RU2494521C2

RU2494521C2 - Reversible electric machine of reciprocal motion

Info

Publication number: RU2494521C2
Application number: RU2011149025/07A
Authority: RU
Inventors: Эрнст Иванович Деникин; Юрий Дмитриевич Нетеса; Анатолий Дмитриевич Нетеса
Original assignee: Тарантин Сергей Анатольевич; Юрий Дмитриевич Нетеса
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-09-27
Also published as: RU2011149025A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: reversible electric machine of reciprocal motion comprises a stator with a coil and an anchor, in which ledges of magnetic conductor poles in initial condition are pairwise arranged oppositely to each other. In each of the specified pairs one of poles is divided into two parts by means of a permanent magnet, which partially forms a pole ledge, and a magnetisation vector of which is co-directed with anchor motion. At the same time the length of the pole ledge divided by the permanent magnet is determined in accordance with the formula: Lmd ≥ Lnm + 2Am, where: Lmd - length of the pole ledge divided by the magnet; Am - maximum amplitude of reciprocal motion of the anchor; Lnm ≥ 2Am - Lm - length of the pole ledge with no magnet; Lm - length of the permanent magnet within the pole ledge.

EFFECT: simplified design with higher reliability, improved usage of magnetic properties of a magnetic conductor and reduced weight and dimension parameters of an electric machine.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области обратимых электрических машин, преимущественно, двигателям с возвратно-поступательным движением.The invention relates to the field of reversible electric machines, mainly reciprocating motors.

Наиболее близкой по технической сущности является обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения, приведенная в [Учебное пособие «Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения», М.Я. Хитерер, И.Е. Овчинников, СПб, изд. «КОРОНА принт», 2004, рис.11, стр.20], содержащая статор с катушкой и якорь, у которых попарно выступы полюсов магнитопроводов в исходном состоянии располагаются напротив друг друга. Причем на поверхности полюсного выступа якоря закреплены два постоянных магнита, векторы намагничивания которых направлены в противоположных направлениях и перпендикулярны перемещению якоря. При этом полюсные выступы магнитопровода статора частично перекрывают оба постоянных магнита.The closest in technical essence is a reversible electric reciprocating machine, given in [Study Guide "Synchronous electric reciprocating machines", M.Ya. Hiterer, I.E. Ovchinnikov, St. Petersburg, ed. “CORONA print”, 2004, Fig. 11, p. 20], containing a stator with a coil and an armature, in which the protrusions of the poles of the magnetic cores in the initial state are opposite each other. Moreover, on the surface of the pole protrusion of the armature two permanent magnets are fixed, the magnetization vectors of which are directed in opposite directions and perpendicular to the movement of the armature. In this case, the pole projections of the stator magnetic circuit partially overlap both permanent magnets.

Приведенная обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения работает следующим образом. При протекании тока через катушку статора магнитный поток протекает через рабочий зазор и тот постоянный магнит, у которого магнитодвижущая сила совпадает с магнитодвижущей силой катушки. При этом за счет наклона магнитных силовых линий в рабочем зазоре, постоянный магнит через который идет магнитный поток втягивается в зазор между полюсными выступами, создавая электромагнитную силу, приводящую в движение якорь. При изменении направления тока в катушке статора магнитный поток протекает через второй постоянный магнит, который втягивается в зазор между полюсными выступами, создавая электромагнитную силу, приводящую в движение якорь в противоположном направлении.The above reversible electric reciprocating machine operates as follows. When current flows through the stator coil, the magnetic flux flows through the working gap and that permanent magnet, in which the magnetomotive force coincides with the magnetomotive force of the coil. In this case, due to the inclination of the magnetic field lines in the working gap, the permanent magnet through which the magnetic flux is drawn is drawn into the gap between the pole projections, creating an electromagnetic force that drives the armature. When the current direction in the stator coil changes, the magnetic flux flows through the second permanent magnet, which is drawn into the gap between the pole protrusions, creating an electromagnetic force that drives the armature in the opposite direction.

