RU2455145C1

RU2455145C1 - Linear electromagnetic percussion-type motor

Info

Publication number: RU2455145C1
Application number: RU2010147781/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Юрьевич Нейман (RU); Владимир Юрьевич Нейман; Юлия Борисовна Смирнова (RU); Юлия Борисовна Смирнова; Андрей Алексеевич Скотников (RU); Андрей Алексеевич Скотников; Дмитрий Михайлович Евреинов (RU); Дмитрий Михайлович Евреинов
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2012-07-10
Also published as: RU2010147781A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to percussion tools with electromagnetic drives. Nonmagnetic case 1 houses cylindrical stator 3, coil 4 confined by top and bottom ferromagnetic poles 5, 6 at its ends, and armature 7 made from ferromagnetic. Inner surface of top ferromagnetic pole 6 is conjugated with armature side surface along its diameter to make air gap. Annular grooves are made on inner surface of pole 6 with constant spacing to make annular ledges 12 while mate ledges 11 are made on armature side surface. Spacing of annular ledges 11 corresponds to that of annular ledges 12. Bottom end face of armature 7 makes air gap with bottom pole 5.

EFFECT: simplified design, higher stability.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электромагнитным машинам ударного действия и может быть использовано в машиностроении при производстве электромагнитных прессов, молотов и других ударных импульсных устройств с поступательным движением рабочих органов.The invention relates to electromagnetic shock machines and can be used in mechanical engineering in the production of electromagnetic presses, hammers and other shock pulse devices with translational movement of the working bodies.

Известен линейный электромагнитный двигатель ударного действия [RU 2192346 C2], состоящий из статора, включающего катушку, магнитопровод и направляющую, внутри которой размещается боек, фиксируемый возвращающим и тормозящим упругими элементами (пружинами), что обеспечивает максимальный запас магнитной энергии в катушке.Known linear electromagnetic percussion motor [RU 2192346 C2], consisting of a stator including a coil, a magnetic circuit and a guide, inside which is located the firing pin, fixed returning and braking elastic elements (springs), which provides the maximum supply of magnetic energy in the coil.

Недостатком указанной конструкции электромагнитного двигателя является нестабильность работы в области низких частот, связанная со сложностью синхронизации вынуждающих воздействий тяговых импульсов катушки и частоты собственных колебаний упругих элементов, а также низкая энергия удара при нанесении одиночных ударов.The disadvantage of this design of the electromagnetic motor is the instability of work in the low frequency region, associated with the difficulty of synchronizing the forcing effects of the traction pulses of the coil and the frequency of natural vibrations of the elastic elements, as well as the low impact energy during single strikes.

Известен линейный электромагнитный двигатель ударного действия с удержанием якоря [RU 2111847 С1], состоящий из корпуса с размещенными в нем магнитопроводом с катушкой, к которой жестко примыкает ферромагнитный кольцевой полюс, возвратной пружины, подпружиненной направляющей втулки с установленными в ней бойком, ферромагнитным буфером и буксой с рабочим инструментом. Характерной особенностью линейных электромагнитных двигателей, работающих при относительно небольших рабочих зазорах и обладающих высокой индуктивностью цепи, является то, что время движения бойка значительно меньше времени нарастания тока в цепи обмотки до установившегося значения. Поэтому несомненным преимуществом указанной конструкции является повышение энергии удара за счет удержания якоря на этапе трогания, однако существенным недостатком является нестабильность энергии удара, связанная с тем, что между ферромагнитными поверхностями якоря и буфера в начале каждого цикла возникает дополнительное усилие, обусловленное остаточным намагничиванием, оказывающее влияние на усилие удержание якоря и приводящее к нестабильной энергии удара.Known linear electromagnetic shock motor with anchor retention [RU 2111847 C1], consisting of a housing with a magnetic circuit with a coil placed in it, to which a ferromagnetic ring pole, a return spring, a spring-loaded guide sleeve with a striker installed in it, a ferromagnetic buffer and a axle box are rigidly adjacent with a working tool. A characteristic feature of linear electromagnetic motors operating at relatively small working gaps and having high circuit inductance is that the striker travel time is much shorter than the rise time of the current in the winding circuit to a steady state. Therefore, an undoubted advantage of this design is an increase in impact energy due to the anchor retained at the start-up stage, however, a significant disadvantage is the instability of impact energy due to the additional force arising between the ferromagnetic surfaces of the armature and the buffer at the beginning of each cycle, which is caused by residual magnetization, which affects the force is holding the anchor and leading to unstable impact energy.

