Індукційно-динамічний електродвигун

1 Індукційно-динамічний електродвигун, що містить джерело імпульсного живлення, багатовиткову обмотку збудження з паралельними торцевими сторонами, яка з однієї торцевої сторони закріплена до масивного упора, а з другої торцевої сторони обмотки збудження коаксіально розташований рухомий суцільний електропровідний якір, який з'єднаний з неелектричним виконавчим елементом, причому форма зверненої у бік руху торцевої поверхні обмотки збудження і форма прилягаючої поверхні масивного якоря виконані ідентичними, який відрізняється тим, що обмотка збудження складена з послідовно з'єднаних і радіально розташованих секцій, причому секції, направлені від внутрішньої і зовнішньої секцій до області середнього діаметра, послідовно зсунуті одна відносно іншої в напрямку руху якоря та закріплені до масивного упора за допомогою нерухомих коаксіальних концентричних неелектропровідних порожнистих циліндрів, у кожному з яких від однієї до другої торцевої сторони виконані два протилежно розташовані радіальні прорізи, а осі прорізів суміжних циліндрів перпендикулярні 2 Індукційно-динамічний електродвигун за п 1, який відрізняється тим, що між секціями обмотки збудження упорядковано встановлені коаксіальні концентричні МІДНІ циліндри, у яких одна торцева поверхня досягає поверхні обмотки збудження, зверненої до якоря, а друга розташована за и межами, не контактуючи з масивним упором 3 Індукційно-динамічний електродвигун за п 1, який відрізняється тим, що торцева сторона обмотки збудження, яка звернена до масивного упора, розташована у герметичному корпусі та охоплена рідким діелектриком 4 Індукційно-динамічний електродвигун за п 1, який відрізняється тим, що у порожнині між обмоткою збудження та масивним упором розташовані два патрубки, один з яких розміщений у зоні між внутрішньою поверхнею обмотки збудження і опорним циліндром найменшого діаметра, а другий - між опорним циліндром найбільшого діаметра та зовнішньою поверхнею обмотки збудження 5 Індукційно-динамічний електродвигун за п 1, який відрізняється тим, що один кінець неелектропровідного рухомого направляючого елемента, виконаного у вигляді штиря, що розташований уздовж осі, з'єднаний з виконавчим елементом, а другий кінець приєднаний до зворотного вузла СО го (О Винахід відноситься до електротехніки і може бути використаний в пристроях для прискорення рухомих об'єктів та в механізмах ударної дії Відомий індукційно-динамічний привід, який включає джерело імпульсного живлення, нерухомо закріплену обмотку збудження та рухомий електропровідний якір, який встановлений навпроти обмотки на одній осі з нею, причому електропровідний якір виконаний у вигляді концентрично розташованих та електрично ізольованих одне від одного кілець [1] У відомому індукційно-динамічному приводі підвищуються ударні навантаження та прискорення за рахунок зменшення початкового зазору між обмоткою та якорем у порівнянні із пристроєм, що має суцільний електропровідний дисковий якір Однак комбінований якір такого приводу при тривалій роботі менш надійний ніж суцільний масивний якір Складена форма якоря обумовлює складність його виготовлення Відомий індукційний двигун зворотнопоступального руху, який складається із нерухомого магнітопроводу індуктора та рухливого магнітопроводу якоря, які в сукупності утворюють замкнутий паз змінної ширини, у якому розміщені нерухома обмотка індуктора і рухлива обмотка якоря [2] За рахунок того, що магнітопроводи індуктора і якоря виконані з кільцевими пазами визначених розмірів, забезпечується одержання оптимальних залежностей коефіцієнтів взаємоіндуктивності обмоток при переміщенні якоря Однак наявність феромагнітного магнітопроводу сприяє збільшенню індуктивності обмотки збудження та якоря, що перешкоджає досягненню високих швидкісних характеристик, а значна маса такого двигуна приводить до зниження питомих