RU2287729C1

RU2287729C1 - Electromagnetic damper

Info

Publication number: RU2287729C1
Application number: RU2005112133/11A
Authority: RU
Inventors: Евгений Васильевич Сидоров (RU); Евгений Васильевич Сидоров; Рудольф Иванович Тюкавин (RU); Рудольф Иванович Тюкавин
Original assignee: ООО "Ферромаг"
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-11-20

Abstract

FIELD: means for damping vibration.

SUBSTANCE: electromagnetic damper comprises shaft mounted on bearings and provided with aluminum sleeve mounted in the housing of the magnetic system. The inner space of the sleeve receives cylindrical magnetic circuit made of magnetically soft material and provided with hollows arranged uniformly over outer circumference. The hollows receive axles with the roller bearings that bears the free end of the aluminum sleeve. The outer multi-pole stator is made of a magnetic circuit and provided with high-energy permanent magnet mounted on its inner surface.

EFFECT: reduced cost and enhanced reliability.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для гашения колебаний и кинетической энергии, возникающих при стыковке косметических аппаратов (КА), а также иных объектов и механизмов. Такие демпферы вместе с пружинными и кинематическими устройствами образуют амортизационную систему электромеханических стыковочных механизмов (СТМ). Входной величиной является угловая скорость, пропорциональная скорости перемещения штанги при стыковке, выходной - возникающий на валу момент, пропорциональный угловой скорости вращенияThe present invention relates to the field of electrical engineering and can be used to damp vibrations and kinetic energy arising from the docking of cosmetic devices (KA), as well as other objects and mechanisms. Such dampers together with spring and kinematic devices form a shock-absorbing system of electromechanical docking mechanisms (STM). The input quantity is the angular velocity proportional to the speed of movement of the rod during docking, the output is the moment arising on the shaft proportional to the angular velocity of rotation

Электромагнитный демпфер (ЭМД) представляет собой электрическую машину магнитоэлектрического типа, в кольцевом зазоре статора которой, образованном постоянными магнитами, вращается полый, немагнитный ротор. Принцип действия ЭМД основан на взаимодействии результирующего магнитного поля в зазоре с вихревыми токами, наводимыми во вращающемся роторе. В зависимости от скорости вращения ротора меняются токи в нем и магнитное поле в зазоре. Взаимодействие аксиальной составляющей токов с радиальной составляющей результирующего магнитного поля демпфера определяют его механическую характеристику М_Т=f(ωρ).The electromagnetic damper (EMD) is an electric machine of the magnetoelectric type, in the annular stator gap of which is formed by permanent magnets, a hollow, non-magnetic rotor rotates. The principle of EMD operation is based on the interaction of the resulting magnetic field in the gap with eddy currents induced in a rotating rotor. Depending on the rotor speed, the currents in it and the magnetic field in the gap change. The interaction of the axial component of the currents with the radial component of the resulting magnetic field of the damper determines its mechanical characteristic M _T = f (ωρ).

Такая конструктивная схема обеспечивает малую инерционность и эффективность других характеристик демпфера. Демпферы с постоянными магнитами наиболее просты по конструкции, не требуют управления, не нуждаются во внешнем источнике энергии, надежны в работе. ЭМД поглощают и рассеивают энергию соударяющихся аппаратов и в этом смысле являются энергопоглощающимися элементами с высокой удельной энергоемкостью.This design scheme provides low inertia and the effectiveness of other characteristics of the damper. Permanent magnet dampers are the simplest in design, do not require control, do not need an external energy source, and are reliable in operation. EMDs absorb and disperse the energy of colliding apparatuses and, in this sense, are energy absorbing elements with a high specific energy intensity.

В качестве прототипа принята конструкция электромагнитного демпфера, представленная на фиг.1 (см. B.C.Сыромятников. Стыковочные устройства космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1984, - 216 с.).As a prototype, the design of the electromagnetic damper adopted, shown in figure 1 (see B.C. Syromyatnikov. Docking devices of spacecraft. - M.: Engineering, 1984, - 216 S.).