Известна также конструкция однообмоточного линейного электромагнитного двигателя ударного действия, входящего в состав электропривода возвратно-поступательного движения [SU 1136294 A1, который является наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения (прототип). Этот линейный электромагнитный двигатель ударного действия содержит размещенные в немагнитном корпусе цилиндрический статор с катушкой, ограниченной с торцов верхним и нижним полюсами, выполненными в виде ферромагнитных колец, ферромагнитный якорь, возвратную пружину и устройство удержания в виде жестко соединенного с немагнитным корпусом управляемого электромагнита, полюс которого обращен к торцевой части якоря. Такое техническое решение позволяет увеличить удельную энергию удара в 2-3 раза.Also known is the design of a single-winding linear electromagnetic shock motor, which is part of a reciprocating electric drive [SU 1136294 A1, which is the closest analogue of the proposed technical solution (prototype). This linear electromagnetic shock motor contains a cylindrical stator located in a non-magnetic casing with a coil bounded at the ends by upper and lower poles in the form of ferromagnetic rings, a ferromagnetic armature, a return spring and a holding device in the form of a controlled electromagnet rigidly connected to the non-magnetic casing, whose pole facing the end of the anchor. This technical solution allows to increase the specific energy of the impact by 2-3 times.

Недостатками указанного электромагнитного двигателя с устройством удержания в виде дополнительно устанавливаемого управляемого электромагнита является нестабильность энергии удара, обусловленная остаточным намагничиванием удерживающего электромагнита, а также сложность исполнения.The disadvantages of this electromagnetic motor with a holding device in the form of an additionally installed controlled electromagnet is the instability of the impact energy due to the residual magnetization of the holding electromagnet, as well as the complexity of execution.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и повышение стабильности энергии удара линейного электромагнитного двигателя ударного действия.The task of the invention is to simplify the design and increase the stability of the impact energy of a linear electromagnetic percussion motor.

Указанная задача достигается тем, что в линейном электромагнитном двигателе ударного действия, содержащем размещенные в немагнитном корпусе цилиндрический статор с катушкой, ограниченной с торцов нижним и верхним ферромагнитными полюсами, якорь, подшипники скольжения и возвратную пружину, на якоре и на сопряженной с ним по диаметру внутренней поверхности верхнего ферромагнитного полюса выполнены поперечные кольцевые проточки, образующие кольцевые выступы.This problem is achieved by the fact that in a linear electromagnetic shock motor containing a cylindrical stator with a coil bounded at the ends of the lower and upper ferromagnetic poles, an armature, sliding bearings and a return spring, anchored and connected with an inner diameter The surface of the upper ferromagnetic pole has transverse annular grooves forming annular protrusions.

На чертеже показана конструкция предлагаемого линейного электромагнитного двигателя ударного действия на начальном этапе движения в режиме удержания якоря.The drawing shows the design of the proposed linear electromagnetic shock motor at the initial stage of movement in the mode of holding the armature.