В режиме генератора за счет возвратно-поступательного перемещения якоря внешней силой постоянные магниты с разнонаправленными векторами намагниченности попеременно попадают в зазор между полюсными выступами. В результате чего в магнитопроводах статора и якоря наводится переменное магнитное поле, вызванное магнитодвижущей силой постоянных магнитов. При этом в катушке статора наводится электродвижущая сила, которая является выходным напряжением генератора.In the generator mode, due to the reciprocating movement of the armature by an external force, permanent magnets with multidirectional magnetization vectors alternately fall into the gap between the pole protrusions. As a result, an alternating magnetic field is induced in the stator and armature magnetic circuits caused by the magnetomotive force of the permanent magnets. In this case, an electromotive force is induced in the stator coil, which is the output voltage of the generator.

Недостатками приведенной электрической машины являются:The disadvantages of this electric machine are:

1. Сложность надежного закрепления постоянных магнитов на поверхности полюсных выступов якоря. Это связано с тем, что усилия на якорь передаются через постоянные магниты. При этом возникают знакопеременные силы с довольно высокими частотами и значениями сил до сотен и тысяч кг в мощных электрических машинах. С другой стороны материал постоянных магнитов является хрупким и имеет низкий предел прочности по сравнению с электротехнической сталью.1. The complexity of reliable fastening of permanent magnets on the surface of the pole ledges of the armature. This is due to the fact that the forces are transmitted to the anchor through permanent magnets. In this case, alternating forces arise with fairly high frequencies and forces up to hundreds and thousands of kg in powerful electric machines. On the other hand, the material of permanent magnets is brittle and has a low tensile strength in comparison with electrical steel.

2. В связи с тем, что оптимальной конструкцией большинства электрических машин возвратно-поступательного движения является конструкция на базе тел вращения, возникает сложность изготовления двух цилиндрических постоянных магнитов с радиальным намагничиванием, при этом еще и с противоположным их намагничиванием.2. Due to the fact that the optimal design of most electric reciprocating machines is a design based on bodies of revolution, it becomes difficult to manufacture two cylindrical permanent magnets with radial magnetization, while also with their opposite magnetization.

3. Не полное использование свойств магнитопровода электрической машины в 1,5-2 раза, что приводит к увеличению габаритов и массы машины на единицу, создаваемой ею силы. Это связано с тем, что современные постоянные магниты имеют остаточную индукцию порядка 0,9-1,2 Тл при этом в конкретной магнитной цепи имеется возможность получить индукцию не более 0,7-0,9 Тл в зазоре, а индукция насыщения магнитопроводов составляет от 1,5 до 2 Тл. Так как сила, создаваемая электрической машиной прямо-пропорциональна величине индукции в зазоре, то при пониженной индукции для получения требуемой силы необходимо увеличение площади рабочего зазора, что приводит к увеличению габаритов электрической машины и ее массы.3. Incomplete use of the properties of the magnetic circuit of an electric machine by 1.5-2 times, which leads to an increase in the dimensions and mass of the machine per unit, the force created by it. This is due to the fact that modern permanent magnets have a residual induction of the order of 0.9-1.2 T, while in a particular magnetic circuit it is possible to obtain an induction of not more than 0.7-0.9 T in the gap, and the saturation induction of the magnetic cores is from 1.5 to 2 T. Since the force created by the electric machine is directly proportional to the magnitude of the induction in the gap, with a reduced induction, to obtain the required force, it is necessary to increase the area of the working gap, which leads to an increase in the dimensions of the electric machine and its mass.

Задачей изобретения является упрощение конструкции при повышении надежности и снижение удельных массо-габаритных параметров электрической машины возвратно-поступательного движения.The objective of the invention is to simplify the design while increasing reliability and reducing specific mass and dimensional parameters of the electric machine reciprocating.

