечивается повышение энергетических показателей. Due to the fact that the power source is disconnected from the diode by the signal of the sensor of the intermediate position of the rotor during the deformation of the magnetic field in the air gaps, and the winding is short-circuited, energy conversion occurs with constant flux linkage, which ensures an increase in energy performance.

Энергетические показатели дополнительно повышаются введением накопителя электрической энергии, дополнительных управляемых ключей и дополнительного диода. Благодаря этому в положении ротора с минимальным магнитным сопротивлением в воздушном зазоре оставшаяся магнитная энергия в воздушном зазоре и магнигопроводе передается накопителю электрической энергии и используется в последующем цикле работы преобразователя энергии. Energy performance is further enhanced by the introduction of an electrical energy storage device, additional controlled keys and an additional diode. Due to this, in the position of the rotor with the minimum magnetic resistance in the air gap, the remaining magnetic energy in the air gap and the magnetic conduit is transferred to the electric energy storage device and is used in the subsequent cycle of the energy converter.

Указанные особенности изобретения представляют его отличия от прототипа и обуславливают новизну предложения. Эти отличия являются существенными, поскольку именно они обеспечивают достижение технического результата, отраженного в технической задаче, и отсутствуют в известных технических решениях с тем же эффектом. These features of the invention represent its differences from the prototype and determine the novelty of the proposal. These differences are significant, because they provide the achievement of the technical result reflected in the technical task, and are absent in the known technical solutions with the same effect.

На фиг. 1 приведен общий вариант преобразователя энергии; на фиг. 2 - преобразователь энергии с накопителем электрической энергии; на фиг. 3 - преобразователь энергии с датчиком фазы источника питания, датчиком скорости изменения электрического тока и датчиком минимального электрического тока в обмотке. In FIG. 1 shows a general version of an energy converter; in FIG. 2 - energy converter with electrical energy storage; in FIG. 3 - energy converter with a sensor of the phase of the power source, a sensor of the rate of change of electric current and a sensor of the minimum electric current in the winding.

Преобразователь энергии содержит магнитопровод статора 1 с полюсами 2, ротор 3, выполненный с возможностью перемещения вдоль полюсов 2 и отделенный от магнитопровода статора воздушным зазором 4, обмотку 5, расположенную на магнитопроводе статора 1, источник питания 6, диод 8, управляемый ключ 9, датчик начального положения ротора 10 и датчик промежуточного положения ротора 11. The energy converter contains a stator magnetic circuit 1 with poles 2, a rotor 3, movable along the poles 2 and separated from the stator magnetic circuit by an air gap 4, a winding 5 located on the stator magnetic circuit 1, a power supply 6, a diode 8, a controlled key 9, a sensor the initial position of the rotor 10 and the intermediate position sensor of the rotor 11.

Источник питания 6 одним выходом соединен с выводом диода 8, а управляемый ключ 9 одним выводом соединен со вторым выходом источника питания 6, а вторым выводом - со вторым выводом диода 8. Второй вывод диода 8 соединен с одним из выводов обмотки 5. Первый вывод диода 8 дополнительно соединен со вторым выводом обмотки 5. Выход датчика начального положения ротора 10 соединен с первым входом управления управляемого ключа 9, второй вход управления которого соединен с выходом датчика промежуточного положения ротора 11. The power source 6 is connected to the output of the diode 8 by one output, and the controlled key 9 is connected to the second output of the power supply 6 by one output and the second output of the diode 8. The second output of the diode 8 is connected to one of the terminals of the winding 5. The first output of the diode 8 is additionally connected to the second output of the winding 5. The output of the sensor for the initial position of the rotor 10 is connected to the first control input of the controlled key 9, the second control input of which is connected to the output of the sensor for the intermediate position of the rotor 11.

