способ управления однообмоточным линейным электромагнитным двигателем ударного действия

Формула изобретения

Способ управления однообмоточным линейным электромагнитным двигателем, включающий подачу импульса напряжения на обмотку двигателя в период холостого хода якоря и отключение его по завершении рабочего хода с периодом не более суммарного времени холостого и рабочего хода, отличающийся тем, что импульс напряжения подают в момент времени, соответствующий такому воздушному рабочему зазору _вкл, чтобы смена знака скорости якоря на противоположный происходила в точке с координатой положения якоря, равной начальному воздушному рабочему зазору _н, причем _вкл< _н.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах ударного действия с линейным электромагнитным двигателем, в котором рабочий ход якоря осуществляется за счет единственной системы обмоток, а его возврат под действием механического усилия, например, под действием усилия возвратной пружины.

Известен способ управления однообмоточным линейным электромагнитным двигателем, состоящий в том, что напряжение на обмотку подается в период рабочего хода при оптимальном начальном воздушном зазоре и неподвижном якоре, а по завершении рабочего хода якоря источник питания отключают (см., например, П.С. Туровский, А.В.Фролов // Расчет, конструирование и создание электромагнитных генераторов силовых импульсов. - Фрунзе: Илим. 1984. - 128 с., стр. 40).

Недостатком известного способа управления является низкая удельная энергия удара и КПД линейного электромагнитного двигателя.

Известен также способ управления однообмоточным двигателем колебательного движения, заключающийся в том, что периодически изменяют полярность питающего напряжения, при этом в каждом полупериоде изменения питающего напряжения прерывают питание обмотки двигателя (авт.св. N 1601729 Способ управления однообмоточным двигателем колебательного движения. Опубл. в Б.И., 1990, N 39).

Однако недостатком данного способа управления является также низкая удельная энергия удара.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению аналогом является способ управления линейным электромагнитным двигателем однообмоточного типа с удержанием якоря, заключающейся в том, что обмотку электромагнитного двигателя подключают к источнику питания, а якорь неподвижно удерживают, причем движение якорь под действием этой обмотки получает, когда величина тока трогания достигнет установленного значения, а электромагнитное усилие превысит усилие удержания якоря. По завершении рабочего хода источник питания отключают, а якорь при обесточенной обмотке совершает холостой ход (Н. П. Ряшенцев, Г.Г. Угаров, А.В. Львицын. Электромагнитные прессы. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. - 215 с., стр. 99, 169).

Однако данный способ управления в свою очередь ведет к увеличению линейных размеров, массы и усложнению конструкции за счет использования вспомогательных устройств для удержания якоря на этапе трогания в период рабочего и холостого хода, что также снижает удельную энергию удара. К основным недостаткам данного способа также следует отнести повышенный шум в работе, вызванный механическим взаимодействием якоря и удерживающего устройства, его низкую надежность, регулирование в узком диапазоне энергии удара.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в увеличении удельной энергии удара при повышении КПД двигателя.

Поставленная задача решается тем, что на обмотку двигателя подают импульс напряжения, причем, первый импульс напряжения подают в период рабочего хода якоря, а второй и последующие импульсы напряжения в период холостого хода с периодом не более суммарного времени рабочего и холостого хода.

Таким образом, сущность изобретения заключается в том, что при возврате якоря под действием механического усилия (например, усилия возвратной пружины), до момента времени, когда якорь займет начальное положение, на обмотку подают напряжение, под действием которого в цепи обмотки начинает протекать ток, величина которого к моменту времени начала рабочего хода якоря следующего цикла успевает достичь предельного значения, чем обеспечивается увеличение удельной энергии удара без увеличения веса двигателя, повышение КПД и надежности.

При этом для увеличения начального тока трогания якоря двигателя не требуется специальных устройств удержания, увеличивающих массу и снижающих удельные показатели.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В момент включения первый импульс напряжения подают на обмотку двигателя в период рабочего хода якоря, а затем отключают его. Второй импульс напряжения подают в период холостого хода якоря с периодом не более суммарного времени рабочего и холостого хода. Последующие импульсы также подают в период холостого хода якоря с периодом не более суммарного времени рабочего и холостого хода.

На фиг. 1 изображена функциональная схема управления, на фиг. 2 графики тока обмотки и перемещения якоря.

Реализация управления по предлагаемому способу может быть наиболее просто осуществлена по функциональной схеме фиг. 1, включающей следующие функциональные узлы: 1 - источник питания постоянного или переменного тока; 2 - блок формирования управляющих импульсов рабочего хода с устройством их управления; 3 - линейный электромагнитный двигатель, содержащий обмотку 4, якорь 5 и возвратную пружину 6.