електромагнітних показників і ударних навантажень навіть при великих імпульсних струмах збудження Найбільш близьким до технічного рішення, що пропонується, є електродинамічний двигун ударної дії з якорем спеціальної форми, який складається з дискових та циліндричних конструктивних елементів [3] Статорна обмотка збудження індукційно взаємодіє з якорем, що має форму диска з внутрішніми та ЗОВНІШНІМИ обичайками, які частково охоплюють ВІДПОВІДНІ бічні сторони обмотки у вихідному стані Обмотка збудження зафіксована відносно масивного упора, а якір з'єднаний з ударним виконавчим елементом, лінійне зміщення якого вздовж осі забезпечує напрямний нерухомий елемент, що коаксиально встановлений всередині обмотки та з'єднаний з масивним упором, а повернення у вихідне положення - пружина Підвищення ефективності пристрою відбувається в наслідок поліпшення магнітного зв'язку між обмоткою збудження та якорем у порівнянні зі звичайним перетворювачем циліндричної або дискової форми Максимальна ефективність перетворювача досягається тоді, коли внутрішні і ЗОВНІШНІ обичайки якоря охоплюють половину бічних сторін обмотки збудження Однак у відомому пристрої ефективність залишається доволі низькою через незначне підвищення коефіцієнту взаємної індуктивності між активними елементами системи Це є результатом застосування традиційної циліндричної форми обмотки збудження у сполученні з якорем, у якого форма більш складна, але складові конструктивні елементи залишились традиційної форми - дискової та циліндричної Сила електродинамічної взаємодії між первинною обмоткою та вторинним електропровідним якорем, що переміщується вздовж осі Z, залежить від величин їх струмів та коефіцієнта взаємної індуктивності де n(t) - струм статорної обмотки, i2(t) - струм якоря, M(z) - коефіцієнт взаємної індуктивності між обмоткою та якорем, що залежить від відстані між ними Якщо обмотка і якір мають форму тонких котушок, то взаємна індуктивність M(z) між обмоткою і якорем, а значить і величина індукованого струму в якорі невеликі Виконання якоря й обмотки у виді коаксиально розташованих тонкостінних циліндрів забезпечує гарний магнітний зв'язок між ними, але градієнт взаємної індуктивності dM/dz(z), що визначає величину електродинамічної сили, досить великий лише при визначеному зсуві якоря щодо обмотки У дисковій конфігурації забезпечується високе значення обох параметрів M(z) та dM/dz(z), але тільки при близькому розташуванні якоря й обмотки, що реалізується лише у вихідному поло 62433 женні При переміщенні ж якоря ці параметри швидко зменшуються, знижуючи ефективність електромеханічного індукційного перетворювача В основу винаходу поставлено задачу підвищення ефективності індукційно-динамічного електродвигуна шляхом збільшення величини взаємної індуктивності у вихідному положенні та збереження хорошого магнітного зв'язку між обмоткою збудження та якорем на протязі усього робочого циклу Поставлене завдання досягається за рахунок того, що в індукційно-динамічному електродвигуні, який містить джерело імпульсного живлення, багатовиткову обмотку збудження з паралельними торцевими сторонами, яка з однієї торцевої сторони закріплена до масивного упору, а з другої торцевої сторони обмотки збудження коаксіально розташований рухомий суцільний електропровідний якір, який з'єднаний з неелектричним виконавчим елементом, причому форма зверненої у бік руху торцевої поверхні обмотки збудження і форма прилягаючої поверхні масивного якоря виконані ідентичними, згідно винаходу обмотка збудження складена з послідовно з'єднаних і радіально розташованих секцій, причому секції, направлені від внутрішньої і зовнішньої секцій до області середнього діаметра, послідовно зсунуті одна відносно іншої в напрямку руху якоря та закріплені до масивного упору за допомогою нерухомих коаксіальних концентричних неелектропровідних порожнистих циліндрів, у кожному з