RU2707559C1 - Linear magnetoelectric machine - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: linear magnetoelectric machine comprises a fixed stator in the form of an armor core, a movable armature and permanent armature magnets. Movable anchor is shaped to rectangular section. Permanent magnets are arranged on the edges of the movable armature. Inside the fixed stator there are two windings, besides, each winding is made of n coils, and n is an integer not zero number. Number of permanent magnets m, wherein m is an even integer not a zero number, and have a prismatic shape. Permanent magnets can be combined into groups to form composite pole. Linear magnetoelectric machine can be in both engine and generator operating mode.

EFFECT: increased electromagnetic force.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводам возвратно-поступательного движения и может быть использовано в составе электрического привода поршневого компрессора.The invention relates to electrical engineering, namely to electric drives of reciprocating motion and can be used as part of an electric drive of a reciprocating compressor.

Поршневые компрессоры выпускаются в широком ассортименте на большой диапазон мощностей и перемещений поршня. По физической природе создания усилия поршневые компрессоры бывают пневматического, гидравлического, электромагнитного и магнитоэлектрического типа. Использование поршневых компрессоров первых двух типов сопряжено с необходимостью размещения в непосредственной близости дополнительных гидравлических или пневматических систем, обладающих известными недостатками. Применение электромагнитных поршневых компрессоров связано с трудностью обеспечения заданного закона движения подвижной части и точного значения заданного электромагнитного усилия. В связи с этим задача разработки поршневых компрессоров магнитоэлектрического типа для систем требующих задание закона движения поршня и значительного электромагнитного усилия является актуальной. В связи с этим особый интерес представляют поршневые компрессоры с ходом поршня более 100 мм при значительном максимальном электромагнитном усилии выше 2000 Н.Piston compressors are available in a wide range for a wide range of capacities and movements of the piston. By the physical nature of the creation of force, reciprocating compressors are of the pneumatic, hydraulic, electromagnetic and magnetoelectric type. The use of reciprocating compressors of the first two types is associated with the need to place additional hydraulic or pneumatic systems in the immediate vicinity that have known drawbacks. The use of electromagnetic piston compressors is associated with the difficulty of ensuring a given law of motion of the moving part and the exact value of a given electromagnetic force. In this regard, the task of developing reciprocating magnetoelectric type compressors for systems requiring setting the law of piston motion and significant electromagnetic force is relevant. In this regard, piston compressors with a piston stroke of more than 100 mm with a significant maximum electromagnetic force above 2000 N are of particular interest.

Известен электромеханический привод, содержащий статор в виде пустотелого броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой возбуждения, а также якорь, состоящий из пары встречно ориентированных по отношению друг к другу полюсов постоянных магнитов, разделенных ферромагнитной вставкой, сердечник статора выполнен в виде пустотелого кольца с радиальной прорезью, обмотка возбуждения изготовлена в виде соленоида, соосного с сердечником статора, постоянные магниты и вставка выполнены в виде шайб и неподвижно закреплены на штоке, шток установлен в упругих опорах с возможностью осевого перемещения при этом ферромагнитная вставка расположена симметрично относительно полюсов наконечников сердечника статора [Патент RU №96109989, опубл. 27.11.97].A known electromechanical drive containing a stator in the form of a hollow armored core with pole tips and an excitation winding, as well as an armature consisting of a pair of permanent magnets opposite to each other, separated by a ferromagnetic insert, the stator core is made in the form of a hollow ring with a radial slot , the field winding is made in the form of a solenoid coaxial with the stator core, permanent magnets and an insert are made in the form of washers and are fixedly mounted on the rod, current is set to elastic supports with the possibility of axial movement wherein the ferromagnetic insert arranged symmetrically with respect to the pole tips of the stator core [Patent RU №96109989, publ. 11/27/97].

Известен электромеханический привод магнитоэлектрического типа, который содержит неподвижный статор в виде броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой возбуждения, подвижный якорь образован парой разделенных ферромагнитной вставкой встречно ориентированных полюсов постоянных магнитов, сердечник изготовлен в виде кольца, постоянные магниты на якоре закреплены на штоке, проходящем сквозь отверстие кольца сердечника и установленных в корпус двух пружин мембранного типа при симметричном расположении постоянныхмагнитов относительно полюсных наконечников сердечника [Патент RU №2098909, опубл. 10.12.97].The electromechanical magnetoelectric drive is known, which contains a fixed stator in the form of an armored core with pole tips and an excitation winding, a movable armature formed by a pair of counter-oriented poles of permanent magnets separated by a ferromagnetic insert, a core made in the form of a ring, permanent magnets on the armature are fixed on the rod passing through hole of the core ring and two membrane-type springs installed in the housing with a symmetrical arrangement of permanent magnet in relative pole tips of the core [Patent RU No. 2098909, publ. 12/10/97].