Работа функциональных узлов 2 и 3 синхронизирована по времени, т.е. время подачи напряжения на обмотку двигателя согласовано с движением якоря. Предлагаемая функциональная схема не исключает использования дополнительных узлов, например датчиков, для управления обмоткой по положению якоря.

Кривые 7 и 8 на фиг.2 - зависимости перемещения якоря и тока обмотки от времени при движении якоря с начальной нулевой скоростью; кривые 9 и 10 - зависимости перемещения якоря и тока обмотки от времени при движении якоря с начальной отрицательной скоростью.

Пример конкретного осуществления способа.

В начальный момент времени при отключенном источнике питания 1 якорь 5 двигателя 3 под действием усилия возвратной пружины 6 занимает крайнее верхнее положение, которое соответствует начальному воздушному рабочему зазору в магнитной цепи двигателя _н и неподвижен (фиг.1). При включении источника питания 1 на блок формирования управляющих импульсов 2 поступает напряжение. В обмотке 4 под действием приложенного напряжения появляется ток, обуславливающий возникновение в рабочем зазоре _н электромагнитной силы F_ЭМ. Одновременно с электромагнитной силой на якорь 5 действуют противоположно направленные силы трения и упругости пружины 6, благодаря чему в механической системе двигателя 3 сохраняется равновесие и якорь 5 остается неподвижным на время t_mp1 (кривая 7). С нарастанием тока в обмотке 4 до значения i_mp1 (кривая 8) якорь 5 под действием электромагнитной силы начинает движение, преодолевая противодействие сил трения и упругости пружины. После втягивания якоря 5 в обмотку 4 за время t_дв1 она обесточивается и якорь под действием упругих сил сжатой пружины начинает холостой ход в направлении, противоположном F_ЭМ. При возврате якоря в момент времени, соответствующий воздушному рабочему зазору _вкл (кривая 9), который может отличаться от начального _вкл/_н на обмотку, с блока формирования управляющих импульсов 2 поступает напряжение, вызывающее протекание тока по обмотке и возникновение в рабочем воздушном зазоре _вкл электромагнитного усилия F_ЭМ. Якорь 5, обладая некоторым запасом кинетической энергии, приобретенной под действием пружины, продолжает движение в направлении, противоположном усилию F_ЭМ, которое к этому моменту времени еще недостаточно велико для преодоления противодействующей силы за счет инерционности нарастания тока в обмотке двигателя. Движение якоря с отрицательной скоростью, увеличивающее рабочий воздушный зазор на интервале t_mp2 обуславливает более интенсивное, чем в первом цикле, нарастание тока i_mp (кривая 10) за счет снижения индуктивности электромагнитной системы, а также за счет некоторого повышения питающего напряжения обмотки, наводимого движущимся против разворачивающегося магнитного поля ферромагнитным якорем ЭДС движения. При этом механическая энергия, запасенная пружиной во время рабочего хода якоря в предыдущем цикле, преобразуется частично в магнитную и передается в электрическую систему для использования в последующем цикле энергопреобразования. Через интервал времени t_mp2 якорь под действием электромагнитной силы меняет свое направление движения на противоположное и ускоренно втягивается в обмотку за время t_дв2, после чего протекание тока по обмотке прекращается. Якорь под действием упругих сил сжатой пружины совершает холостой ход. Далее цикл повторяется, а работа двигателя осуществляется в автоколебательном режиме.

Работа двигателя, при которой смена знака скорости якоря на противоположный совпадает с координатой положения якоря в точке _н, будет характеризоваться максимальной энергией удара. Регулируя момент подачи напряжения на обмотку двигателя, при возврате якоря, в пределах воздушного зазора 0 < _вкл/_н можно регулировать энергию удара двигателя в широких пределах с высоким КПД.

Сопоставление первого и последующих рабочих циклов (фиг. 2) показывает, что первый рабочий цикл характеризуется меньшим интервалом времени трогания t_mp1 < t_mp2 и током трогания i_mp1 < i_mp2, большим интервалом времени движения якоря t_дв1 > t_дв2. Увеличение времени трогания t_mp2 позволяет повысить ток трогания i_mp2 и среднее значение тока обмотки, тем самым снизить время движения якоря за счет его ускоренного перемещения под действием большей электромагнитной силы. Это позволяет повысить предударную скорость якоря, увеличить ударную энергию и КПД в сравнении с известными устройствами при одинаковых массогабаритных показателях, а следовательно, и удельную энергию удара.