яких від однієї до другої торцевої сторони виконані два протилежно розташовані радіальні прорізи, а осі прорізів суміжних циліндрів перпендикулярні Крім того, між секціями обмотки збудження упорядковано встановлені коаксіальні концентричні МІДНІ циліндри, у яких одна торцева поверхня досягає поверхні обмотки збудження, зверненої до якоря, а друга розташована за и межами, не контактуючи з масивним упором Крім того, торцева сторона обмотки збудження, яка звернена до масивного упора, розташована у герметичному корпусі та охоплена рідким діелектриком Крім того, у порожнині між обмоткою збудження та масивним упором розташовані два патрубки, один з яких розміщений у зоні між внутрішньою поверхнею обмотки збудження і опорним циліндром найменшого діаметра, а другий - між опорним циліндром найбільшого діаметра та зовнішньою поверхнею обмотки збудження Крім того, один кінець неелектропровідного рухомого направляючого елемента, виконаного у вигляді штиря, що розташований уздовж осі, з'єднаний з виконавчим елементом, а другий кінець приєднаний до зворотного вузла За рахунок того, що частина кожного з коаксіальних мідних циліндрів розташована у порожнині між обмоткою збудження та якорем, яка охоплена герметичним неелектропровідним корпусом та заповнена рідким діелектриком, у якості якого можна використати, наприклад, трансформаторну олію, відбувається циркуляційно-заглибне охолодження рідким діелектриком За рахунок того, що у кожного з нерухомих коаксіальних концентричних неелектропровідних 62433 намотування однієї торцевої поверхні чергової секції обмотки збудження При цьому середній діаметр кільця дорівнює середньому діаметру намотуваної секції, а товщина кільця визначає необхідний для даної секції зсув 3 протилежної сторони штиря розташовуються кільця ВІДПОВІДНОГО діаметра, що забезпечують необхідну форму для іншої торцевої поверхні обмотки збудження Закріплюється вся конструкція другою дисковою частиною каркаса, що насаджується на штир із протилежної щодо першої дискової частини сторони Для намотування кожної секції обмотки збудження необхідно використовувати по два кільця, що обмежують намотування дроту з торцевих сторін Для забезпечення МІЦНОСТІ конструкції кожний шар Оскільки у порожнину між обмоткою збудженобмотки заливаємо епоксидним компаундом Для ня та масивним упором уведені два патрубки, того, щоб обмотка збудження легко відокремлюодин з яких розташований у зоні між внутрішньою валася від оправлення, між ними прокладається поверхнею обмотки збудження і опорним циліндфторопластова плівка ром найменшого діаметра, а другий - між опорним циліндром найбільшого діаметра та зовнішньою Зазначенні удосконалення дозволяють поповерхнею обмотки збудження, то за допомогою кращити взаємну індуктивність обмотки збудження цих патрубків відбувається подача і вивід рідкого та якоря, що приводить до підвищення ефективдіелектрика з порожнини корпуса Таке розташуності перетворення енергії у індукційновання патрубків забезпечує оптимальну циркулядинамічному двигуні цію охолоджувальної рідини по сполучених камеНа фіг 1 зображені залежність коефіцієнта рах, на які розділена опорними циліндрами взаємної індуктивності M(z) між обмоткою та якопорожнина між обмоткою та масивним упором рем і градієнта взаємної індуктивності dM/dz(z) від За рахунок того, що в масивному упорі виковідстані між активними елементами системи наний внутрішній наскрізний отвір, в якому коаксідля двигуна-прототипу, — - для індукційноально, відносно рухомого направляючого елемендинамічного електродвигуна, що пропонується, та, встановлений стаціонарний направляючий на фіг 2 - залежність швидкості V, переміщенелемент циліндричної форми, забезпечується ня AZ і коефіцієнта ефективності перетворення осьовий напрямок переміщення рухомого направенергії ті для двигуна-прототипу, для інляючого елемента дукційно-динамічного електродвигуна, що пропоОскільки