RU2219644C2 - Electromagnetic motor - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering; electromagnetic motors. SUBSTANCE: electric motor has wound cores of inductor and armature forming closed magnetic circuit with permanent top and bottom gaps; top gap is radially offset toward inductor winding and armature winding is disposed in vicinity of offset gap; armature core is made in the form of piston with rod; inductor core is made in the form of cylinder with winding placed at its bottom under piston opposite inductor winding on inner side of piston. EFFECT: enhanced efficiency, reduced mass and size of motor. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитному приводу, а точнее к электромагнитным двигателям возвратно-поступательного перемещения. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to an electromagnetic drive, and more specifically to electromagnetic reciprocating motors.

Во многих электромагнитных устройствах энергия магнитного поля используется для создания электромагнитных сил, вызывающих перемещение подвижных частей и совершающих механическую работу. Такие электромагнитные устройства называются электромагнитными двигателями (ЭМД) и используются они в электромашиностроении и электроаппаратостроении, в основном в качестве приводов. In many electromagnetic devices, magnetic field energy is used to create electromagnetic forces that cause moving parts to move and perform mechanical work. Such electromagnetic devices are called electromagnetic motors (EMD) and they are used in electrical engineering and electrical engineering, mainly as drives.

Изобретение относится к группе ЭМД, имеющих взаимоподвижные магнитные системы индуктора и якоря, в которых электромагнитные силы создаются путем взаимодействия их магнитных полей. The invention relates to a group of EMDs having interconnected magnetic systems of an inductor and an armature in which electromagnetic forces are created by the interaction of their magnetic fields.

Известен ЭМД, состоящий из неподвижного магнитопровода индуктора с обмоткой, охватывающего расположенный внутри его магнитопровод якоря также с обмоткой, в качестве которой использован короткозамкнутый виток. Якорь установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Магнитопроводы индуктора и якоря образуют магнитную систему ЭМД в виде замкнутой магнитной цепи, которая характеризуется наличием пары постоянных немагнитных зазоров - верхнего и нижнего, расположенных соосно взаимному перемещению индуктора и якоря. Обе обмотки ЭМД размещены между этими зазорами [1]. Known EMD, consisting of a fixed magnetic circuit of the inductor with a winding, covering the armature located inside its magnetic circuit also with a winding, which is used as a short-circuited coil. The anchor is mounted with the possibility of reciprocating movement. The magnetic circuits of the inductor and the armature form the EMD magnetic system in the form of a closed magnetic circuit, which is characterized by the presence of a pair of permanent non-magnetic gaps - upper and lower, located coaxially with the mutual movement of the inductor and the armature. Both EMD windings are located between these gaps [1].

Наличие в ЭМД короткозамкнутого витка в качестве обмотки позволяет квалифицировать его как индукционно-динамический двигатель, питаемый импульсным или переменным током. The presence of a short-circuited coil in the EMD as a winding allows it to be qualified as an induction-dynamic motor powered by pulsed or alternating current.

При работе индуктор создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в короткозамкнутом витке якоря ток, создающий магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока в магнитопроводе якоря. В результате большая часть магнитного потока индуктора замыкается в немагнитном объеме между обеими обмотками и на якорь создается давление с равнодействующей силой А (см. фиг.1), направленной в сторону верхнего зазора между магнитопроводами. Аксиальная составляющая Б этой силы создает тяговое усилие для перемещения якоря в сторону увеличения начального смещения обмоток относительно друг друга, что является обязательным условием работы ЭМД - прототипа. Радиальная составляющая В, учитывая конструкцию рассматриваемого двигателя, нейтрализуется. During operation, the inductor creates an alternating magnetic field, which induces a current in the short-circuited armature coil, creating a magnetic field that prevents the magnetic flux from changing in the armature magnetic circuit. As a result, most of the magnetic flux of the inductor is closed in a non-magnetic volume between both windings and pressure is created on the armature with the resultant force A (see Fig. 1) directed towards the upper gap between the magnetic circuits. Axial component B of this force creates traction to move the armature in the direction of increasing the initial displacement of the windings relative to each other, which is a prerequisite for the operation of the EMD prototype. The radial component B, given the design of the engine in question, is neutralized.

