электромеханическое устройство поступательного перемещения

Формула изобретения

Электромеханическое устройство поступательного перемещения, содержащее неподвижный ферромагнитный статор с катушкой и подвижный безобмоточный ферромагнитный якорь, отличающееся тем, что неподвижный статор состоит из двух несущих пластин, между которыми установлено четыре цилиндрических индуктора из высококоэрцитивных постоянных магнитов, в воздушном зазоре которых существует однородное магнитное поле, внутри каждого индуктора размещается соответствующая сторона жесткой бескаркасной прямоугольной катушки, углы которой закреплены в корпусе подвижного якоря; при этом параллельные стороны катушки размещаются в противоположных индукторах, имеющих встречное направление однородного магнитного поля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах автоматики для регулируемого привода механизмов с поступательным перемещением исполнительного органа.

Известны тяговые электромагниты постоянного и переменного тока, предназначенные для поступательного перемещения исполнительных механизмов [Ротерс. Электромагнитные механизмы. Энергоиздат, 1949; Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. Уч. пособие. - М.: Энергия. 1972]. Электромагниты с поступательным движением якоря выполняются по двум конструктивным схемам: чашечной и втяжной. Чашечный электромагнит может развивать весьма большие силы при малых воздушных зазорах и обладает крутопадающей, мягкой тяговой характеристикой. Втяжной электромагнит характеризуется значительными перемещениями якоря при средних значениях тягового усилия. Тяговая характеристика втяжного электромагнита имеет более жесткий вид и может быть скорректирована на стадии проектирования за счет выбора необходимой геометрии магнитной системы статора и якоря. Конструкция чашечного электромагнита допускает взаимное перемещение статора и якоря в горизонтальной плоскости в отличие от втяжного электромагнита.

Наиболее близким к предлагаемому электромеханическому устройству поступательного перемещения является тяговый электромагнит чашечной конструкции, описанный в монографии [Рабинович Л.В. Электроавтоматика авиационных электромеханических установок. ОборонГИЗ. - М.: 1957, стр.17, фиг.1.16] и который выбираем в качестве прототипа. Статор прототипа выполнен в виде цилиндра из ферромагнитного материала, внутри которого выполнен кольцевой паз, в который укладывается концентрическая обмотка. Направление МДС обмотки совпадает с продольной осью цилиндра. Ферромагнитный якорь представляет собой цилиндр с малой высотой. Размеры поперечного сечения статора и якоря равны. Статор и якорь чашечного электромагнита могут выполняться из сплошной заготовки конструкционной стали 10895, имеющей удовлетворительные магнитные свойства.

Достоинством прототипа является простая технологичная конструкция, позволяющая обеспечить значительные тяговые усилия в вертикальной плоскости и допускающая взаимное перемещение элементов конструкции в горизонтальной плоскости.

Недостатками прототипа являются низкие энергетические и массогабаритные показатели, нелинейные регулировочные и тяговые характеристики. Указанные недостатки ограничивают частотную полосу пропускания сигнала управления тягового привода и усложняют алгоритмы управления.

Задачей изобретения является разработка электромеханического устройства поступательного перемещения, обладающего линейными регулировочными и тяговыми характеристиками, а также повышение энергетических показателей и расширение частотной полосы пропускания электромеханического устройства поступательного перемещения.

Поставленная задача в предлагаемом электромеханическом устройстве поступательного перемещения решена тем, что предлагается электромеханическое устройство, в котором тяговое усилие создается за счет взаимодействия однородного магнитного поля с током, протекающим в перемещаемой катушке. Статор устройства состоит из четырех индукторов, создающих однородное магнитное поле, и якоря, жестко связанного с катушкой, по которой протекает ток управления.

Статор выполняется в виде двух несущих параллельных пластин, между которыми установлено четыре цилиндрических индуктора, внутри которых существует однородное магнитное поле. Внутри каждого индуктора размещается соответствующая сторона жесткой бескаркасной прямоугольной катушки, углы которой закреплены в желобах, выфрезерованных в корпусе якоря, и сверху прижаты крышками. Для получения однонаправленной силы параллельные стороны катушки размещаются в противоположных индукторах, имеющих встречное направление однородного магнитного поля. Для улучшения отвода теплового потока катушки в корпусе якоря и в прижимных крышках выполнены ребра охлаждения.