на торцевій поверхні обмотки збунується, дження, яка направлена у бік якоря, розташований на фіг 3 - схематична будова індукційноізоляційно-опорний шар, то цей шар дозволяє задинамічного електродвигуна спеціальної форми у безпечити малий початковий зазор між обмоткою початковий момент часу, та якорем за рахунок їх наближення на відстань, на фіг 4 - поперечний перетин А-А на фіг 3 сияка дорівнює малій товщині зазначеного шару стеми опорних циліндрів, Цей ізоляційно-опорний шар надійно електрично на фіг 5 - технологія намотування обмотки ізолює обмотку від якоря збудження спеціальної форми з введеними до неї У результаті прояву скин-ефекту, індукований мідними циліндрами струм у якорі розподілений по перетині нерівноміІндукційно-динамічний електродвигун складарно, і найбільші по величині струми індукуються в ється із нерухомої обмотки збудження 1, яка підпорівняно тонкому шарі масивного якоря, що приключається за допомогою ключа (на фіг не покалягає до торцевої поверхні, зверненої до обмотки заний) до джерела імпульсного живлення, та збудження При визначеній товщині якоря індукокоаксіально розташованого рухомого електропровані струми в зоні, що прилягає до торцевої повевідного якоря 2 Ключ уявляє собою, наприклад, рхні, з'єднаної з виконавчим елементом, малі При електронний симисторний комутатор, а в якості подальшому, навіть незначному, збільшенні товджерела імпульсного струму використовується щини якоря індуковані струми в цій частині можна ємнісний накопичувач енергії Частина обмотки вважати рівними нулю Значить, для надійного і збудження 1 та якоря 2, яка розташована в області зручного з'єднання якоря і виконавчого елемента, середнього діаметра, зміщена в напрямку руху їх суміжні поверхні мають плоску форму Такі зміни якоря 2 Обмотка збудження 1 закріплена відносно практично не вплинуть на розподіл струмів по пемасивного упору 3 за допомогою нерухомих коакретині якоря Незначно зміниться тільки маса якосіальних концентричних неелектропровідних поря рожнистих циліндрів 4 У кожному циліндрі 4 від Оправлення для виготовлення обмотки збуоднієї до другої торцевої сторони виконані два дження зазначеної форми складається із каркаса протилежно розташовані радіальні прорізи 5, а осі та кілець різної товщини і діаметра Каркас склапрорізів суміжних циліндрів перпендикулярні Мадається зі штиря і двох дисків, середній діаметр сивний якір 2 з'єднаний контргайкою 6 з виконавяких більше середнього діаметра обмотки збучим елементом 7 за допомогою неелектропровіддження На одному КІНЦІ штиря закріплюється дисного рухомого направляючого елемента 8, кова частина каркаса, поруч з якою розташовувиконаного у виді штиря, розташованого уздовж ються кільця, що служать обмежниками для порожнистих циліндрів, за допомогою яких обмотка збудження кріпиться до масивного упору, від однієї до другої торцевої сторони виконані два протилежно розташовані радіальні прорізи, а осі прорізів суміжних циліндрів перпендикулярні, забезпечується найліпша циркуляція охолоджувальної рідини у порожнині між обмоткою збудження та масивним упором Таким чином, рідкий діелектрик охолоджує як частини кожного з мідних циліндрів, що введені до обмотки збудження, які розташовані у порожнині між обмоткою та упором, так і торцеву поверхню обмотки збудження, яка звернена до масивного упора Таким способом забезпечується добре охолодження усієї обмотки збудження 62433 осі, один кінець якого з єднаний з виконавчим елементом 7, а другий кінець приєднаний до зворотного вузла 9 В масивному упорі 3 виконаний внутрішній наскрізний отвір, в якому встановлений стаціонарний направляючий елемент 10 циліндричної форми, який забезпечує осьові переміщення рухомого направляючого елемента 8 У обмотці збудження 1 упорядковано встановлені коаксіальні концентричні МІДНІ циліндри 11, у яких одна торцева поверхня досягає поверхні обмотки збудження 1, зверненої