ЛИНЕЙНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области линейных цилиндрических электромагнитных двигателей постоянного тока с ускорением линейного возвратно-поступательного перемещения рабочего органа - якоря в ограниченных пределах и может быть использовано в механизмах ударного действия без применения промежуточных преобразователей, например, в приводах молотов кузнечно-прессового оборудования, для забивки в грунт металлических или железобетонных свай, рыхления и уплотнения грунта, разрушения породы и асфальтобетона и т.д.

Известен линейный электромагнитный двигатель, содержащий цилиндрический статор с размещенной внутри катушкой и якорем, выполненным в форме цилиндра с дисковой частью, направляющий корпус из ферромагнитного материала, примыкающий к статору, с меньшей площадью поперечного сечения по отношению к статору, крышку направляющего корпуса, подшипники скольжения, возвратную пружину и демпфирующую шайбу, причем направляющий корпус в верхней части, примыкающей к крышке, выполнен с внутренним кольцевым выступом, сопряженным по диаметру с боковой поверхностью дисковой части якоря (см. патент РФ на изобретение №2405237, H02K 33/02, публ. 27.11.2010 г.).

Известная конструкция двигателя постоянного тока имеет небольшой рабочий ход якоря без регулирования параметров перемещения якоря, что ограничивает его применение.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является линейный цилиндрический электромагнитный двигатель постоянного тока, включающий расположенный в корпусе статор с башмаками магнитопровода, катушками и цилиндром внутреннего магнитопровода, якорь с подвижным цилиндрическим корпусом из магнитно-мягкого материала, дисковые катушки, расположенные на указанном подвижном корпусе якоря и подсоединенные выводами к контактным пластинам, расположенным на поверхности по внешнему диаметру дисковых катушек с возможностью включения в электрическую сеть тех дисковых катушек, которые расположены внутри цилиндра внутреннего магнитопровода, щеточные узлы со щетками для включения дисковых катушек в электрическую сеть, подшипники скольжения (см. патент РФ на полезную модель №106056, H02K 33/00, публ. 27.12.2010 г. - прототип).

Расположение щеток с параллельным их соединением усложняет схему соединения дисковых катушек якоря. Кроме того, использование дополнительных магнитопроводов существенно усложняет конструкцию, увеличивая магнитные потоки рассеяния, что значительно снижает КПД за счет уменьшения электромагнитного усилия, действующего на якорь при одном и том же токе в дисковых катушках якоря и токе возбуждения, протекающем по катушкам статора.

Технический результат изобретения линейного цилиндрического электромагнитного двигателя постоянного тока: повышение КПД, упрощение конструкции при обеспечении большого диапазона рабочего хода якоря и возможности регулирования скорости, ускорения, перемещения и энергии его движения.

Технический результат достигается тем, что в линейный цилиндрический двигатель, включающий расположенный в корпусе первый статор с башмаками магнитопровода, катушками и цилиндром внутреннего магнитопровода, дисковые катушки, расположенные на якоре, снабженном подвижным корпусом из магнитно-мягкого материала, щеточные узлы со щетками для включения дисковых катушек в электрическую сеть, подшипники скольжения, введен второй статор с башмаками магнитопровода, катушками и цилиндром внутреннего магнитопровода, якорь снабжен кольцами магнитопровода и плоским коллектором и расположен внутри цилиндров внутренних магнитопроводов первого и второго статоров.

Кольца магнитопровода якоря предпочтительно разместить на его подвижном корпусе и фиксировать на нем от проворачивания с помощью шпоночного или шлицевого соединения.

Целесообразно кольца магнитопровода якоря выполнить с цилиндрическими внутренними проточками, дисковые катушки разместить в указанных проточках колец магнитопровода якоря так, что каждая дисковая катушка находится между двумя соседними кольцами магнитопровода якоря.

На наружной поверхности колец магнитопровода по всей длине якоря предпочтительно выполнить паз для укладки выводов дисковых катушек.

На наружной поверхности колец магнитопровода по всей длине якоря целесообразно выполнить лыску с резьбовыми отверстиями для закрепления плоского коллектора якоря.

На лыске внешней поверхности колец магнитопровода якоря целесообразно закрепить плоский коллектор.

По внешней поверхности между соседними кольцами магнитопровода якоря выполнен воздушный зазор.

На внутренней поверхности цилиндров внутреннего магнитопровода первого и второго статоров между соседними башмаками предусмотрены сквозные пазы для прохождения плоского коллектора.

Дисковые катушки якоря предпочтительно соединить последовательно так, что конец предыдущей дисковой катушки соединен с началом следующей дисковой катушки, причем намотка всех дисковых катушек выполнена в одну сторону.