Поставленная задача решается за счет того, что обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения, содержащая статор с катушкой и якорь, у которых попарно выступы полюсов магнитопроводов в исходном состоянии располагаются напротив друг друга, при этом в каждой из упомянутых пар один из полюсов разделяют на две части посредством постоянного магнита, частично формирующего выступ, вектор намагниченности которого сонаправлен с движением якоря, а длина выступа полюса разделенного магнитом определяется по формуле:The problem is solved due to the fact that a reversible electric reciprocating machine containing a stator with a coil and an armature, in which the protrusions of the poles of the magnetic cores in the initial state are opposite each other, while in each of the mentioned pairs one of the poles is divided into two parts by means of a permanent magnet, partially forming a protrusion, the magnetization vector of which is aligned with the movement of the armature, and the length of the protrusion of the pole separated by a magnet is determined by the formula:

Lрм≥Lбм+2Ам, где:Lrm≥Lbm + 2Am, where:

Lрм - длина выступа полюса, разделенного магнитом;Lrm - the length of the protrusion of the pole, separated by a magnet;

Ам - максимальная амплитуда возвратно-поступательного движения якоря;Am - the maximum amplitude of the reciprocating movement of the armature;

Lбм≥2Ам-Lм - длина выступа полюса без магнита;Lb≥≥2Am-Lm - the length of the protrusion of the pole without a magnet;

Lм - длина постоянного магнита в пределах выступа полюса.Lm - the length of the permanent magnet within the ledge of the pole.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что в обратимой электрической машине возвратно-поступательного движения, содержащей статор с катушкой и якорь, у которых попарно выступы полюсов магнитопроводов в исходном состоянии располагаются напротив друг друга, разделение в каждой из упомянутых пар одного из полюсов магнитопровода статора или якоря на две части посредством постоянного магнита, частично формирующего выступ, вектор намагниченности которого сонаправлен с движением якоря позволяет упростить конструкцию электрической машины при повышении ее надежности за счет того, что используется только один постоянный магнит с осевой намагниченностью, закрепленный между магнитопроводами полюса. При этом электромагнитные усилия на якорь передаются через выступы полюсов магнитопроводов. Постоянный магнит с осевой намагниченностью позволяет использовать его и в других полюсах машины, переворачивая вектор его намагниченности в необходимом направлении. Установка постоянного магнита между магнитопроводами позволяет закрепить его с высокой надежностью, учитывая его слабые механические свойства. При этом на постоянный магнит значительно меньше воздействуют знакопеременные усилия, так как усилия передаются посредством магнитопроводов. Кроме того данная конструкция позволяет полностью использовать магнитные свойства магнитопровода за счет получения в зазоре между полюсными выступами магнитопроводов индукцию до 2 Тл и выше, что позволяет снизить массо-габаритные показатели электрической машины. Кроме того, для эффективной работы электрической машины во всем диапазоне необходимых амплитуд колебаний должно соблюдаться ограничение, определяемое следующим выражением:The technical essence of the invention lies in the fact that in a reversible electric reciprocating machine containing a stator with a coil and an armature, in which the protrusions of the poles of the magnetic cores in the initial state are opposite each other, separation in each of the aforementioned pairs of one of the poles of the stator magnetic circuit or anchors into two parts by means of a permanent magnet, partially forming a protrusion, the magnetization vector of which is aligned with the movement of the armature allows to simplify the design of the electric th car by increasing its reliability due to the fact that only one permanent magnet with axial magnetization fixed between the yoke pole. In this case, electromagnetic forces are transmitted to the anchor through the protrusions of the poles of the magnetic cores. A permanent magnet with axial magnetization allows it to be used in other poles of the machine, turning the vector of its magnetization in the necessary direction. Installing a permanent magnet between the magnetic cores allows you to fix it with high reliability, given its weak mechanical properties. In this case, the alternating force is significantly less affected by alternating forces, since the forces are transmitted through the magnetic cores. In addition, this design allows you to fully use the magnetic properties of the magnetic circuit due to the induction in the gap between the pole protrusions of the magnetic circuit up to 2 T or higher, which reduces the overall dimensions of the electric machine. In addition, for the efficient operation of an electric machine in the entire range of necessary oscillation amplitudes, a restriction must be observed, defined by the following expression:

Lрм≥Lбм+2Ам где: Lбм≥2Ам-Lм.Lrm≥Lbm + 2Am where: Lbm≥2Am-Lm.