до якоря 2, а друга виходить за и межі, але не контактує з масивним упором 3 На торцевій поверхні обмотки збудження 1, яка направлена у бік якоря 2, розташований ізоляційноопорний шар 12, виконаний, наприклад із міцного склотекстоліту, до якого за допомогою зворотного вузла 9 притискується якір Обмотки збудження 1 розташована у герметичному корпусі 13, заповненому рідким діелектриком 14, що охоплює торцеву сторону обмотки 1, яка звернена до масивного упору З У порожнину між обмоткою збудження 1 та масивним упором З уведені два патрубки 15, один з яких розташований у зоні між внутрішньою поверхнею обмотки збудження 1 і опорним циліндром найменшого діаметра 4, а другий - між опорним циліндром найбільшого діаметра та зовнішньою поверхнею обмотки збудження Оправлення для виготовлення обмотки збудження зазначеної форми складається із каркаса та кілець 16 різної товщини і діаметра Каркас складається зі штиря 17 і двох дисків 18 та 19, середній діаметр яких більше середнього діаметра обмотки збудження 1 На одному КІНЦІ штиря закріплюється дискова частина каркаса, наприклад 18, поруч з якою розташовуються кільця 16, що служать обмежниками для намотування однієї торцевої поверхні чергової секції обмотки збудження 1 3 протилежної сторони штиря 17 розташовуються кільця 16 ВІДПОВІДНОГО діаметра, що забезпечують необхідну форму для іншої торцевої поверхні обмотки збудження 1 Закріплюється вся конструкція другою дисковою частиною 19 каркаса Індукційно-динамічний електродвигун працює таким чином У початковому стані електропровідний якір 2 разом із виконавчим елементом 7 притиснутий за допомогою зворотного вузла 9 до ізоляційноопорного шару 12 обмотки збудження 1 (фіг 3) 8 При підключенні обмотки збудження 1 до зарядженої батареї конденсаторів у обмотці протікає струм н, який по закону електромагнітної індукції наводить у електропровідному якорі 2 електрорушійну силу Є2 Під ДІЄЮ зазначеної електрорушійної сили у якорі 2 протікає струм І2 Взаємодія СТруму ОбМОТКИ ЗбуДЖеННЯ Н Та СТруму ЯКОрЯ І2 призводить до появи аксіально направленої електродинамічної сили / Оскільки спочатку струми знаходяться у протифазі, тобто їх напрямки протилежні, то сила / має характер відштовхування, що й викликає переміщення AZ якоря 2 із виконавчим елементом 7 зі швидкістю V Після передачі кінетичної енергії виконавчим елементом 7об'єкту діяння (на фіг не показаний), якір 2 разом із виконавчим елементом 7 під дією зворотного вузла 9 притискується до ізоляційноопорного шару 12 обмотки збудження 1 Таким чином електродвигун знову знаходиться у початковому стані і готовий до наступного робочого циклу Збільшення величини коефіцієнта взаємної індуктивності у вихідному положенні та збереження доброго магнітного зв'язку між активними елементами, що досягається особливою формою обмотки збудження та якоря, зменшення розігріву обмотки спеціальною системою охолодження, що дозволяє попередити шкідливий нагрів ізоляції обмотки, а також отримати більші токи збудження, що в свою чергу приводить до збільшення величини індукованих токів, таким чином, підвищується електродинамічна сила відштовхування, швидкість та переміщення виконавчого елемента, що забезпечує підвищення ефективності індукційно-динамічного електродвигуна Джерела інформації 1 А с СССР №1220067, МКИ Н02КЗЗ/02, G01M7/00 Индукционно-динамический привод — Заявка №3822407/24-07 от 30 1184 г Опубл 23 03 86 г, Бюл №11 2 А с СССР №1515276, МКИ Н02КЗЗ/02 Индукционный двигатель возвратно-поступательного движения — Заявка №4383578/24-07 от 25 01 88 г Опубл 15 10 89 г, Бюл №38 3 Болюх В Ф , Марков А М , Лучук В Ф , Щукин И С Математическое моделирование электродинамического двигателя ударного действия // Техн електродинаміка Спец випуск №2 — 1998 Т 2 — С 147-152, рис 1 (прототип) 62433 10 11 Комп'ютерна верстка А Крулевський 62433 12 Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119