Недостатком описанного ЭМД является зависимость электромагнитной силы на якоре как от взаимного положения обмоток якоря и индуктора, так и от изменения их взаимоиндукции. Так, действующее на якорь усилие Б определяется током I_и в обмотке индуктора, током I_я в обмотке якоря, углом φ между равнодействующей силой А (см. фиг.1) и радиальной составляющей В, а также величиной взаимоиндукции М и описывается выражением
Б=I_иI_яsin(φ(x))M(x),
где х - координата перемещения обмотки якоря относительно обмотки индуктора.The disadvantage of the described EMD is the dependence of the electromagnetic force at the armature both on the relative position of the windings of the armature and the inductor, and on the change in their mutual induction. So, the force B acting on the armature is determined by the current I _and in the inductor winding, the current I _I in the armature winding, the angle φ between the resultant force A (see Fig. 1) and the radial component B, as well as the magnitude of the mutual induction M and is described by the expression
B = I _and I _i sin (φ (x)) M (x),
where x is the coordinate of movement of the armature winding relative to the inductor winding.

При х=0 (радиальное совпадение центров обмоток индуктора и якоря) взаимоиндукция М имеет максимально возможную величину, однако угол φ=0 и электромагнитная сила Б равна нулю. At x = 0 (the radial coincidence of the centers of the windings of the inductor and the armature), the mutual induction M has the maximum possible value, however, the angle φ = 0 and the electromagnetic force B is zero.

При х, равной более полсуммы длины обмоток индуктора и якоря, т.е. х= а/2+в/2, угол φ близок к 90^o, однако взаимоиндукция М стремиться к нулю и электромагнитная сила близка к нулю.For x equal to more than half the sum of the length of the windings of the inductor and the armature, i.e. x = a / 2 + b / 2, the angle φ is close to 90 ^o , however, the mutual induction M tends to zero and the electromagnetic force is close to zero.

Таким образом, сила Б зависит от взаимного расположения обмоток индуктора и якоря и является величиной переменной, достигая максимума при неком фиксированном значении координаты х. При этом, работая в области этого максимума (х≈а/2), электромагнитная сила Б имеет значение, меньшее почти в 4 раза (φ≈45^o М≈0,5М_мах), чем теоретически возможное (φ≈90^o, М≈М_мах). Это приводит к тому, что значительно завышаются массогабаритные параметры ЭМД и коэффициент полезного действия (кпд) преобразования энергии не превышает 35%.Thus, the force B depends on the relative position of the windings of the inductor and the armature and is a variable value, reaching a maximum at a certain fixed value of the x coordinate. At the same time, working in the region of this maximum (x≈a / 2), the electromagnetic force B has a value that is almost 4 times less (φ≈45 ^o М≈0.5М _max ) than theoretically possible (φ≈90 ^o , М ≈M _max ). This leads to the fact that the mass and size parameters of EMD are significantly overestimated and the efficiency (efficiency) of energy conversion does not exceed 35%.

Таким образом, целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия преобразования энергии электромагнитного двигателя и снижение его массогабаритных параметров. Thus, the aim of the invention is to increase the efficiency of energy conversion of an electromagnetic motor and reduce its overall dimensions.

Цель, согласно изобретению, достигается за счет того, что ЭМД характеризуется совокупностью магнитопроводов индуктора и якоря, снабженных обмотками и образующих замкнутую магнитную цепь с парой постоянных зазоров, один из которых смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря при этом расположена в зоне этого зазора. Конкретно, указанные отличия реализуются в конструкции ЭМД, где магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого установлена его обмотка, в то время как обмотка якоря смонтирована на поршне с внутренней стороны. The goal, according to the invention, is achieved due to the fact that the EMD is characterized by a combination of magnetic circuits of the inductor and the armature, equipped with windings and forming a closed magnetic circuit with a pair of constant gaps, one of which is radially offset towards the inductor winding, while the armature winding is located in zone of this gap. Specifically, these differences are realized in the EMD design, where the armature magnetic circuit is made in the form of a piston with a rod, and the inductor magnetic circuit is made in the form of a cylinder, at the bottom of which its winding is installed, while the armature winding is mounted on the piston from the inside.