Данная конструкция (фиг.1) состоит из вала 1, установленного в корпусе 2 на шарикоподшипниках 3 так, что имеет только одну степень свободы - возможность вращаться. На валу неподвижно закреплен ротор 4, выполненный в виде стакана из алюминия. Для устранения возможных колебаний ротор через подшипник качения опирается на держатель 4. Во внутренней полости ротора неподвижно установлен четырехполюсный постоянный магнит 5. Изготовленный из сплава ЮНДКТ5АА (по ГОСТ 17809-72) в виде цилиндра.This design (figure 1) consists of a shaft 1 mounted in a housing 2 on ball bearings 3 so that it has only one degree of freedom - the ability to rotate. The rotor 4, made in the form of a glass of aluminum, is fixedly mounted on the shaft. To eliminate possible vibrations, the rotor through the rolling bearing rests on the holder 4. In the inner cavity of the rotor a four-pole permanent magnet 5 is fixedly mounted. It is made of an UNDKT5AA alloy (according to GOST 17809-72) in the form of a cylinder.

Алюминиевый ротор установлен в зазоре между наружным статором 6 и внутренним цилиндрическим магнитом 5. Наружный статор 6 - четырехполюсный, с явно выраженными полюсами. Магнитное поле статора создается четырьмя постоянными магнитами из сплава ЮНДК (по ГОСТ 17809-72). Магнитопровод выполнен из элетротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Четыре магнита и магнитопровод статора спрессованы в единый узел теплостойким и высокопрочным стеклопластиком.An aluminum rotor is installed in the gap between the outer stator 6 and the inner cylindrical magnet 5. The outer stator 6 is a four-pole, with pronounced poles. The stator magnetic field is created by four permanent magnets from the UNDK alloy (according to GOST 17809-72). The magnetic core is made of electrical steel with high magnetic permeability. Four magnets and a stator magnetic circuit are pressed into a single unit with heat-resistant and high-strength fiberglass.

Держатель 7 закреплен к заднему щиту 8. Корпус, статор и задний щит соединены с помощью четырех шпилек 9. Конструкция обеспечивает соосное расположение ротора относительно отверстия статора и цилиндрической поверхности внутреннего магнита с минимально возможными отклонениями.The holder 7 is fixed to the rear shield 8. The housing, the stator and the rear shield are connected using four studs 9. The design provides a coaxial arrangement of the rotor relative to the stator bore and the cylindrical surface of the inner magnet with the smallest possible deviations.

Корпус 2, задний щит 8 и держатель 7 выполнены из немагнитных материалов.The housing 2, the rear shield 8 and the holder 7 are made of non-magnetic materials.

Существующая конструкция обеспечивает надежную работу ЭМД в широком диапазоне вращения выходного вала (от 100 до 3000 об/мин) и создает тормозной момент, равный 6,2 кгс·см при 3000 об/мин и массе ЭМД, равной 0,55 кг.The existing design ensures reliable operation of EMD in a wide range of rotation of the output shaft (from 100 to 3000 rpm) and creates a braking torque of 6.2 kgf · cm at 3000 rpm and a mass of EMD of 0.55 kg.

Основными недостатками данной конструкции являются:The main disadvantages of this design are:

1. Высокая цена магнитной системы из-за применения монокристаллического четырехполюсного внутреннего магнита.1. The high price of the magnetic system due to the use of a single-crystal four-pole internal magnet.

2. Большая трудоемкость сборки ЭМД.2. The high complexity of the assembly of EMD.

3. Большая величина отношения массы ЭМД к величине магнитного потока.3. A large value of the ratio of the mass of EMD to the magnitude of the magnetic flux.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является снижение стоимости ЭМД, снижение трудоемкости изготовления конструкции, повышение надежности при эксплуатации, снижение отношения массы ЭМД к величине магнитного потока.The technical result achieved during the implementation of the invention is to reduce the cost of EMD, reduce the complexity of manufacturing structures, increase reliability during operation, reduce the ratio of the mass of EMD to the magnitude of the magnetic flux.

Этот технический результат достигается тем, что в электромагнитном демпфере, включающем вал на подшипниках с закрепленным на нем алюминиевым стаканом, имеющим одну степень свободы (вращение), установленным в корпусе магнитной системы, состоящей из магнитопровода и постоянных магнитов, во внутреннее пространство алюминиевого стакана неподвижно установлен цилиндрический магнитопровод из магнитомягкого материала, снабженный выемками, расположенными равномерно по наружной окружности, в которых установлены оси с подшипниками качения, служащими опорой свободного конца алюминиевого стакана, а наружный многополюсный статор выполнен из магнитопровода с закрепленными на внутренней его поверхности высокоэнергетическими постоянными магнитами, при этом толщину магнитов (h) определяют из соотношенияThis technical result is achieved by the fact that in the electromagnetic damper, including the shaft on bearings with an aluminum cup fixed on it, having one degree of freedom (rotation), installed in the body of a magnetic system consisting of a magnetic circuit and permanent magnets, it is fixedly mounted in the inner space of the aluminum cup a cylindrical magnetic core made of soft magnetic material, equipped with recesses uniformly along the outer circumference, in which axes with rolling bearings are installed, with uzhaschimi support the free end of the aluminum cup, and an outer multi-pole stator is formed of a magnetic core fixed to the inner surface thereof with high-energy permanent magnets, wherein the magnet thickness (h) is determined from the relation