Щеточные узлы выполнены из щеткодержателей со щетками и размещены в соответствующих отверстиях подшипников скольжения и корпуса, а выступающая наружу часть щеткодержателей закреплена на поверхности корпуса.

Подшипники скольжения расположены внутри корпуса и присоединены к торцам цилиндров внутренних магнитопроводов первого и второго статоров с помощью винтового соединения, а для центрирования указанных подшипников и цилиндров на сопрягающихся торцах подшипников скольжения выполнены цилиндрические проточки.

В каждом подшипнике скольжения на внутренней поверхности выполнены пазы для прохождения плоского коллектора, причем пазы на подшипниках скольжения и на цилиндрах внутреннего магнитопровода статора образуют единый паз.

Для предотвращения якоря от проворачивания на верхнем торце подвижного корпуса якоря закреплена стабилизирующая втулка из антифрикционного материала, на внутренней поверхности которой выполнены пазы для шпоночного или шлицевого соединения.

Двигатель содержит стабилизатор якоря, выполненный в виде трубы, на боковой поверхности которого выполнены шпоночные пазы со шпонками по числу пазов стабилизирующей втулки, в нижней части трубы закреплено антифрикционное кольцо, а верхняя часть имеет фланец для жесткого крепления трубы к крышке корпуса.

Двигатель выполнен с кронштейном для закрепления датчиков, нижний конец которого закреплен на верхней плоскости верхнего подшипника скольжения, а верхний конец кронштейна закреплен на внутренней поверхности корпуса.

Подвижный корпус якоря содержит в нижней части фланец для крепления рабочего инструмента, а сверху ферромагнитную гайку, стягивающую всю конструкцию якоря и являющуюся активным элементом для индуктивных датчиков.

В нижней части корпуса установлен дополнительный подшипник скольжения, закрепленный в нижнем фланце, а вся конструкция цилиндрического двигателя размещена в общем корпусе установки эксплуатации и закреплена в нем с помощью дополнительных фланцев и болтов.

Крышка корпуса соединена с указанным корпусом с помощью кронштейнов и фланца, обеспечивающих ей возможность свободного поворота на необходимый угол вокруг оси симметрии двигателя с целью пространственной фиксации подвижного корпуса якоря, при этом плоский коллектор якоря расположен в пазах на внутренней поверхности подшипников скольжения и цилиндров внутреннего магнитопровода первого и второго статоров, фланец жестко закреплен на корпусе, а кронштейны выполнены с возможностью вращения вместе с крышкой с последующей фиксацией крышки к корпусу с помощью гаек кронштейна.

Плоский коллектор якоря содержит плату с пластинами-ламелями, выполненную по технологии печатных плат, плата выполнена в виде полосы с нижним непроводящим слоем и верхним проводящим слоем, пластины-ламели закреплены на верхнем проводящем слое, соседние пластины-ламели электрически изолированы друг от друга с помощью канавок и фигурных площадок, образованных на нижнем непроводящем слое, по внешнему периметру полосы указанные пластины-ламели электрически изолированы от элементов конструкции, причем нижний слой выполнен с боковыми вырезами по числу пластин-ламелей для установки выводов дисковых катушек линейного цилиндрического двигателя и имеет площадки для соединения указанных выводов с пластинами-ламелями.

Предпочтительно нижний слой выполнить из стеклотекстолита.

Предпочтительно верхний слой выполнить из меди.

Целесообразно пластины-ламели выполнить из твердой меди или латуни толщиной не менее 2 мм.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен линейный цилиндрический электромагнитный двигатель (ЛЦД) постоянного тока. На фиг.2 представлена увеличенная верхняя часть ЛЦД на фиг.1. На фиг.3 представлена увеличенная средняя часть ЛЦД на фиг.1. На фиг.4 показана увеличенная нижняя часть ЛЦД на фиг.1. На фиг.5 изображен плоский коллектор (вид спереди). На фиг.6 показан плоский коллектор (вид сбоку). На фиг.7 показан плоский коллектор (вид сверху).