Сущность изобретения состоит в том, что радиальное смещение одного из немагнитных зазоров ЭМД, например верхнего, и размещение обмотки якоря над обмоткой индуктора в зоне смещенного зазора приводит к такому искажению магнитного поля индуктора, что угол φ не зависит от взаимного перемещения якоря и индуктора, а зависит только от конструктивного расположения обмотки якоря на его поршне и может иметь значение, близкое к 90^o. При этом взаимоиндукция М обмоток индуктора и якоря имеет максимально возможное значение и слабую зависимость от их взаимного положения за счет изменения длины магнитопровода между ними. Выше приведенные характеристики приводят к значительному увеличению кпд ЭМД и снижению массогабаритных параметров. Значительным преимуществом предлагаемой конструкции является слабая зависимость усилия на якоре от взаимного положения его обмотки и обмотки индуктора, что дает возможность получить на ЭМД значительный рабочий ход.The essence of the invention lies in the fact that the radial displacement of one of the non-magnetic EMD gaps, for example, the upper one, and the placement of the armature winding above the inductor winding in the zone of the offset gap leads to such a distortion of the magnetic field of the inductor that the angle φ does not depend on the mutual movement of the armature and the inductor, and depends only on the structural location of the armature winding on its piston and may have a value close to 90 ^o . In this case, the mutual induction M of the windings of the inductor and the armature has the maximum possible value and a weak dependence on their relative position due to a change in the length of the magnetic circuit between them. The above characteristics lead to a significant increase in the efficiency of EMD and a decrease in weight and size parameters. A significant advantage of the proposed design is the weak dependence of the force at anchor on the relative position of its winding and the winding of the inductor, which makes it possible to obtain a significant working stroke on the EMD.

На фиг.1 схематически изображен ЭМД - прототип. Figure 1 schematically depicts EMD - prototype.

На фиг.2 дано схематическое изображение ЭМД предлагаемой конструкции. Figure 2 is a schematic representation of the EMD of the proposed design.

ЭМД, согласно изобретению, состоит из индуктора, образованного из магнитопровода 1 (см. фиг. 2), выполненного в виде цилиндра, на дне 2 которого закреплена обмотка 3, связанная с источником тока (не показана). Подвижный магнитопровод 4 якоря выполнен в виде поршня, установленного в цилиндре с зазорами 5 и 6, величина которых ограничена в пределах 0,05...1,0 мм и заполнена магнитопроводящей смазкой. Напротив обмотки 3 с нижней стороны поршня смонтирована обмотка 7 якоря, выполненная, например, в виде короткозамкнутого витка. EMD, according to the invention, consists of an inductor formed of a magnetic circuit 1 (see Fig. 2), made in the form of a cylinder, on the bottom 2 of which a winding 3 connected to a current source (not shown) is fixed. The movable magnetic core 4 of the anchor is made in the form of a piston mounted in a cylinder with gaps 5 and 6, the value of which is limited to within 0.05 ... 1.0 mm and filled with a magnetic conductive lubricant. Opposite the winding 3 on the underside of the piston is mounted an armature winding 7, made, for example, in the form of a short-circuited coil.

Работает ЭМД следующим образом. EMD works as follows.