Предлагаемый линейный электромагнитный двигатель ударного действия содержит размещенные в немагнитном корпусе 1 с крышкой 2 цилиндрический статор 3, катушку 4, ограниченную с торцов нижним 5 и верхним 6 ферромагнитными полюсами, якорь 7 из ферромагнитного материала, установленный с возможностью осевого перемещения, подшипники скольжения 8, 9 и возвратную пружину 10. Внутренняя поверхность верхнего ферромагнитного полюса 6 сопряжена по диаметру с боковой поверхностью якоря 7. Место сопряжения поверхностей образует нерабочий воздушный зазор Δ. На внутренней поверхности верхнего ферромагнитного полюса 6 по всей его длине с постоянным шагом выполнены кольцевые проточки, образующие кольцевые выступы 12. На боковой поверхности якоря 7 по длине верхнего ферромагнитного полюса 6 выполнены ответные кольцевые выступы 11. Шаг кольцевых выступов 11 на якоре 7 соответствует шагу кольцевых выступов 12 верхнего ферромагнитного полюса 6. Нижняя (рабочая) торцевая поверхность якоря 7 образует с нижним ферромагнитным полюсом 5 рабочий воздушный зазор δ.The proposed linear electromagnetic shock motor contains a cylindrical stator 3 located in a non-magnetic housing 1 with a cover 2, a coil 4 bounded from the ends of the lower 5 and upper 6 ferromagnetic poles, an armature 7 made of ferromagnetic material, mounted with axial movement, sliding bearings 8, 9 and a return spring 10. The inner surface of the upper ferromagnetic pole 6 is mated in diameter with the lateral surface of the armature 7. The interface of the surfaces forms an inoperative air gap Δ. On the inner surface of the upper ferromagnetic pole 6 along its entire length, annular grooves are formed that form annular protrusions 12. On the lateral surface of the armature 7 along the length of the upper ferromagnetic pole 6 there are reciprocal annular protrusions 11. The step of the annular protrusions 11 on the anchor 7 corresponds to the step of the annular protrusions 12 of the upper ferromagnetic pole 6. The lower (working) end surface of the armature 7 forms with the lower ferromagnetic pole 5 a working air gap δ.

Линейный электромагнитный двигатель ударного действия работает следующим образом. В исходном состоянии якорь 7 под действием усилия возвратной пружины 10 находится в крайнем верхнем положении, т.е. верхняя торцевая часть якоря плотно поджата к немагнитному корпусу 1.Linear electromagnetic shock motor operates as follows. In the initial state, the armature 7 under the action of the force of the return spring 10 is in its highest position, i.e. the upper end part of the anchor is tightly pressed to the non-magnetic body 1.

При подаче на катушку 4 импульса напряжения по мере нарастания тока в магнитной цепи возбуждается магнитный поток Ф, который последовательно замыкается через сечения цилиндрического статора 3, верхнего ферромагнитного полюса 6, кольцевых выступов 12, нерабочего воздушного зазора Δ, кольцевого выступа 11, якоря 7, рабочего воздушного зазора δ, нижнего ферромагнитного полюса 5 и цилиндрического статора 3.When a voltage pulse is applied to the coil 4, as the current increases in the magnetic circuit, magnetic flux Φ is excited, which sequentially closes through the sections of the cylindrical stator 3, the upper ferromagnetic pole 6, the annular protrusions 12, the idle air gap Δ, the annular protrusion 11, the armature 7, the working air gap δ, the lower ferromagnetic pole 5 and the cylindrical stator 3.

В начальный момент протекания тока по катушке 4 электромагнитное усилие удержания F_y, возникающее между кольцевыми выступами 11, 12, вызванное прохождением магнитного потока Ф через технологический зазор Δ, превышает усилие F_δ, возникающее в рабочем воздушном зазоре δ, т.е. F_y>F_δ, и якорь 7 остается некоторое время неподвижным.At the initial moment of current flow through the coil 4, the electromagnetic holding force F _y arising between the annular protrusions 11, 12, caused by the passage of the magnetic flux F through the process gap Δ, exceeds the force F _δ arising in the working air gap δ, i.e. F _y > F _δ , and anchor 7 remains motionless for some time.