Наиболее близким к заявленной полезной модели является электромеханический привод магнитоэлектрического типа, содержащий неподвижный статор в виде броневого сердечника с полюсными наконечниками и обмоткой в нем, подвижный якорь с постоянными магнитами, в котором подвижный якорь образован пятью неферромагнитными рейками, соединенными скобами в виде трубы и выполненными из немагнитной стали, а постоянные магниты на якоре расположены по обе стороны между неферромагнитными рейками подвижного якоря и выполнены в виде отдельных радиально намагниченных сегментов [Патент RU №34287, опубл. 27.11.2003].Closest to the claimed utility model is an electromechanical magnetoelectric drive containing a fixed stator in the form of an armored core with pole pieces and a winding in it, a movable armature with permanent magnets, in which the movable armature is formed by five non-ferromagnetic rails connected by pipe brackets and made of non-magnetic steel, and the permanent magnets at the anchor are located on both sides between the non-ferromagnetic rails of the moving armature and are made in the form of separate radially about magnetized segments [Patent RU No. 34287, publ. November 27, 2003].

Недостатком приведенных конструкций магнитоэлектрического привода возвратно-поступательного движения является трудоемкость получения максимального электромагнитного усилия при создании ступеней поршневых компрессоров с рабочим давлением от 0,5 МПа при диаметре поршня до 100 мм и ходе поршня более 100 мм. The disadvantage of the above designs of the magnetoelectric reciprocating drive is the complexity of obtaining maximum electromagnetic force when creating stages of reciprocating compressors with a working pressure of 0.5 MPa with a piston diameter of up to 100 mm and a piston stroke of more than 100 mm.

Указанный недостаток в предложенных конструкциях привода связан с использованием ферромагнитной вставки, разделяющей магнитный поток постоянных магнитов и тем самым уменьшающий максимальное значение электромагнитного усилия, а также ограничивающий перемещение якоря, а следовательно ход поршня компрессора.This drawback in the proposed drive designs is associated with the use of a ferromagnetic insert that separates the magnetic flux of permanent magnets and thereby reduces the maximum value of the electromagnetic force, as well as restricting the movement of the armature, and therefore the compressor piston stroke.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание общего магнитного потока замыкающегося по внешнему и внутреннему магнитопроводу позволяющего повысить электромагнитное усилие при увеличении рабочего хода якоря. Предлагаемое изобретение представляет собой тихоходную длинноходовую линейную магнитоэлектрическую машину высокого давления.The objective of the invention is to remedy these disadvantages, namely the creation of a common magnetic flux that closes along the external and internal magnetic circuit, which allows to increase the electromagnetic force while increasing the working stroke of the armature. The present invention is a low-speed long-stroke linear magnetoelectric high-pressure machine.

Конструкция предлагаемой линейной магнитоэлектрической машины представлена на Фиг.1The design of the proposed linear magnetoelectric machine is presented in figure 1

Расчет магнитостатического поля и электромагнитного усилия линейной магнитоэлектрической машины в комплексе программ ELCUT(профессиональная версия) представлен на Фиг. 2.The calculation of the magnetostatic field and electromagnetic force of a linear magnetoelectric machine in the ELCUT software package (professional version) is presented in FIG. 2.

Предлагаемая конструкция магнитоэлектрической машины, используемой в качестве привода, содержит неподвижный статор 1 в виде броневого сердечника, образованного ферромагнитными плитами 2, соединенными между собой болтовым соединением 3, внутри статора 1 расположены две обмотки4, каждая из которых состоит из n катушек 5, n - целое, не нулевое число, причем обмотки с одной стороны упираются в ограничительные упорные кольца 6, подвижный ферромагнитный якорь 7 изготовлен прямоугольного сечения, на гранях которого любым способом закреплены m постоянных магнитов 8 призматической формы, m - четное, целое не нулевое число, причем постоянные магниты 8 могут быть объединены в группы, образуя составной полюс, и на каждой грани якоря 7 обращены к катушкам одноименными полюсами, таким образом, чтобы общий магнитный поток постоянных магнитов 8замыкался по статору 1 и якорю 7,между постоянными магнитами 8, образующими одну пару полюсов по отношению к катушкам 4, соединенных последовательно встречно друг с другом, максимальное расстояние хода якоря 7 определяется в виде суммы длины одноименного полюса, образованного одним или несколькими постоянными магнитами, и общей длины параллельно соединенных катушек 4 в виде обмотки, обращенной к одноименному полюсу, с двух сторон неподвижного статора 1 закреплены две крышки 9, в которых установлены подшипники скольжения или качения 10, по которым перемещается якорь 6, крышки связаны между собой шпильками 11.The proposed design of the magnetoelectric machine used as a drive, contains a fixed stator 1 in the form of an armored core formed by ferromagnetic plates 2 interconnected by a bolt connection 3, two windings 4 are located inside the stator 1, each of which consists of n coils 5, n is a whole , not a zero number, and the windings on one side abut against the restrictive thrust rings 6, the movable ferromagnetic armature 7 is made of rectangular cross-section, on the faces of which are fixed m prismatic magnets 8, m is an even, non-zero integer, and the permanent magnets 8 can be combined into groups to form a composite pole, and on each face of the armature 7 the poles of the same name face the coils, so that the total magnetic flux of permanent magnets 8 closed along the stator 1 and the armature 7, between the permanent magnets 8, forming one pair of poles with respect to the coils 4, connected in series opposite to each other, the maximum distance of the armature 7 is determined as the sum of the length of the like jus formed by one or several permanent magnets, and the total length of the parallel connected coils 4 in the form of a winding facing the same pole, two covers 9 are fixed on both sides of the fixed stator 1, in which sliding or rolling bearings 10 are installed, along which the armature 6 , the covers are interconnected by studs 11.

