Самотормозящийся винтовой домкрат с аксиальным электродвигателем

Изобретение относится к винтовым домкратам и служит для поднятия и опускания Изобретение относится к винтовым домкратам и служит для поднятия и опускания грузов с автоматической остановкой и фиксацией положения после отключения питающего напряжения.

Известна конструкция винтового домкрата, приводимого в действие электродвигателем (АС №44325, 1935 г.).

На полом цилиндрическом корпусе домкрата, усиленном радиальными кронштейнами, установлен электродвигатель» полый вал которого вращается на шарикоподшипниках. В верхней расширенной части вала вварена (или закреплена иным способом) гайка грузового винта, пропущенного внутри полого вала. Винт имеет сверху не вращающуюся головку для принятия нагрузки, внизу корпуса расположено колесо для удобства транспортировки.

Согласно изобретению, грузовой винт домкрата получает движение непосредственно от вала электродвигателя, расположенного в самом корпусе домкрата, причем, вал этот сделан полым, и винт проходит внутри него, а гайка винта соединена с ним или составляет одно целое с валом.

Недостатком данной конструкции является то, что домкрат не имеет возможности уменьшения времени остановки приводного электродвигателя после отключения обмотки возбуждения от источника питания, что сказывается на точности позиционирования винта домкрата.

Помимо этого, в конструкции отсутствует возможность фиксации положения поднимаемого или опускаемого груза после отключения питания приводного электродвигателя.

Кроме этого, цилиндрическая конструкция приводного электродвигателя имеет осевую длину, которая дополнительно увеличивает высоту домкрата и ограничивает возможность поднятия и опускания груза на малой высоте, т.е. сужает высотные пределы работы домкрата.

Так же, в винтовом домкрате применяется приводной электродвигатель с цилиндрической расточкой статора и ротора. Для увеличения массы поднимаемого или опускаемого груза в данной конструкции необходимо увеличить крутящий момент на его валу. Это можно реализовать путем увеличения мощности приводного электродвигателя, и увеличения его радиальных размеров (увеличение радиуса цилиндрической расточки ротора и статора), что неизбежно приведет к перерасходу активных материалов и повышению его себестоимости.

Важно отметить, что в данной конструкции имеется механическая передача гайка-винт, которая имеет малую величину передаточного числа и имеет ограничения к ее увеличению. Это ведет к тому, что при установленной мощности приводного электродвигателя имеется ограничение к увеличению крутящего момента действующего на гайку, что уменьшает грузоподъемность домкрата и ограничивает сферу его применения. Все это в целом, ведет к сужению сферы применения домкратов данной конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является самотормозящийся винтовой домкрат с аксиальным электродвигателем (патент РФ №2601996, опубликован 10.11.2016 г., бюл. №31).

Самотормозящийся винтовой домкрат с аксиальным электродвигателем, содержащий электродвигатель, корпус которого соединен с полой цилиндрической стойкой, усиленной радиальными кронштейнами, винт с невращающейся головкой, гайку, подшипники. Электродвигатель выполнен аксиальным, асинхронным одностаторным однороторным, его корпус состоит из верхнего и нижнего несущих щитов, закрепленных неподвижно между собой, с внутренней торцевой стороны нижнего несущего щита закреплен магнитопровод статора с обмоткой возбуждения, а ротор состоит из магнитопровода ротора с короткозамкнутой обмоткой и основания, соединенных неподвижно между собой и образующих кольцевой диск, основание которого посредством шлицевого соединения сопрягается с гайкой с возможностью аксиального перемещения между внутренней торцевой поверхностью уступа и внутренней торцевой поверхностью тормозной накладки, при этом уступ выполнен на нижней части гайки, его диаметр имеет увеличенное значение по отношению к диаметру шлицевого соединения, а тормозная накладка неподвижно закреплена на тормозном диске, неподвижно установленном с внутренней торцевой стороны верхнего несущего щита, вышеуказанная гайка соединена с винтом посредством резьбового соединения и расположена в верхнем и нижнем несущих щитах при помощи радиально-упорных подшипников, а уступ на ней выполнен с учетом того, чтобы в собранной конструкции, при отсутствии питания на обмотке возбуждения магнитопровода статора, расстояние между магнитопроводами статора и ротора было равно суммарной величине рабочего воздушного зазора и аксиального перемещения диска ротора вдоль шлицевого соединения, на внешней части уступа установлена тормозная пружина, расположенная между нижней торцевой стороной основания диска ротора и буртом, выполненным на нижней части уступа, одновременно, верхний и нижний несущие щиты образуют сборную конструкцию, в которой кольцевая полость электродвигателя базируется на цилиндрической полой стойке, усиленной радиальными кронштейнами.