Дополнительно может быть введен накопитель электрической энергии 12, одним из выводов соединенный с первым выходом источника питания 6, а вторым выводом соединенный со вторым выводом управляемого ключа 9, при этом второй вывод управляемого ключа 9 соединен со вторым выводом диода 8 через дополнительный управляемый ключ 14, первый вывод диода 8 соединен со вторым выводом 3 обмотки через второй дополнительный управляемый ключ 13 и второй вывод обмотки 5 дополнительно соединен со вторым выводом управляемого ключа 9 через дополнительный диод 16, а выход датчика начального положения ротора 10 соединен дополнительно с первыми входами управления дополнительных ключей 13 и 14, вторые входы управления которых соединены с выходом датчика конечного положения ротора 17. Additionally, an electric energy storage device 12 can be introduced, one of the terminals connected to the first output of the power source 6, and the second terminal connected to the second output of the managed key 9, while the second output of the managed key 9 is connected to the second output of the diode 8 through an additional managed key 14, the first terminal of the diode 8 is connected to the second terminal 3 of the winding through the second additional controlled key 13 and the second terminal of the winding 5 is additionally connected to the second terminal of the controlled key 9 through the additional diode 16, and Exit initial rotor position sensor 10 is further connected with the first additional key control inputs 13 and 14, the second control inputs of which are connected with the output end of the rotor position sensor 17.

При использовании источника питания переменного напряжения функцию датчика начального положения ротора может выполнять датчик фазы напряжения 18, подключенный к источнику питания 6, и устройство приведения ротора в исходное положение 19, состоящее из пружины 20 и упора 21. В качестве устройства приведения ротора в исходное состояние может быть также использован аналогичный преобразователь энергии. When using an AC voltage power source, the function of the sensor for starting the position of the rotor can be performed by the voltage phase sensor 18 connected to the power source 6, and the device for bringing the rotor to its initial position 19, consisting of a spring 20 and a stop 21. As a device for bringing the rotor to its initial state, a similar energy converter can also be used.

Датчиком промежуточного положения ротора может служить датчик скорости изменения электрического тока 22, включенный в цепь обмотки 5. Такой датчик может состоять из маломощного трансформатора, первичная обмотка которого включена в цепь обмотки 5, а вторичная нагружена на большое активное сопротивление, к которому подключено пороговое устройство. The sensor for the intermediate position of the rotor can be an electric current rate sensor 22 included in the winding circuit 5. Such a sensor can consist of a low-power transformer, the primary winding of which is included in the winding circuit 5, and the secondary is loaded with a large active resistance, to which a threshold device is connected.

Для источника питания переменного напряжения функции датчика промежуточного положения ротора может выполнять второй датчик фазы напряжения, подключенный к источнику питания. Величина фазы напряжения, при которой происходит срабатывание такого датчика, устанавливается соответственно максимальному значению электрического тока в обмотке. For an alternating voltage power source, the function of the intermediate rotor position sensor can be performed by a second voltage phase sensor connected to the power source. The magnitude of the voltage phase at which the operation of such a sensor occurs is set according to the maximum value of the electric current in the winding.

Датчиком конечного положения ротора может служить датчик минимального электрического тока 23, включенный в цепь обмотки 5. Такой датчик может быть построен аналогично датчику скорости изменения электрического тока, но с порогом срабатывания, близким к нулю, и, кроме того, отличаться знаком порога срабатывания порогового устройства. The sensor of the end position of the rotor can be a minimum electric current sensor 23, included in the winding circuit 5. Such a sensor can be constructed similarly to the electric current change rate sensor, but with a threshold close to zero, and, in addition, differ in the sign of the threshold threshold device .

Преобразователь энергии работает следующим образом. The energy Converter operates as follows.