По мере нарастания тока в цепи катушки 4 и увеличения основного магнитного потока Ф происходит насыщение кольцевых выступов 11, 12, что приводит к перераспределению электромагнитных усилий F_δ и F_y, действующих на якорь 7. Начиная с момента времени, когда усилие в рабочем зазоре δ превысит усилие удержания, F_δ>F_y, а магнитная система двигателя обеспечит необходимый запас магнитной энергии, происходит отрыв якоря 7 и ускоренное его перемещение. На интервале движения якоря усилие удержания F_y=0.As the current increases in the circuit of the coil 4 and the main magnetic flux Φ increases, the annular protrusions 11, 12 become saturated, which leads to the redistribution of the electromagnetic forces F _δ and F _y acting on the armature 7. Starting from the point in time when the force in the working gap δ will exceed the holding force, F _δ > F _y , and the magnetic system of the engine will provide the necessary supply of magnetic energy, the armature 7 will break and accelerate its movement. On the interval of movement of the anchor, the holding force F _y = 0.

При отключении импульса напряжения после завершения рабочего хода якорь 7 под действием усилия возвратной пружины 10 возвращается в исходное состояние.When you turn off the voltage pulse after completion of the stroke, the armature 7 under the action of the force of the return spring 10 returns to its original state.

Выполнение на внутренней поверхности верхнего ферромагнитного полюса 6 и боковой поверхности якоря 7 поперечных кольцевых выступов 11, 12 обеспечивает бесконтактное электромагнитное удержание якоря 7 в начале рабочего хода. Это позволяет повысить стабильность энергии удара якоря 7 и упростить конструкцию линейного электромагнитного двигателя, так как удержание осуществляется электромагнитными силами катушки 4 без использования дополнительных устройств. Изменением количества кольцевых выступов 11, 12 и их размеров можно регулировать начальное усилие удержания якоря 7 и, как следствие, энергию удара.The execution on the inner surface of the upper ferromagnetic pole 6 and the lateral surface of the armature 7 of the transverse annular protrusions 11, 12 provides contactless electromagnetic retention of the armature 7 at the beginning of the stroke. This allows to increase the stability of the impact energy of the armature 7 and to simplify the design of a linear electromagnetic motor, since the holding is carried out by the electromagnetic forces of the coil 4 without the use of additional devices. By changing the number of annular protrusions 11, 12 and their sizes, it is possible to adjust the initial holding force of the armature 7 and, as a result, the impact energy.

Выполнение линейного электромагнитного двигателя ударного действия с поперечными кольцевыми проточками на якоре и на сопряженной с ним по диаметру боковой поверхности верхнего ферромагнитного полюса обеспечивает прохождение основной части магнитного потока на этапе трогания через образовавшиеся кольцевые выступы, что приводит к бесконтактному удержанию якоря на этапе трогания без использования дополнительных устройств удержания и, таким образом, к упрощению конструкции и повышению стабильности энергии удара линейного электромагнитного двигателя ударного действия.Performing a linear electromagnetic shock motor with transverse annular grooves at the anchor and at the diameter of the lateral surface of the upper ferromagnetic pole allows the main part of the magnetic flux to pass through the formed annular protrusions during pulling, which leads to non-contact retention of the armature during pulling without using additional holding devices and, thus, to simplify the design and increase the stability of the impact energy of the linear electromagnet percussion engine.

Claims

A linear electromagnetic shock motor containing a cylindrical stator located in a non-magnetic casing with a coil bounded at the ends of the lower and upper ferromagnetic poles, an armature, a return spring and sliding bearings, characterized in that the inner surface of the upper ferromagnetic pole is made with a constant pitch along the length of the pole annular protrusions, while on the lateral surface of the armature mated in diameter with the upper ferromagnetic pole, mating annular protrusions are formed with a step, corresponding to the step of the annular protrusions of the upper pole.