h=(0,15...0,3)r,h = (0.15 ... 0.3) r,

где r - внутренний радиус магнитопровода, а наружную длину дуги магнита (В) определяют из соотношения В=(0,5...0,8)2πr/n, где n - количество магнитов в магнитной системе.where r is the inner radius of the magnetic circuit, and the outer length of the arc of the magnet (B) is determined from the ratio B = (0.5 ... 0.8) 2πr / n, where n is the number of magnets in the magnetic system.

На фиг.2 представлен предлагаемый электромагнитный демпфер, включающий вал 1 на подшипниках 2 с закрепленным на нем алюминиевым стаканом 3, который установлен в корпусе магнитной системы. Магнитная система состоит из магнитопровода 4 и постоянных магнитов 5. Во внутреннее пространство алюминиевого стакана 3 неподвижно установлен цилиндрический магнитопровод 6 из магнитомягкого материала, снабженный выемками, расположенными равномерно по окружности, в которых установлены оси с подшипниками качения 7, служащими опорой свободного конца алюминиевого стакана 3. Наружный многополюсный статор выполнен из магнитопровода 4 с закрепленными на внутренней его поверхности высокоэнергетическими постоянными магнитами 5.Figure 2 presents the proposed electromagnetic damper, comprising a shaft 1 on bearings 2 with an aluminum cup 3 mounted on it, which is installed in the body of the magnetic system. The magnetic system consists of a magnetic circuit 4 and permanent magnets 5. A cylindrical magnetic circuit 6 of magnetically soft material is fixedly installed in the inner space of the aluminum cup 3, provided with recesses evenly spaced around which axes with rolling bearings 7 are installed that support the free end of the aluminum cup 3 The external multipolar stator is made of a magnetic circuit 4 with high-energy permanent magnets 5 fixed on its inner surface.

Электромагнитный демпфер работает следующим образом. При гашении механических энергий обеспечивается вращение алюминиевого стакана 3, закрепленного на валу 1 в зазоре между постоянными магнитами 5, собранными на наружном магнитопроводе 4, и внутренним цилиндрическим магнитопроводом 6. Наружные концы алюминиевого стакана опираются на подшипники качения 7. В алюминиевом стакане 3 при его вращении в магнитном поле возникают вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитным полем, созданным магнитной системой. Чем быстрее вращается алюминиевый стакан, тем чаще возникают вихревые токи и тем больше эффект торможения.The electromagnetic damper operates as follows. When quenching the mechanical energies, rotation of the aluminum cup 3 is secured to the shaft 1 in the gap between the permanent magnets 5 assembled on the outer magnetic circuit 4 and the inner cylindrical magnetic circuit 6. The outer ends of the aluminum cup are supported by rolling bearings 7. In the aluminum cup 3 when it is rotated eddy currents arise in the magnetic field, which interact with the magnetic field created by the magnetic system. The faster the aluminum cup rotates, the more often eddy currents occur and the greater the braking effect.

Использование наружного магнитопровода с закрепленными на внутренней поверхности высокоэнергетических постоянных магнитов (например, из сплава NdFeB с Br≥1,1 Тл; Н_СВ≥850 кА/м; H_CJ≥1000 кА/м) позволяет отказаться от применения в конструкции ЭМД внутреннего четырехполюсного магнита и заменить его на магнитопровод из магнитомягкого материала в форме цилиндра.The use of an external magnetic circuit with high-energy permanent magnets fixed on the inner surface (for example, from an NdFeB alloy with Br≥1.1 T; N _CB ≥850 kA / m; H _CJ ≥1000 kA / m) allows you to abandon the use of an internal four-pole EMD design magnet and replace it with a magnetic core made of soft magnetic material in the form of a cylinder.