При исходном положении ротора, соответствующем максимальному магнитному сопротивлению в воздушном зазоре 4, на первый вход управления управляемого ключа 9 подается сигнал от датчика начального положения poтоpa 10. В результате этого управляемый ключ 9 открывается и обмотка 5 подключается к источнику питания 6, при этом диод 8 закрыт обратным напряжением источника питания. В обмотке 5 возникает электрический ток, а в воздушном зазоре 4 - магнитное поле, в результате чего на ротор будет действовать электромагнитная сила, которая перемещает ротор из исходного положения. В промежуточном положении ротора по сигналу датчика промежуточного положения poтора 11 ключ 9 закрывается и источник питания 6 отключается от диода 8. В результате этого диод 8 открывается и обмотка 5 через него замыкается накоротко. Теперь ротор перемещается под действием электромагнитной силы почти при постоянном потокосцеплении и совершает полезную механическую работу. При положении ротора, соответствующем минимальному магнитному сопротивлению в воздушном зазоре 4, цикл работы преобразователя энергии завершается. Дальнейшее движение ротора осуществляется аналогичным другим преобразователем энергии, а первый преобразователь может использоваться для движения второго аналогичного ротора, жестко связанного с первым, или ротор возвращается в исходное положение известными методами и цикл работы повторяется. With the initial position of the rotor corresponding to the maximum magnetic resistance in the air gap 4, a signal from the sensor of the initial position of the pod 10 is supplied to the first control input of the controlled key 9. As a result, the controlled key 9 is opened and the winding 5 is connected to the power source 6, while the diode 8 closed by reverse voltage power supply. An electric current occurs in the winding 5, and a magnetic field in the air gap 4, as a result of which an electromagnetic force will act on the rotor, which moves the rotor from its original position. In the intermediate position of the rotor, according to the signal of the intermediate position sensor potor 11, the key 9 is closed and the power supply 6 is disconnected from the diode 8. As a result, the diode 8 is opened and the winding 5 is shorted through it. Now the rotor moves under the influence of electromagnetic force with almost constant flux linkage and performs useful mechanical work. When the rotor position corresponding to the minimum magnetic resistance in the air gap 4, the cycle of the energy Converter ends. Further movement of the rotor is carried out by a similar other energy converter, and the first converter can be used to move a second similar rotor, rigidly connected to the first, or the rotor returns to its original position by known methods and the cycle of work is repeated.

Преобразователь энергии с накопителем электрической энергии работает следующим образом. An energy converter with an electric energy storage device operates as follows.

В начальном положении ротора на первый вход управления управляемого ключа 9 и управляемых ключей 13 и 14 подается сигнал от датчика начального положения poторa 10. Ключи 9, 13 и 14 открываются, и обмотка 5 подключается к источнику питания 6 и электрическому конденсатору 12, заряженному в предыдущем цикле работы преобразователя энергии, при этом диоды 8 и 16 закрыты обратным напряжением источника питания 6 и электрического конденсатора 12. Это приводит к возникновению в обмотке 5 электрического тока, а в воздушном зазоре 4 магнитного поля, которое создает электромагнитную силу, перемещающую ротор из начального положения. В промежуточном положении ротора по сигналу от датчика промежуточного положения poтоpa 11 управляемый ключ 9 закроется, и источник питания 6 отключится от диода 8 и электрического конденсатора 12. Когда конденсатор 12 разрядится через открытые ключи 13 и 14, диоды 8 и 16 откроются, и обмотка 5 замкнется накоротко через управляемый ключ 13, диоды 8 и 16 и управляемый ключ 14. Таким образом, как и в предыдущем случае, ротор перемещается под действием электромагнитной силы при почти постоянном потокосцеплении, совершая полезную работу. В положении ротора с минимальным магнитным сопротивлением в воздушном зазоре 4 по сигналу датчика конечного положения ротора 17 ключи 13 и 14 закроются. Электрический ток, вызванный оставшейся магнитной энергией в воздушном зазоре 4 и магнитопроводе через диоды 8 и 16, зарядит конденсатор 12, энергия которого используется при последующем цикле работы преобразователя энергии. In the initial position of the rotor, a signal from the sensor of the initial position of the poor 10 is supplied to the first input of the control of the controlled key 9 and the controlled keys 13 and 14. The keys 9, 13 and 14 are opened, and the winding 5 is connected to the power source 6 and the electric capacitor 12 charged in the previous the operation of the energy converter, while the diodes 8 and 16 are closed by the reverse voltage of the power source 6 and the electric capacitor 12. This leads to the appearance of an electric current in the winding 5, and in the air gap 4 a magnetic field, which creates t electromagnetic force moving the rotor from the initial position. In the intermediate position of the rotor, according to the signal from the intermediate position sensor of the pole 11, the controlled key 9 is closed and the power supply 6 is disconnected from the diode 8 and the electric capacitor 12. When the capacitor 12 is discharged through the open keys 13 and 14, the diodes 8 and 16 open and the coil 5 it will be short-circuited through a controlled key 13, diodes 8 and 16, and a controlled key 14. Thus, as in the previous case, the rotor moves under the influence of electromagnetic force at an almost constant flux linkage, doing useful work. In the position of the rotor with the minimum magnetic resistance in the air gap 4, according to the signal of the sensor of the final position of the rotor 17, the keys 13 and 14 will be closed. The electric current caused by the remaining magnetic energy in the air gap 4 and the magnetic circuit through the diodes 8 and 16 will charge the capacitor 12, the energy of which is used during the next cycle of the energy converter.