При нарушении, приведенных выше выражений, эффективность работы электрической машины падает за счет резкого падения рабочей силы и появления тормозящей силы.In case of violation of the above expressions, the efficiency of the electric machine falls due to a sharp drop in labor and the appearance of braking force.

На фиг.1 приведено схематическое изображение одной пары полюсов электрической машины с постоянным магнитом, разделяющим полюс якоря.Figure 1 shows a schematic illustration of one pair of poles of an electric machine with a permanent magnet separating the pole of the armature.

На фиг.2 приведено схематическое изображение одной пары полюсов электрической машины с постоянным магнитом, разделяющим полюс статора.Figure 2 shows a schematic illustration of one pair of poles of an electric machine with a permanent magnet separating the stator pole.

На фиг.3-4 приведены схематические изображения электрической машины, поясняющие ее работу.3-4 are schematic views of an electric machine explaining its operation.

На фиг.5 приведено схематическое изображение одной пары полюсных выступов в исходном состоянии с относительным их перемещением.Figure 5 shows a schematic representation of one pair of pole projections in the initial state with their relative movement.

В качестве конструктивного примера реализации изобретения взята схема обратимой электрической машины возвратно-поступательного движения с постоянным магнитом, разделяющим полюс якоря (см. фиг.1). Машина содержит статор 1 с катушкой 2, замкнутую магнитную систему, состоящую из магнитопровода статора 3 и его полюса 4, рабочего зазора 6, а также расположенного на якоре 5 полюса 7, разделенного постоянным магнитом 8 на две части таким образом, что магнитный поток левой части полюса 7 замыкается с правым только через тело постоянного магнита 8. Причем постоянный магнит 8 частично формирует выступ полюса 7, а его вектор намагниченности сонаправлен с движением якоря. При этом якорный магнитопровод 9 закреплен на валу 10 якоря 5 электрической машины. На фиг.2 дано схематическое изображение электрической машины возвратно-поступательного движения с постоянным магнитом 8, разделяющего полюс 4 статора 1. На фиг.5 на примере электрической машины с полюсом 4 статора, разделенного постоянным магнитом 8 даны основные геометрические параметры выступов полюсов, высоты магнита и амплитуды колебаний, обеспечивающие высокую эффективность работы машины. Все указанные параметры связаны между собой формулой:As a constructive example of the invention, a circuit of a reversible electric reciprocating machine with a permanent magnet separating the armature pole is taken (see FIG. 1). The machine contains a stator 1 with a coil 2, a closed magnetic system consisting of a stator 3 magnetic circuit and its pole 4, a working gap 6, as well as a pole 7 located at anchor 5, divided by a permanent magnet 8 into two parts so that the magnetic flux of the left side pole 7 is closed to the right only through the body of the permanent magnet 8. Moreover, the permanent magnet 8 partially forms the protrusion of the pole 7, and its magnetization vector is aligned with the movement of the armature. In this case, the anchor magnetic circuit 9 is mounted on the shaft 10 of the armature 5 of the electric machine. Figure 2 shows a schematic illustration of an electric reciprocating machine with a permanent magnet 8, separating the pole 4 of the stator 1. Figure 5 on the example of an electric machine with a pole 4 of the stator, divided by a permanent magnet 8 are given the basic geometric parameters of the protrusions of the poles, the height of the magnet and oscillation amplitudes, providing high efficiency of the machine. All these parameters are related by the formula:

Lрм≥Lбм+2Ам, где:Lrm≥Lbm + 2Am, where:

Lpм - длина выступа полюса, разделенного магнитом;Lpm is the length of the protrusion of the pole, separated by a magnet;

Обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения работает следующим образом.A reversible electric reciprocating machine operates as follows.