На фиг.1-7 приняты следующие обозначения:

- корпус 1 (для первого и второго статоров);

- башмак 2 магнитопровода (первого статора);

- катушки 3 первого статора;

- цилиндр 4 внутреннего магнитопровода первого статора;

- дисковые катушки 5;

- подвижный корпус 6 якоря;

- щеточные узлы 7 (верхний и нижний);

- средний щеточный узел 8;

- подшипники 9 скольжения (верхний и нижний);

- средний подшипник 10 скольжения;

- кольцо 11 магнитопровода якоря;

- плоский коллектор 12 якоря;

- башмаки 13 магнитопровода второго статора;

- катушки 14 второго статора;

- цилиндр 15 внутреннего магнитопровода второго статора;

- шпоночное (шлицевое) соединение 16;

- цилиндрические внутренние проточки 17 колец магнитопровода якоря;

- паз 18 (для укладки выводов дисковых катушек 5);

- лыска 19 (для закрепления плоского коллектора);

- резьбовые отверстия 20 (для крепления плоского коллектора);

- пружина 21;

- слой 22 из проводящего материала (например, из медной фольги);

- слой 23 из непроводящего материала (например, из стеклотекстолита);

- пластины-ламели 24 (из проводящего материала, например, меди или латуни);

- изолирующие канавки 25;

- фигурные площадки 26 (для установки элементов крепления, например, винтов);

- боковые вырезы 27;

- площадки 28 для пайки вывода;

- воздушный зазор 29 (между соседними кольцами 11 магнитопровода якоря);

- пазы 30 (в цилиндрах 4, 15 внутренних магнитопроводов первого и второго статоров);

- щеткодержатель 31;

- щетка 32;

- винтовое соединение 33;

- цилиндрические проточки 34;

- паз 35 на внутренней поверхности подшипников 9 и 10 скольжения (для прохождения плоского коллектора 12);

- верхний торец 36 подвижного корпуса 6 якоря;

- стабилизирующая втулка 37 (из антифрикционного материала);

- пазы 38 (на внутренней поверхности стабилизирующей втулки);

- стабилизатор 39 якоря (выполнен в виде трубы);

- шпоночные пазы 40 со шпонками (для упрощения изображений шпонки на фиг.1-4 не показаны);

- антифрикционное кольцо 41;

- фланец 42 стабилизатора 39 якоря;

- крышка 43 (корпуса 1);

- кронштейн 44 (для закрепления датчиков);

- фланец 45 (подвижного корпуса 6 якоря);

- ферромагнитная гайка 46;

- дополнительный подшипник 47 скольжения;

- нижний фланец 48;

- общий корпус 49 (установки эксплуатации ЛЦД);

- дополнительные фланцы 50;

- болт 51;

- кронштейн 52 (для крепления крышки 43 корпуса 1);

- фланец 53 (для крепления крышки 43 корпуса 1);

- гайка 54 (кронштейна 52);

- ось 55 симметрии ЛЦД.

ЛЦД постоянного тока включает установленный в корпусе 1 первый статор, имеющий башмаки 2 магнитопровода, катушки 3 и цилиндр 4 внутреннего магнитопровода, дисковые катушки 5, расположенные на якоре, подвижный корпус 6 которого выполнен из магнитно-мягкого материала, верхний, нижний и средний щеточные узлы 7 и 8 со щетками 32 для включения дисковых катушек 5 в электрическую сеть, верхний, нижний и средний подшипники 9 и 10 скольжения. Якорь снабжен кольцами 11 магнитопровода, плоским коллектором 12. ЛЦД постоянного тока снабжен вторым статором, аналогичным первому, установленному в корпусе 1. Второй статор имеет свои башмаки 13 магнитопровода, катушки 14, цилиндр 15 внутреннего магнитопровода. Якорь расположен внутри двух цилиндров 4, 15 внутренних магнитопроводов соответственно первого и второго статоров.

Кольца 11 магнитопровода якоря размещены на его подвижном корпусе 6 и фиксированы на нем от проворачивания с помощью шпоночного соединения 16. Возможно применение шлицевого соединения.

Дисковые катушки 5 размещены в цилиндрических внутренних проточках 17 колец 11 магнитопровода якоря так, что каждая дисковая катушка 5 находится между двумя соседними кольцами 11 магнитопровода якоря.

На наружной поверхности колец 11 магнитопровода якоря по всей длине якоря выполнен паз 18 для укладки выводов дисковых катушек 5.

По наружной поверхности колец 11 магнитопровода по всей длине якоря выполнена лыска 19 с резьбовыми отверстиями 20, на которой закреплен плоский коллектор 21.

Плоский коллектор для линейного цилиндрического двигателя содержит плату, выполненную по технологии печатных плат в виде полосы со слоем 22 из проводящего материала, например меди, и слоем 23 из непроводящего материала, в частности из стеклотекстолита. Пластины-ламели 24 выполнены из проводящего материала, в том числе из твердой меди или латуни, и закреплены пайкой или сваркой на слое 22 из проводящего материала. Соседние пластины-ламели 24 электрически изолированы друг от друга с помощью изолирующих канавок 25 и фигурных площадок 26, образованных на слое 23 из непроводящего материала, по внешнему периметру полосы указанные пластины-ламели 24 электрически изолированы от элементов конструкции. Слой 23 из непроводящего материала выполнен с боковыми вырезами 27 по числу пластин-ламелей 24 для установки выводов дисковых катушек 5 линейного цилиндрического двигателя и имеет площадки 28 для соединения указанных выводов с пластинами-ламелями 24.