Для предлагаемой конструкции количество катушек n=8 (по четыре катушки соединенных последовательно или параллельно, обращенных к одноименному полюсу), количество постоянных магнитов m=16 (по восемь постоянных магнитов, закрепленных с каждой стороны ферромагнитного сердечника якоря на гранях одноименными полюсами). Причем на каждой грани два постоянных магнита образуют составной полюс. Катушки в количестве четырех штук соединены последовательно или параллельно и образуют одну обмотку. Параллельное соединение катушек позволяет уменьшить электрическое сопротивление, однако, может быть предусмотрено и последовательное соединение катушек одной обмотки, в этом случае обеспечивается равенство тока во всех катушках. Постоянные магниты расположены на гранях якоря прямоугольного сечения по два на каждой грани, таким образом, что восемь постоянных магнитов находятся в зоне одной обмотки, образуя одну группу постоянных магнитов, а другие восемь постоянных магнитов находятся в зоне другой обмотки. Группы постоянных магнитов обращены к обмоткам разными полюсами. Расстояние между группами постоянных магнитов равно 200 мм и составляет ход якоря. Постоянные магниты выполнены призматической формы 100х50х10 мм. Геометрическое сечение каждой обмотки 400х20 мм², при этом каждая катушка имеет сечение 100х20мм². Количество витков каждой катушки равно 500. В соответствии с расчетами, при плотности тока в обмотках 4А/мм²максимальное электромагнитное усилие, обусловленное взаимодействием постоянных магнитов и обмоток с током составляетне менее 2 000 Н (Фиг.2). В зависимости от технического задания для привода поршневого компрессора конкретного назначения указанные параметры могут быть изменены.For the proposed design, the number of coils n = 8 (four coils connected in series or in parallel, facing the pole of the same name), the number of permanent magnets m = 16 (eight permanent magnets fixed on each side of the ferromagnetic core of the armature on the faces with the same poles). Moreover, on each face, two permanent magnets form a composite pole. Coils in the amount of four pieces are connected in series or in parallel and form one winding. A parallel connection of the coils can reduce the electrical resistance, however, a series connection of the coils of one winding can be provided, in this case, the current is equal in all coils. Permanent magnets are located on the edges of an anchor of rectangular cross section, two on each face, so that eight permanent magnets are in the area of one winding, forming one group of permanent magnets, and the other eight permanent magnets are in the area of the other winding. Groups of permanent magnets face the windings at different poles. The distance between the groups of permanent magnets is 200 mm and constitutes the course of the armature. Permanent magnets are made of a prismatic shape of 100x50x10 mm. The geometric section of each winding is 400x20 mm ² , with each coil having a section of 100x20 mm ² . The number of turns of each coil is 500. In accordance with the calculations, at a current density in the windings of 4A / mm ^{2, the} maximum electromagnetic force due to the interaction of permanent magnets and windings with a current of at least 2,000 N (Figure 2). Depending on the technical specifications for the drive of a piston compressor for a specific purpose, these parameters can be changed.