В исходном состоянии, при отсутствии тока в катушке 2 (см. фиг.1) магнитный поток через выступы полюсов 4 и 7, и рабочий зазор 6 определяется магнитодвижущей силой постоянного магнита 8. При этом постоянный магнит 8 располагается симметрично относительно противоположного полюсного выступа 4. В случае смещения якоря 5 от точки симметрии в любую из сторон магнитные поля перераспределяются таким образом, что создается магнитная сила, которая пытается вернуть якорь 5 в исходное состояние. Этот эффект называется «магнитной» пружиной, жесткость которой в резонансном режиме работы добавляется к жесткости общей упругой системы позволяя уменьшить габариты последней. В режиме генератора за счет возвратно-поступательного перемещения якоря 5 внешней силой постоянный магнит 8 попеременно вводится в общую магнитную систему и выводится из нее. В результате чего в магнитопроводах статора 3 и якоря 9 наводится переменное магнитное поле, вызванное магнитодвижущей силой постоянного магнита 8. При этом в катушке 2 статора 1 наводится электродвижущая сила, которая является выходным напряжением генератора.In the initial state, in the absence of current in the coil 2 (see Fig. 1), the magnetic flux through the protrusions of the poles 4 and 7, and the working gap 6 is determined by the magnetomotive force of the permanent magnet 8. In this case, the permanent magnet 8 is symmetrically relative to the opposite pole protrusion 4. If the armature 5 is displaced from the point of symmetry to either side, the magnetic fields are redistributed in such a way that a magnetic force is created that tries to return the armature 5 to its original state. This effect is called a “magnetic” spring, the rigidity of which in the resonant mode of operation is added to the rigidity of the overall elastic system, allowing the latter to be reduced in size. In the generator mode, due to the reciprocating movement of the armature 5 by an external force, the permanent magnet 8 is alternately introduced into and out of the general magnetic system. As a result, an alternating magnetic field is induced in the magnetic circuits of the stator 3 and the armature 9, caused by the magnetomotive force of the permanent magnet 8. In this case, an electromotive force, which is the output voltage of the generator, is induced in the coil 2 of the stator 1.

Обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения с постоянным магнитом 8, разделяющим полюс 7 якоря 5 (фиг.1) имеет наиболее простую конструкцию и может применяться как в генераторном так и в двигательном режиме для возбуждения колебаний в качестве вибровозбудителя в виброситах, вибротранспорте, вибродробилках и т.п. Однако, в двигательном режиме в таких устройствах как вибромолоты, отбойные молотки, перфораторы и т.п., учитывая слабые механические свойства постоянных магнитов, работа на ударную нагрузку с постоянным магнитом 8, разделяющим полюс 7 якоря 5 может привести к низкой надежности его работы. Для повышения надежности работы двигателей на ударную нагрузку постоянный магнит 8 размещается на статоре 1 (см. фиг.2, 5). В исходном состоянии без тока в катушке 2 статора 1 (фиг.2) электрическая машина имеет абсолютно аналогичные свойства с описанным выше вариантом (фиг.1). При протекании тока через катушку 2 в направлении от плоскости чертежа (см. фиг.3) в магнитопроводе статора 3 и якорном магнитопроводе 9 протекает магнитный поток Ф1, который совпадает с магнитодвижущей силой постоянного магнита 8 при этом магнитный поток отклоняется в левую часть рабочего зазора 6, что создает силу F направленную вправо. При смене направления магнитодвижущей силы катушки 2 магнитный поток Ф2 отклоняется постоянным магнитом 8 вправо, что создает силу F направленную влево (см. фиг.4).A reversible electric reciprocating machine with a permanent magnet 8 separating the pole 7 of the armature 5 (Fig. 1) has the simplest design and can be used both in the generator and in the motor mode to excite vibrations as a vibration exciter in vibrating screens, vibrotransport, vibration crushers and etc. However, in the motor mode in devices such as vibratory hammers, jack hammers, perforators, etc., taking into account the weak mechanical properties of permanent magnets, impact work with a permanent magnet 8 separating the pole 7 of the armature 5 can lead to low reliability. To increase the reliability of the engines under shock load, a permanent magnet 8 is placed on the stator 1 (see figure 2, 5). In the initial state without current in the coil 2 of the stator 1 (figure 2), the electric machine has absolutely the same properties with the above option (figure 1). When current flows through the coil 2 in the direction from the drawing plane (see Fig. 3), a magnetic flux F1 flows in the stator magnetic circuit 3 and the anchor magnetic circuit 9, which coincides with the magnetomotive force of the permanent magnet 8, while the magnetic flux deviates to the left side of the working gap 6 , which creates a force F directed to the right. When changing the direction of the magnetomotive force of the coil 2, the magnetic flux F2 is deflected by the permanent magnet 8 to the right, which creates a force F directed to the left (see figure 4).