Предпочтительно плоский коллектор выполнить в виде прямоугольной полосы из фольгированного медью текстолита, к медной поверхности которой прикреплены плоские пластины-ламели 24 из твердой меди или латуни толщиной не менее 2 мм.

По внешней поверхности между соседними кольцами 11 магнитопровода якоря выполнен воздушный зазор 29.

На внутренней поверхности цилиндров 4, 15 внутренних магнитопроводов соответственно первого и второго статоров предусмотрены сквозные пазы 30 для прохождения плоского коллектора 12 якоря, причем указанные пазы 30 расположены между двумя соседними башмаками 2 и 13 первого и второго статоров.

Дисковые катушки 5 якоря соединены последовательно так, что конец предыдущей дисковой катушки 5 соединен с началом следующей дисковой катушки 5 и это соединение припаяно к одной пластине-ламели 24 плоского коллектора 12, причем намотка всех дисковых катушек 5 выполнена в одну сторону.

Щеточные узлы 7, 8 выполнены из щеткодержателей 31 со щетками 32 и размещены предпочтительно в соответствующих отверстиях подшипников 9, 10 скольжения и корпуса 1 так, чтобы контактные плоскости щеток 32 совпадали с пазами 30 на цилиндрах 4, 15 внутренних магнитопроводов первого и второго статоров и пазами 35 по внутренней поверхности подшипников скольжения 9 и 10 для прохождения в указанных пазах 30 и 35 плоского коллектора 12. Выступающая наружу часть щеткодержателей 31 закреплена на поверхности корпуса 1.

Подшипники скольжения 9 и 10 расположены внутри корпуса 1 и присоединены к торцам цилиндров 4, 15 внутренних магнитопроводов первого и второго статоров с помощью винтового соединения 33, а для центрирования указанных подшипников 9 и 10 и цилиндров 4, 15 магнитопроводов на сопрягающихся торцах подшипников 9 и 10 скольжения предусмотрены цилиндрические проточки 34.

Подшипники 9 и 10 скольжения предпочтительно выполнить из антифрикционного материала.

В каждом подшипнике 9 и 10 скольжения на внутренней поверхности выполнены пазы 35 для прохождения плоского коллектора 12, причем пазы на подшипниках 9 и 10 скольжения и на цилиндрах 4,15 внутреннего магнитопровода статоров образуют единый паз.

Для предотвращения якоря от проворачивания на верхнем торце 36 подвижного корпуса 6 якоря закреплена стабилизирующая втулка 37 из антифрикционного материала, на внутренней поверхности которой выполнены пазы для шпоночного или шлицевого подвижного соединения со стабилизатором 39 якоря, выполненным в виде трубы, на боковой поверхности которого выполнены шпоночные пазы 40 под шпонки по числу пазов 38 на стабилизирующей втулке 37. В нижней части указанной трубы закреплено антифрикционное кольцо 41, а верхняя часть имеет фланец 42 для жесткого крепления трубы к крышке 43 корпуса 1.

Внутри верхней части корпуса 1 предусмотрен кронштейн 44 для закрепления датчиков, нижний конец которого закреплен на верхней плоскости верхнего подшипника 9 скольжения, а верхний конец кронштейна 44 закреплен на внутренней поверхности корпуса 1.

В нижней части подвижного корпуса 6 якоря предусмотрен фланец 45 для крепления рабочего инструмента, а сверху размещена ферромагнитная гайка 46, стягивающая всю конструкцию якоря и являющаяся активным элементом для индуктивных датчиков положения якоря.

В нижней части корпуса 1 установлен дополнительный подшипник 47 скольжения, закрепленный в нижнем фланце 48, а вся конструкция ЛЦД размещается в общем корпусе 49 установки эксплуатации и закрепляется в нем с помощью дополнительных фланцев 50 и болтов 51.