При использовании в качестве датчика начального положения ротора датчика фазы управляемый ключ 9 и управляемые ключи 13 и 14 открываются при заданной фазе волны напряжения источника питания 6, при этом ротор уже находится в исходном положении с максимальным магнитным сопротивлением в воздушном зазоре благодаря действию возвращающего устройства 19. When using the phase sensor rotor as the initial position sensor, the controlled key 9 and controlled keys 13 and 14 open at a given phase of the voltage wave of the power source 6, while the rotor is already in the initial position with the maximum magnetic resistance in the air gap due to the action of the returning device 19.

При использовании в качестве датчика промежуточного положения ротора датчика скорости изменения электрического тока 22 ключ 9 закрывается при достижении максимального тока в цепи обмотки 5. When used as a sensor for the intermediate position of the rotor of the sensor, the rate of change of electric current 22, key 9 closes when the maximum current in the winding circuit 5 is reached.

При использовании в качестве датчика конечного положения ротора датчика минимального электрического тока 23 ключи 13 и 14 закрываются при достижении минимального тока в цепи обмотки 5. When using the sensor of the minimum position of the rotor of the sensor of the minimum electric current 23, the keys 13 and 14 are closed when the minimum current in the winding circuit 5 is reached.

Таким образом, в преобразователе энергии во время деформации магнитного поля в воздушном зазоре обеспечиваются отключение источника питания и замыкание обмотки накоротко по сигналам датчиков положения ротора. Это позволяет производить преобразование энергии при почти постоянном потокосцеплении и повысить тем самым энергетические показатели преобразователя энергия. Энергетические показатели дополнительно повышаются использованием остающейся магнитной энергии при положении ротора с минимальным магнитным сопротивлением в воздушном зазоре в последующем цикле работы. Thus, in the energy converter during deformation of the magnetic field in the air gap, the power supply is turned off and the winding is short-circuited by the signals of the rotor position sensors. This allows energy conversion at an almost constant flux linkage and thereby increase the energy performance of the energy converter. Energy performance is further enhanced by using the remaining magnetic energy when the rotor is positioned with minimal magnetic resistance in the air gap in the next cycle of operation.

Источники информации
1. Ряшенцев Н.П., Ряшенцев В.Н. Электромагнитный привод линейных машин. Новосибирск: Наука, 1985, с. 127-130.Sources of information
1. Ryashentsev N.P., Ryashentsev V.N. The electromagnetic drive of linear machines. Novosibirsk: Nauka, 1985, p. 127-130.

2. Патент СССР N 1066469, кл. H 02 K 33/00. Генератор возвратно-поступательного движения (Жак Анри Жарре, Жан Мари Батист Жарре (Франция)). Заявл. 09.06.75., опубл. 07.01.84. (прототип). 2. USSR patent N 1066469, cl. H 02 K 33/00. Reciprocating motion generator (Jacques Henri Jarre, Jean-Marie Baptiste Jarre (France)). Claim 06.06.75., Publ. 01/07/84. (prototype).

Claims

1. An energy converter comprising a stator magnetic circuit with poles, a rotor arranged to move along the poles, a winding coupled to a magnetic circuit, a power source connected to the diode cathode by one output, a controlled key, a cathode connected to the second output of the power source, and an anode connected to the anode of the diode connected to one of the terminals of the winding, and rotor position sensors, characterized in that the cathode of the diode is additionally connected to the second terminal of the winding, while the output of the initial position sensor p torus connected to the first control input of controllable switch, a second control input coupled to an output of the intermediate rotor position sensor.

2. The energy Converter according to claim 1, characterized in that the sensor of the initial position of the rotor is a voltage phase sensor connected to an AC voltage power source.

3. The energy Converter according to claim 2, characterized in that the sensor of the intermediate position of the rotor is a second voltage phase sensor connected to an AC voltage power source.

4. The energy Converter according to claim 1 or 3, characterized in that the sensor of the intermediate position of the rotor is a sensor of the rate of change of electric current included in the winding circuit.