Достоинствами данной конструкции являются: увеличенная грузоподъемность домкрата (по сравнению с цилиндрической конструкцией приводного электродвигателя) при сопоставимой мощности электродвигателя; возможность автоматической остановки и фиксации положения винта при отключении питающего напряжения на обмотку возбуждения; возможность работы домкрата на высоте, соизмеримой с высотой сборного корпуса электродвигателя, что дополнительно расширяет высотные пределы работы домкрата.

Недостатком данного изобретения является то, что в данной конструкции имеется механическая передача гайка-винт, которая имеет малую величину передаточного числа и имеет ограничения к ее увеличению. Это ведет к тому, что при установленной мощности приводного электродвигателя имеется ограничение к увеличению крутящего момента, действующего на гайку, что уменьшает грузоподъемность домкрата и ограничивает сферу его применения.

Задачей изобретения является усовершенствование винтового домкрата позволяющее расширить сферу его применения и функциональные возможности при работе на высоте, соизмеримой с высотой сборного корпуса электродвигателя.

Технический результат заключается в возможности увеличения грузоподъемности домкрата за счет уменьшения частоты вращения и увеличения крутящего момента действующего на гайку, увеличении пускового момента приводного двигателя домкрата, повышение точности позиционирования и расширения сферы его применения.

Технический результат достигается тем, что самотормозящейся винтовой домкрат с аксиальным электродвигателем, содержит корпус, состоящий из верхнего и нижнего несущих щитов, закрепленных неподвижно между собой, во внутренней кольцевой полости которого расположен аксиальный асинхронный одностаторный однороторный электродвигатель, при этом магнитопровод статора с расположенной в его пазах обмоткой возбуждения закреплен с внутренней торцевой стороны нижнего несущего щита, а тормозная накладка входит в контакт с верхней торцевой поверхностью ротора и неподвижно закреплена на тормозном диске, неподвижно установленном с внутренней торцевой стороны верхнего несущего щита, причем ротор имеет возможность аксиального перемещения вдоль гайки, соединенной с винтом посредством резьбового соединения и позиционирующейся в верхнем и нижнем несущих щитах при помощи радиально-упорных подшипников, а корпус соединен с полой цилиндрической стойкой, усиленной радиальными кронштейнами, при этом на верхней торцевой поверхности ротора неподвижно закреплена закаленная пластина, верхняя торцевая поверхность которой входит в контакт с тормозной накладкой, а обмотка ротора выполнена фазной, концы фаз которой соединены с контактными кольцами, расположенными на внешней боковой поверхности ротора на одном уровне с щетками с щеткодержателем, который неподвижно закреплен на внешней боковой стороне верхнего несущего щита, причем толщина контактных колец, расположенных на роторе, изготовлена с учетом аксиального перемещения контактных колен с диском ротора относительно щеток с возможностью подключения каждой фазы обмотки через контактные кольца через щетки на добавочные активные сопротивления с последующим соединением их в электрический узел, одновременно с этим основание ротора выполнено симметрично относительно осевой линии и имеет сквозное отверстие, а во внутренней полости стакана расположена двухступенчатая передача, с возможностью передачи вращающегося момента от ротора через большое центральное зубчатое колесо с внутренними зубьями, выполненное в верхней внутренней поверхности стакана, двухвенцовые сателлиты к малому центральному зубчатому колесу с внешними зубьям, закрепленному неподвижно на гайке, причем двухвенцовые сателлиты позиционируются в верхнем несущем щите при помощи болтов, шестерни больших диаметров двухвенцовых сателлитов входят в зацепление с внутренними зубьями центрального зубчатого колеса, а шестерни меньших диаметров - с внешними зубьям малого центрального зубчатого колеса, вместе с тем во внутренней нижней части основания ротора выполнен уступ, в который входит диск с возможностью аксиального перемещения ротора по внешней боковой поверхности диска, ротор дополнительно сопрягается с гайкой посредством радиально-упорного подшипника, внутреннее кольцо которого расположено в уступе гайки, а внешнее находится в уступе, выполненном во внутренней нижней части диска, наряду с этим в верхней внешней части диска расположен уступ, на внешнюю боковую поверхность которого надета пружина, одним концом упирающаяся в верхнюю поверхность уступа в верхней внешней части диска, а другим - в нижнюю поверхность уступа ротора, причем расстояние между нижней поверхностью уступа диска в его нижней внутренней части и верхней торцевой поверхностью диска выполнено с учетом того, что при отсутствии питания на обмотке возбуждения магнитопровода статора расстояние между торцевой поверхностью магнитопровода статора и торцевой поверхностью основания ротора должно быть равно суммарной величине рабочего воздушного зазора и аксиального перемещения ротора вдоль внешней поверхности диска.