При отсутствии внутреннего магнитопровода величина магнитного потока в рабочем зазоре уменьшается на 10-15%.In the absence of an internal magnetic circuit, the magnitude of the magnetic flux in the working gap decreases by 10-15%.

Для наружного статора применяют скобообразные магниты, которые закрепляются на внутреннюю цилиндрическую поверхность магнитопровода. При этом толщина магнита принимается равной (0,15... 0,3) от внутреннего радиуса магнитопровода. При толщине магнита меньше 0,15·r величина магнитного потока в рабочем зазоре понижается. При высоте магнита больше 0,3·r магнита поток в ЭМД также уменьшается.For the external stator, staple magnets are used, which are fixed to the inner cylindrical surface of the magnetic circuit. In this case, the thickness of the magnet is taken equal to (0.15 ... 0.3) from the inner radius of the magnetic circuit. When the thickness of the magnet is less than 0.15 · r, the magnitude of the magnetic flux in the working gap decreases. When the height of the magnet is greater than 0.3 · r of the magnet, the flux in the EMD also decreases.

Наибольшая величина магнитного потока в магнитной системе получается при длине дуги магнита, которую определяют из соотношения В=(0,5... 0,8)2 πr/n.The largest magnitude of the magnetic flux in the magnetic system is obtained with the length of the arc of the magnet, which is determined from the ratio B = (0.5 ... 0.8) 2 πr / n.

При длине дуги магнита меньше 0,5·2 πr/n, а также больше 0,8·2 πr/n магнитный поток в рабочем зазоре уменьшается.When the length of the arc of the magnet is less than 0.5 · 2 πr / n, and also more than 0.8 · 2 πr / n, the magnetic flux in the working gap decreases.

Конкретные примеры зависимости величины магнитного потока в рабочем зазоре магнитной системы приведены в таблице.Specific examples of the dependence of the magnitude of the magnetic flux in the working gap of the magnetic system are given in the table.

ТаблицаTable Внутренний радиус магнитопровода, ммThe inner radius of the magnetic circuit, mm Высота магнита, h,
ммMagnet Height, h,
mm Длина дуги магнита, В, ммMagnet arc length, V, mm Магнитный поток в системе, ⌀d·10^-4 вδ (δ=1,55 ммMagnetic flux in the system, ⌀d · 10 ^{-4 in} δ (δ = 1.55 mm Кол-во магнитовNumber of magnets n=2n = 2 20,020,0 22 4444 3,13,1 20,020,0 33 4444 3,453.45 20,020,0 4four 4444 3,473.47 20,020,0 66 4444 3,463.46 20,020,0 77 4444 3,153.15 20,020,0 4four 20twenty 2,82,8 20,020,0 4four 30thirty 3,13,1 20,020,0 4four 3535 3,443.44 20,020,0 4four 4040 3,453.45 20,020,0 4four 4545 3,473.47 20,020,0 4four 50fifty 3,443.44 20,020,0 4four 5555 3,23.2 Количество магнитовNumber of magnets n=4n = 4 20,020,0 22 2222 3,053.05 20,020,0 33 2222 3,53,5 20,020,0 4four 2222 3,543,54 20,020,0 66 2222 3,543,54 20,020,0 77 2222 3,13,1 20,020,0 4four 1010 2,852.85 20,020,0 4four 15fifteen 2,802.80 20,020,0 4four 18eighteen 3,453.45 20,020,0 4four 20twenty 3,513,51 20,020,0 4four 2222 3,583,58 20,020,0 4four 2525 3,553,55 20,020,0 4four 2828 2,832.83

Claims

An electromagnetic damper, comprising a shaft on bearings with an aluminum cup mounted on it, having one degree of freedom (rotation), installed in the body of a magnetic system consisting of a magnetic circuit and permanent magnets, characterized in that a cylindrical magnetic circuit made of soft magnetic material is fixedly installed in the inner space of the aluminum glass material, equipped with recesses evenly spaced around the outer circumference, in which there are axles with rolling bearings that serve as a support for free an aluminum cup, and the external multipolar stator is made of a magnetic circuit with high-energy permanent magnets fixed on its inner surface, while the thickness of the magnets (h) is determined from the relation h = (0.15 ÷ 0.3) · r, where r is the inner radius the magnetic circuit, and the outer length of the arc of the magnet (B) is determined from the ratio

where n is the number of magnets in the magnetic system.