За счет магнитной связи обмоток индуктора 3 и якоря 7 при изменении магнитного поля в системе с помощью обмотки 3 индуктора в короткозамкнутом витке якоря 7 наводится ток, создающий магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока в магнитопроводе 4 якоря, охваченного этим короткозамкнутым витком 7. В результате большая часть создаваемого индуктором переменного магнитного потока замыкается в немагнитном объеме возле и через обмотку 7 якоря, создавая таким образом магнитное давление на якорь с равнодействующим усилием А (см. фиг.2), перпендикулярным нормали n-n, усреднено определяющей направление вытесненного в немагнитный зазор магнитного потока. Угол φ не зависит от взаимного перемещения якоря и индуктора, а зависит только от конструктивного расположения обмотки 7 якоря на его поршне и может иметь значение, близкое к 90^o. При этом взаимоиндукция М обмоток индуктора 3 и якоря 7 имеет максимально возможное значение и слабую зависимость от их взаимного положения за счет изменения длины магнитопроводов 1 и 4 между ними. При использовании в качестве магнитопроводов электротехнических сталей с большими значениями относительной магнитной проницаемости (до 10⁴) изменением взаимоиндукции М от изменения длины магнитопровода можно пренебречь. Таким образом, действующее на якорь усилие Б определяется выражением
Б=I_иI_яM.Due to the magnetic coupling of the windings of the inductor 3 and the armature 7, when the magnetic field in the system is changed using the coil 3 of the inductor in the short-circuited coil of the armature 7, a current is induced to create a magnetic field that prevents the magnetic flux in the magnetic circuit 4 of the armature covered by this short-circuited coil 7. As a result most of the alternating magnetic flux generated by the inductor is closed in a non-magnetic volume near and through the armature winding 7, thereby creating magnetic pressure on the armature with the resultant force A (see figure 2) perpendicular to the normal nn is averaged to determine the direction of the magnetic flux displaced into the nonmagnetic gap. The angle φ does not depend on the mutual movement of the armature and the inductor, but depends only on the structural arrangement of the winding 7 of the armature on its piston and may have a value close to 90 ^o . In this case, the mutual induction M of the windings of the inductor 3 and the armature 7 has the maximum possible value and a weak dependence on their relative position due to a change in the length of the magnetic circuits 1 and 4 between them. When using electrotechnical steels with large values of relative magnetic permeability (up to 10 ⁴ ) as a magnetic circuit, a change in the mutual induction M from a change in the length of the magnetic circuit can be neglected. Thus, the force B acting on the anchor is determined by the expression
B = I _and I _and M.

Выше приведенные характеристики показывают высокий кпд преобразования электрической энергии в механическую, т.е. кпд предлагаемого ЭМД может быть охарактеризован величинами порядка 85. . .95%, и снижение массогабаритных показателей в 1,5...2 раза. Значительным преимуществом предлагаемой конструкции является слабая зависимость усилия на якоре от взаимного положения его обмотки и обмотки индуктора, что дает возможность получить на ЭМД значительный рабочий ход. Практически увеличивается номенклатура приводов, конструктивную основу которых составляют цилиндр и поршень (гидро- и пневмоцилиндры), еще одним конструктивно родственным приводом, который авторы определили как электромагнитный цилиндр. The above characteristics show a high efficiency of conversion of electrical energy into mechanical energy, i.e. the efficiency of the proposed EMD can be characterized by values of the order of 85.. .95%, and a decrease in overall dimensions by 1.5 ... 2 times. A significant advantage of the proposed design is the weak dependence of the force at anchor on the relative position of its winding and the winding of the inductor, which makes it possible to obtain a significant working stroke on the EMD. The range of drives is practically increasing, the structural basis of which is the cylinder and piston (hydraulic and pneumatic cylinders), another structurally related drive, which the authors defined as an electromagnetic cylinder.

Источник информации
1. Авторское свидетельство СССР 686126, кл. Н 02 К 33/02, выдан 15.08.79 - прототип.Sourse of information
1. USSR author's certificate 686126, cl. H 02 K 33/02, issued 08/15/79 - prototype.

Claims (1)

Электромагнитный двигатель, включающий магнитопроводы индуктора и якоря, снабженные обмотками и образующие замкнутую магнитную цепь с постоянными верхним и нижним зазорами, отличающийся тем, что верхний зазор смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря расположена в зоне смещенного зазора, при этом магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого под поршнем установлена его обмотка, при этом обмотка якоря смонтирована напротив обмотки индуктора с внутренней стороны поршня.An electromagnetic motor, including the inductor and armature magnetic circuits, equipped with windings and forming a closed magnetic circuit with constant upper and lower gaps, characterized in that the upper gap is radially shifted towards the inductor winding, and the armature winding is located in the zone of the offset gap, while the magnetic circuit the armature is made in the form of a piston with a rod, and the inductor magnetic circuit is in the form of a cylinder, at the bottom of which a winding is installed under the piston, while the armature winding is mounted opposite the winding ind Ktorov the inside of the piston.

Images