Принцип работы линейной магнитоэлектрической машины в двигательном режиме основан на взаимодействии магнитного поля создаваемого постоянными магнитами и током, протекающим по виткам обмоток. При подключении источника электропитания через устройство управления (на Фиг. не показаны) к обмоткам 4 по ним протекает электрический ток, причем каждая группа катушек, соединенных последовательно или параллельно, встречается с другой группой катушек встречно последовательно или параллельно, таким образом, каждая обмотка, состоящая из четырех последовательно или параллельно соединенных катушек при прохождении тока взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к возникновению электромагнитной силы, действующей на якорь 7. Так как постоянные магниты 8 закреплены на подвижном якоре 7, якорь 7 приходит в движение в направлении действия силы, перемещаясь до тех пор, пока постоянные магниты 8, обращенные одним полюсом к обмотке находятся в зоне ее действия. При изменении направления тока в обмотках, происходит изменение направления электромагнитной силы и, как следствие, изменение направления движения якоря 7. Движущийся якорь 7 может быть присоединен к штоку поршневого компрессора (на Фиг. не показано) и таким образом, линейная магнитоэлектрическая машина в двигательном режиме представляет собой электромеханический преобразователь, рабочим органом которого является шток поршневого компрессора, а сам цилиндр компрессора рабочей машиной.The principle of operation of a linear magnetoelectric machine in the motor mode is based on the interaction of the magnetic field generated by permanent magnets and current flowing through the turns of the windings. When a power source is connected through a control device (not shown in Fig.) To the windings 4, electric current flows through them, and each group of coils connected in series or parallel meets with another group of coils in series or parallel, so each winding consisting of four series-connected or parallel-connected coils when passing current interacts with the magnetic field of permanent magnets, which leads to the emergence of an electromagnetic force acting to the armature 7. Since the permanent magnets 8 are mounted on the movable armature 7, the armature 7 moves in the direction of the force, moving until the permanent magnets 8 facing one pole to the winding are in the zone of its action. When changing the direction of the current in the windings, there is a change in the direction of electromagnetic force and, as a result, a change in the direction of movement of the armature 7. The moving armature 7 can be attached to the piston rod of the compressor (not shown in Fig.) And thus the linear magnetoelectric machine in motor mode It is an electromechanical converter, the working body of which is the piston compressor rod, and the compressor cylinder itself is a working machine.

Линейная магнитоэлектрическая машина может находиться в генераторном режиме. В этом случае электропитание от устройства управления на обмотку линейной магнитоэлектрической машины не подается, а работу по перемещению якоря выполняет газ рабочей машины, при нагнетании газа в цилиндр компрессора, шток приходит в движение и перемещает, связанный с ним якорь линейной магнитоэлектрической машины, при этом постоянные магниты, движущиеся в области катушки, в соответствии с законом электромагнитной индукции создают в них электродвижущую силу. Электрическая энергия полученная, таким образом, может быть возвращена через устройство управления (на Фиг. не показана) в электрическую сеть или накапливаться в аккумуляторной батарее (на Фиг. не показано).The linear magnetoelectric machine may be in generator mode. In this case, power is not supplied from the control device to the winding of the linear magnetoelectric machine, and the gas of the working machine does the work of moving the armature; when gas is injected into the compressor cylinder, the rod moves and moves the associated armature of the linear magnetoelectric machine, while Magnets moving in the area of the coil, in accordance with the law of electromagnetic induction, create an electromotive force in them. The electrical energy obtained in this way can be returned through a control device (not shown in FIG.) To the electric network or accumulated in a storage battery (not shown in FIG.).

Таким образом, предложенная конструкция длинноходовой линейной магнитоэлектрической машины позволяет увеличить электромагнитное усилие, обеспечивающее высокое давление в поршневых компрессорных ступенях.Thus, the proposed design of a long-stroke linear magnetoelectric machine allows you to increase the electromagnetic force, providing high pressure in the piston compressor stages.

Claims (1)

Линейная магнитоэлектрическая машина, содержащая неподвижный статор в виде броневого сердечника, подвижный якорь и постоянные магниты якоря, отличающаяся тем, что подвижный якорь выполнен призматической формы прямоугольного сечения, на гранях которого расположены постоянные магниты, внутри неподвижного статора расположены две обмотки, причем каждая обмотка выполнена из n катушек, причем n - целое не нулевое число, а постоянные магниты выполнены в количестве m, причем m - четное целое не нулевое число, и выполнены призматической формы, причем постоянные магниты могут быть объединены в группы, образуя составной полюс, линейная магнитоэлектрическая машина может находиться как в двигательном, так и генераторном режиме работы.A linear magnetoelectric machine containing a fixed stator in the form of an armored core, a movable armature and permanent armature magnets, characterized in that the movable armature is made of a prismatic rectangular shape, on the faces of which there are permanent magnets, two windings are located inside the fixed stator, each winding made of n coils, and n is a non-zero integer, and the permanent magnets are made in the quantity m, and m is an even non-zero integer, and are made of a prismatic shape, with it permanent magnets may be arranged in groups, forming an integral pole magnetoelectric linear machine can be either in the motoring or regenerative mode.

Images