Цилиндрический индуктор представляет собою разъемную немагнитную обойму, в которой устанавливаются четное число сегментов из редкоземельных постоянных магнитов [К.Halbach, "Design of Permanent Multipole Magnets with Oriented Rare Earth Cobalt Material", Nuclear Instruments and Methods, 169, pp.1-10, 1980; R.F.Post, T.K.Fowler, and S.F.Post, A High Efficiency Electromechanical Battery, Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL-JC-110861, 1992]. Направление намагничивания сегментов по расточке обоймы определяется в соответствии с формулой _k=(4 /N)k, где k=0,1,2,3,4...N - порядковый номер сегмента по расточке индуктора.

Обойма выполняется разъемной по продольной плоскости для возможности ввода соответствующих сторон катушки во внутренне пространство индуктора при сборке электромеханического устройства. На внешней поверхности каждого индуктора выполнены два параллельных среза для надежного крепления индукторов к несущим пластинам статора.

Статор и якорь электромеханического устройства поступательного перемещения имеют возможность свободного взаимного перемещения в пространстве. Величина перемещения в вертикальной плоскости определяется соотношением диаметра расточки индуктора и внешним диаметром катушки. Перемещение в горизонтальной плоскости зависит от соотношения длины индуктора и длины незакрепленной части стороны катушки.

Величина тягового усилия предлагаемого электромеханического устройства не зависит от взаимного пространственного положения статора и якоря из-за однородного магнитного поля внутри индуктора. Влияние «реакции якоря» на однородность магнитного поля определяется соотношением магнитных энергий индуктора и катушки. Частотная полоса пропускания электромеханического устройства определяется жесткостью катушки и ее параметрами.

Сущность изобретения поясняется чертежами. Учитывая сложность конструкции электромеханического устройства поступательного перемещения, на фиг.1 приведен чертеж его общего вида в аксонометрическом изображении, верхняя несущая пластина статора, к которой крепятся индукторы, не показана. На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - индуктор однородного магнитного поля в сборе, 2 - корпус якоря, 3 - прижимная крышка якоря, 4 - жесткая бескорпусная прямоугольная катушка.

На фиг.2 приведен чертеж общего вида в аксонометрическом изображении собранного индуктора однородного магнитного поля с указанием порядкового номера каждого из восьми сегментов индуктора и направления векторов их намагничивания. На фиг.2 приняты следующие обозначения: 5 - разъемная по продольной плоскости немагнитная обойма, 6 - один из восьми сегментов редкоземельных постоянных магнитов, 7 - сторона прямоугольной катушки, расположенная внутри индуктора, 8 - плоскость разделения индуктора на две части при сборке (разборке) устройства.

В макете электромеханического устройства поступательного перемещения использованы индукторы (фиг.2), состоящие из восьми сегментов (6) постоянных магнитов неодим-железо-бор. Исходные постоянные магниты имеют диаметр - 30 мм, высоту - 50 мм. Внешний диаметр немагнитной обоймы - 100 мм, длина образующей - 50 мм, внутренний диаметр индуктора - 35 мм. Номинальное усилие каждого индуктора - 50 Н.

Электромеханическое устройство поступательного перемещения работает следующим образом. Статор устройства крепится к неподвижному основанию, а якорь жестко связан с механизмом, испытывающим вибрацию. Расстояние между этими двумя телами необходимо поддерживать постоянным в условиях внешних возмущений. Измерение расстояния осуществляется с помощью датчика линейных перемещений. Сформированный сигнал управления усиливается и обеспечивает протекание необходимого тока в катушке. Взаимодействие тока, протекающего в катушке (4), и существующего однородного магнитного поля внутри индуктора (1) создает силу, которая устраняет возникшее рассогласование.

Величина силы пропорциональна значению тока в катушке, а направление действия силы определяется направлением тока в катушке. Для получения однонаправленной силы противоположные индукторы устройства должны иметь встречное направление однородного магнитного поля.

Измеренная регулировочная характеристика электромеханического устройства поступательного перемещения: Q=f(J), где J - плотность тока в катушке, приведенная на фиг.3, является линейной в заданном рабочем диапазоне управления.