Крышка 43 соединена с корпусом 1 с помощью кронштейнов 52 и фланца 53, обеспечивающих ей возможность свободного поворота на необходимый угол вокруг оси 55 симметрии ЛЦД с целью пространственной фиксации подвижного корпуса 6 якоря так, чтобы плоский коллектор 12 якоря находился строго в пазу 35, предусмотренном для плоского коллектора 12 на внутренней поверхности подшипников 9 и 10 скольжения и цилиндров 4, 15 внутренних магнитопроводов первого и второго статоров, при этом фланец 35 жестко закреплен на корпусе 1, а кронштейны 52 крепления могут вращаться вместе с крышкой 43 при необходимости с последующей фиксацией крышки 43 к корпусу 1 с помощью гаек 54 кронштейна 52. Для демпфирования удара якоря в крышку 43 при верхнем его движении под крышкой 43 установлена пружина 21.

Для обеспечения монолитности якоря после сборки и гладкости его поверхности собранный якорь желательно пропитать эпоксидным компаундом и прошлифовать поверхность для придания соответствующей чистоты поверхности якоря.

Вертикальное расположение щеток 32 и их число, равное трем, позволяет упростить схему соединения дисковых катушек 5 якоря (использовать последовательное их соединение) по сравнению с прототипом, оставляя включенными в сеть только те дисковые катушки 5, которые находятся в данный момент внутри цилиндров 4, 15 внутренних магнитопроводов первого и второго статоров. Кроме того, введение второго статора, идентичного первому позволяет более эффективно использовать магнитный поток, создаваемый обоими статорами, отпадает необходимость в использовании дополнительных магнитопроводов, что существенно упрощает конструкцию, уменьшает магнитные потоки рассеяния и почти в два раза увеличивает электромагнитное усилие, действующее на якорь при одном и том же токе в дисковых катушках 5 якоря и токе возбуждения, протекающем по катушкам 3 и 14 соответственно первого и второго статоров по сравнению с прототипом.

В этом случае магнитный поток возбуждения катушек 3 первого статора замыкается по цепи, состоящей из корпуса 1, башмаков 2 и 13 магнитопроводов первого и второго статоров, цилиндров 4, 15 внутренних магнитопроводов статоров, колец 11 магнитопровода якоря, находящихся внутри цилиндров 4, 15 внутренних магнитопроводов первого и второго статоров и подвижного корпуса 6 якоря. При таком замыкании магнитного потока возбуждения его потери минимальны.

При подаче постоянного напряжения (U) через щетки 32 на дисковые катушки 5 якоря через эти дисковые катушки 5 протекает ток, определяемый суммарным активным сопротивлением (R) включенных щетками 32 дисковых катушек 5, при этом токи в дисковых катушках 5 протекают от щетки 32 среднего щеточного узла 8 к крайним щеткам 32 верхнего и нижнего щеточных узлов 7 или наоборот от крайних щеток 32 верхнего и нижнего щеточных узлов 7 к щетке 32 среднего щеточного узла 8 в зависимости от режима работы устройства (подъем или опускание).

Для обеспечения однонаправленности электромагнитного усилия, действующего на якорь при протекании тока по дисковым катушкам 5 указанным образом, токи в катушках 3 и 14 первого и второго статоров определяются так, что общий магнитный поток направлен, например, в одном статоре внутрь, т.е. от корпуса 1 к якорю, а во втором - от якоря к корпусу 1.

Реверсирование движения якоря осуществляется сменой полярности напряжения на щетках 32 верхнего, нижнего и среднего щеточных узлов 7 и 8. Результатом взаимодействия магнитного поля индукцией В (Тл) первого и второго статоров с током I (А) в дисковых катушках 5 якоря при общем числе витков включенных катушек, равном W, и средней активной длине витка l_a является сила Ампера F, определяемая в виде:

F=B·l_a·I·W, где

F - сила, определяемая в Ньютонах (Н);

В - индукция магнитного поля (Тл);

l_a - средняя активная длина одного проводника дисковой катушки 5 (м);

I - ток в проводнике (А);

W - число проводников, одновременно находящихся в указанном магнитном поле первого и второго статоров.

Регулируя составляющие В(Тл) и I(А), можно получать различные усилия и скорости на якоре. Перемещение якоря фиксируется в нижнем и верхнем положении индуктивными датчиками (на фиг.1-4 не показаны) верхнего и нижнего положения, которые выдают сигнал на включение и выключение дисковых катушек 5 якоря и их реверсирование. Кроме того, предусмотрено включение других промежуточных датчиков положения якоря (на фиг. не показано), с помощью которых создаются промежуточные режимы работы двигателя с неполным подъемом и опусканием якоря.

Предлагаемый линейный цилиндрический электромагнитный двигатель постоянного тока имеет возможность регулирования скорости, ускорения, перемещения и энергии движения исполнительного органа при обеспечении максимальной длины рабочего хода исполнительного органа не менее 400 мм, имеет высокий КПД (в 1,5 раза больше, чем в прототипе) и экологически безопасен.