Увеличение грузоподъемности домкрата, во время пуска, происходит за счет того, что в цепь ротора через щетки и контактные кольца имеется возможность подключения добавочных активных сопротивлений, которые ведут к увеличению полного сопротивления в цепи ротора (Проектирование электрических машин; Учеб. для вузов. - В 2-х кн.; кн. 1 / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Энергоатомиздат, 1993. - 464 с.), В результате этого уменьшается пусковой ток, увеличивается активная составляющая тока ротора и, как следствие - пусковой момент двигателя, действующего на гайку домкрата.

Пусковой ток приводного электродвигателя домкрата:

где U₁ - входное напряжение;

r₁ - активное сопротивление ротора;

r₂^/ - добавочное активное сопротивление подключаемое к цепи ротора;

x₁ - реактивное сопротивление статора;

x₂^/ - реактивное сопротивление ротора.

где р - количество пар полюсов аксиального электродвигателя;

m - число фаз в обмотке статора;

ƒ - частота питаемой сети.

При отключении обмотки возбуждения электродвигателя от питающего напряжения переходная функция намагничивающего тока имеет вид (Попов С.А., Энговатов А.В., Нечесов В.Е., «Уменьшение времени торможения самотормозящихся асинхронных двигателе» Технические и технологические системы: материалы V Междунар. Науч.-практ. конф. (10-11 октября 2013 г.) / КубГАУ. - Краснодар, 2013. - С. 315, стр. 225-229):

где i_μ - намагничивающий ток; r₂ - активное сопротивление ротора;

L₂ - индукция в цепи ротора; Е - ЭДС, наводимая обмоткой ротора;

i₂ - ток ротора; - коэффициент затухания.

Из соотношений видно, что с увеличением величины добавочного активного сопротивления коэффициент затухания контура увеличивается, а постоянная времени уменьшается, что приведет к уменьшению времени переходного процесса за счет более интенсивного гашения электромагнитного поля и, соответственно, к повышению точности позиционирования домкрата.

Предлагаемая конструкция в итоге расширяет функциональные возможности домкрата и позволит расширить сферу его применения.

Помимо этого увеличение грузоподъемности домкрата во время работы, при установленной мощности приводного электродвигателя, достигается за счет того, что происходит дополнительное увеличение крутящего момента передаваемого на гайку. Это реализуется за счет встроенной двухступенчатой передачи, понижающей частоту вращения, но одновременно увеличивающей вращающий момент, передаваемый от ротора к гайке.

Согласно кинематической схеме (фиг. 4) передаточное число равно;

где Z₁ - число зубьев шестерни большего диаметра двухвенцовых сателлитов;

Z₂ - число зубьев центрального зубчатого колеса;

Z₃ - число зубьев шестерни меньшего диаметра двухвенцовых сателлитов;

Z₄ - число зубьев малого центрального зубчатого колеса.

При этом за один оборот ротора выполненного в виде стакана, малое центральное зубчатое колесо делает 0,6 оборота» т.е. происходит требуемое уменьшение частоты вращения и увеличение крутящего момента, действующего на гайку.

В итоге предлагаемая конструкция расширяет функциональные возможности домкрата и сферу их применения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан общий вид самотормозящегося винтового домкрата с аксиальным электродвигателем.

На фиг, 2 показан вынос А щеточного механизма самотормозящегося винтового домкрата с аксиальным электродвигателем с схемой подключения добавочного активного сопротивления в цепь ротора.

На фиг, 3 показан вынос Б соединение гайки с диском ротора самотормозящегося винтового домкрата с аксиальным электродвигателем.

На фиг, 4 показана кинематическая схема самотормозящегося винтового домкрата с аксиальным электродвигателем.

На фиг. 5 показан вынос В тормозного механизма самотормозящегося винтового домкрата с аксиальным электродвигателем.

Устройство содержит электродвигатель, сборный корпус состоящий из нижнего несущего щита 1 и верхнего несущего щита 2, закрепленных неподвижно между собой и образующих внутреннюю кольцевую полость 3 посредством болтового соединения 4.