Вместе с тем, при перемещении якоря 5 с полюсом 7 в крайнее левое положение на величину - Ам, что отображено пунктирной линией (см. фиг.5) магнитный поток Ф1* пересекает зазор 6 под прямым углом к вектору перемещения якоря 5 при этом электромагнитная сила падает до нуля. Одновременно с этим постоянный магнит 8 создает магнитный поток Ф3, который создает тормозящую силу и пытается вернуть якорь 5 в исходное положение. При перемещении якоря 5 с полюсом 7 в крайнее правое положение на величину +Ам, что отображено пунктирной линией, ситуация зеркально повторяется. Эти характеристики электрической машины определяют связь линейных размеров магнита 8, в пределах выступа, разделенного полюса и выступов полюсов 4 и 7 с максимальной амплитудой движения якоря 5, которая определяется уравнением:At the same time, when the armature 5 with the pole 7 is moved to the leftmost position by an amount of Am, which is indicated by the dashed line (see Fig. 5), the magnetic flux F1 * crosses the gap 6 at right angles to the vector of movement of the armature 5, while the electromagnetic force drops to zero. At the same time, the permanent magnet 8 creates a magnetic flux Ф3, which creates a braking force and tries to return the armature 5 to its original position. When the armature 5 with the pole 7 is moved to the extreme right position by + Am, which is indicated by the dashed line, the situation is mirrored. These characteristics of the electric machine determine the relationship of the linear dimensions of the magnet 8, within the protrusion, the divided pole and the protrusions of the poles 4 and 7 with the maximum amplitude of movement of the armature 5, which is determined by the equation:

Lрм≥Lбм+2Ам, где:Lrm≥Lbm + 2Am, where:

В ООО НПП «ВРТ» г.С-Петербурга к настоящему времени разработаны рабочие чертежи и изготовлен экспериментальный образец электрической машины и его системы управления, испытания которых проводятся в настоящее время.To date, OOO NPP “VRT” in St. Petersburg has developed working drawings and made an experimental model of an electric machine and its control system, which is currently being tested.

Claims

1. A reversible electric reciprocating machine, comprising a stator with a coil and an armature, in which the protrusions of the poles of the magnetic cores in the initial state are opposite each other, characterized in that in each of the mentioned pairs one of the poles is divided into two parts by means of a permanent magnet , partially forming a protrusion, the magnetization vector of which is aligned with the movement of the armature.

2. The reversible electric machine according to claim 1, characterized in that
the length of the protrusion of the pole, separated by a magnet, is determined by the formula:
Lp≥Lbm + 2Am,
where Lpm is the length of the protrusion of the pole, separated by a magnet;
Am - the maximum amplitude of the reciprocating motion
Anchors
Lb≥≥2Am-Lm - the length of the protrusion of the pole without a magnet;
Lm - the length of the permanent magnet within the ledge of the pole.