Электродвигатель выполнен в виде асинхронного одностаторного однороторного аксиального электродвигателя. Магнитопровод статора 5 с обмоткой возбуждения 6 закреплен с внутренней торцевой стороны нижнего несущего щита 1. Ротор выполнен форме стакана в нижней части которого расположено основание 7 с расположенным симметрично относительно осевой линии сквозным отверстием 8 и магнитопровод ротора 9 с фазной обмоткой 10. При этом концы фаз обмотки магнитопровода ротора 9 выведены на контактные кольца 11 с расположенными на них щетками 12 и подключенным к ним добавочным активным сопротивлением 13 (фиг. 1, 2). Одновременно с этим щетки 12 расположены в щеткодержателе 14 закрепленного на боковой стороне верхнего несущего щита 2 болтовым соединением 15. При этом щетки 12 выполнены с учетом аксиального перемещения Δ ротора по контактным кольцам 11 в процессе пуска и торможения.

Основание 7 дополнительно сопрягается с гайкой 16 посредством радиально-упорного подшипника 17, внутреннее кольцо которого расположено в уступе 18 гайки 16, а внешнее находится в уступе 19, выполненном во внутренней нижней части диска 20 (фиг. 1, 3, 4). В верхней внешней части диска 20 расположен уступ 21, на внешнюю боковую поверхность которого надета пружина 22, одним концом упирающаяся в верхнюю поверхность уступа 21 в верхней внешней части диска 20, а другим - в нижнюю поверхность уступа 23 ротора. При этом, расстояние между нижней поверхностью уступа диска 20 в его нижней внутренней части и верхней торцевой поверхностью диска 20 выполнено с учетом того, что при отсутствии питания на обмотке возбуждения 6, расстояние между торцевой поверхностью магнитопровода статора 5 и поверхностью магнитопровода ротора 9, должно быть равно суммарной величине рабочего воздушного зазора δ и аксиального перемещения Δ ротора вдоль внешней поверхности диска 20.

С внутренней торцевой стороны верхнего несущею щита 2 неподвижно установлен тормозной диск 24 тормозного устройства, на котором неподвижно закреплена тормозная накладка 25 (фиг. 5). На верхней торцевой поверхности кольцевого диска ротора закреплена пластина 26 при помощи винтового соединения 27.

Гайка 16 позиционируется в нижнем несущем щите 1 и верхнем несущем щите 2 при помощи радиально-упорных подшипников 28, 29 (фиг. 1). Во внутренней полости стакана ротора расположена двухступенчатая передача имеющая возможность передачи вращающего момента от ротора через большое центральное зубчатое колесо 30, с внутренними зубьями, через двухвенцовые сателлиты 31 к малому центральному зубчатому колесу 32 с внешними зубьям сопряженного с гайкой 16 при помощи шлицевого соединения и закреплено неподвижно на гайке 16 с нижней стороны при помощи бурта, расположенного на гайке 16, а с верхней стороны при помощи шпонки 33, причем, двухвенцовые сателлиты 31 позиционируются в верхнем несущем щите 2 при помощи болтов 34.

Винт 35 сопряжен с внутренней полостью гайки 16 посредством резьбового соединения 36, В верхней части винта 35 изготовлена головка 37 для принятия нагрузки.

Нижний несущий щит 1 и верхний несущий щит 2 образуют сборную конструкцию, закрепленной на площадке 38 болтовым соединением 39, которая соединена с цилиндрической полой стойкой 40 и радиальными кронштейнами 41. Радиальные кронштейны 41 усиливают как цилиндрическую полую стойку 40, так и площадку 38.

При отсоединении площадки 38 с цилиндрической полой стойкой 40, усиленной радиальными кронштейнами 41 от нижнего щита 1 и использовании винта 35 с головкой 37 уменьшенной высоты, появляется возможность использовать домкрат при минимальной высоте, соизмеримой с высотой сборного корпуса электродвигателя.

Работает домкрат следующим образом.

В качестве источника питания домкрата может служить, как источник синусоидального напряжения промышленной частоты, так и частотно-регулируемый источник, который целесообразен при необходимости регулирования скорости подъема или опускания груза и использовании винта 35 малой высоты.

При подключении переменного синусоидального напряжения на обмотку возбуждения 6 магнитопровода статора 5, расположенного на внутренней торцевой стороне нижнего несущего щита 1, возникает пусковой ток, превышающий номинальный ток рабочего режима машины, вследствие чего возникает электромагнитное поле, под воздействием аксиального электромагнитного усилия кольцевой диск ротора с находящимся там магнитопроводом ротора 9 и основанием 7 с сквозным отверстием 8 совершает аксиальное смещение вдоль гайки 16 расположенной в нижнем несущем щите 1 и верхнем несущем щите 2 при помощи радиально-упорных подшипников 28, 29. Одновременно с этим магнитный поток пересевает магнитопровод ротора 9 с фазной обмоткой 10, в которой образуется ЭДС.

Так как фазная обмотка 10, контактные кольца 11, щетки 12, находящихся в щеткодержателе 14 закрепленного на боковой стороне верхнего несущего щита 2 болтовым соединением 15, активное добавочное сопротивление 13 и электрический узел образуют замкнутые контуры, то по ним будут протекать электрические токи, которые при взаимодействии с магнитным потоком создадут вращающий момент.

При этом пружина 22, расположенная в уступе 21 верхней внешней части диска 20, одним концом упирающаяся в верхнюю поверхность уступа 21 в верхней внешней части диска 20, а другим - в нижнюю поверхность уступа 23 ротора, получает дополнительное сжатие, а зазор между верхней стороной диска 20 и нижней поверхности уступа 23 основания 7 ротора уменьшается. Между тормозной накладкой 25, закрепленной на тормозном диске 17, и пластиной 19, зафиксированной винтовым соединением 24 на верхней торцевой поверхностью кольцевого диска ротора, образуется воздушный зазор, равный величине Δ, а между аксиальными рабочими поверхностями магнитопровода статора 5 и магнитопровода ротора 9 устанавливается рабочий зазор δ.

В это время, во внутренней кольцевой полости 3, вращающееся магнитное поле приводит в движение стакан ротора за счет тог о, что гайка 16 сопрягается с основанием 10 через радиально-упорный подшипник 17, внутреннее кольцо которого расположено в уступе 18 гайки 17, а внешнее находится в уступе 19, выполненном во внутренней нижней части диска 20. При этом, центральное зубчатое колесо 30, расположенное во внутренней полости стакана ротора, через двухвенцовые сателлиты 31, расположенные в верхнем несущем щите 2 при помощи болтов 34, приводит в движение малое центральное зубчатое колесо 32, закрепленное неподвижно на гайке 16 при помощи шпонки 33, увеличивая крутящий момент и уменьшая угловую частоту (Артоболевский С.И. Теория машин и механизмов. - Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Высшая школа», 1965. - 363 с.).

Так как, малое центральное зубчатое колесо 32 сопряжено неподвижно с гайкой 16 при помощи шпонки 33, то крутящий момент будет передаваться гайке 16 и вращать ее в радиально-упорных подшипниках 28, 29. При этом гайка 16 связана с винтом 35 посредством резьбового соединения 36 и при заторможенном винте 35 или нахождении груза на головке винта 37. вращающаяся гайка 16 будет поднимать или опускать винт 35.

При этом, нижний несущий щит 1 соединен неподвижно с верхним несущем щитом 2 посредством болтового соединения 4, и вся конструкция фиксируется на площадке 38 при помощи болтового соединения 39. Вес груза при этом будет действовать от нижнего несущего щита I через площадку 38, соединенную с цилиндрической полой стойкой 40, усиленную радиальными кронштейнами 41.

При отключении напряжения от обмотки возбуждения 6 исчезает магнитный поток, удерживающий основание 7 с магнитопроводом ротора 9 в рабочем положении. Вследствие этого, тормозная пружина 22 вызывает обратное аксиальное смещение основание 7 ротора вдоль гайки 16.

При этом, тормозная накладка 15, закрепленная на тормозном диске 24, входит в контакт с пластикой 26, зафиксированной винтовым соединением 27 на верхней торцевой поверхностью кольцевого диска ротора. В результате трения происходит остановка кольцевого диска ротора и гайки 16. Это приводит к остановке винта 35 с автоматической фиксацией его положения, что повышает безопасность эксплуатации при работе с грузами. Применение самотормозящейся конструкции позволяет более точно позиционировать положение винта 35 посте отключения напряжения от обмотки возбуждения 6. Это происходит за счет ускоренного гашения накопленной энергии (электромагнитного поля и энергии вращения диска ротора) тормозного устройства из-за предварительно введенного в цепь ротора активного добавочного сопротивления 13.