RU2146412C1

RU2146412C1 - Electromagnetic resonance vibrator drive

Info

Publication number: RU2146412C1
Application number: RU98100524A
Authority: RU
Inventors: В.В. Ивашин; В.А. Медведев; Д.В. Пчелкин
Original assignee: Ивашин Виктор Васильевич; Медведев Валерий Александрович; Пчелкин Дмитрий Владимирович
Priority date: 1998-01-05
Filing date: 1998-01-05
Publication date: 2000-03-10

Abstract

FIELD: miscellaneous vibration machines. SUBSTANCE: vibrator has H-shaped magnetic core with two armatures separated from the latter by gaps δ₁, δ₂. Field windings are connected to two adjacent arms of single-phase bridge circuit. Connected to two other arms are switching control devices. Connected across diagonally opposite pair of terminals between common points of switching devices and field windings is ac voltage supply. Connected in series with reactor across other pair of diagonally opposite terminals of bridge circuit is DC voltage supply. Alternate turn-on of switching devices ensures connection of ac circuits to coils carrying DC magnetizing current. EFFECT: improved power developed by vibrator, reduced vibration phase drift due to variation of vibrator inherent resonance frequency. 5 dwg

Description

Изобретение относится к электромагнитным вибраторам, используемым в различных областях, например, для создания вибрации, для транспортировки по трубам сыпучих веществ, при создании вибровоздействий на сыпучие вещества с целью их уплотнения и просеивания, для интенсификации технологических процессов в жидких средах и т.д. The invention relates to electromagnetic vibrators used in various fields, for example, to create vibration, to transport bulk substances through pipes, to create vibration effects on bulk substances in order to compact and sift them, to intensify technological processes in liquid media, etc.

Известен электромагнитный привод резонансного вибратора [1], содержащий индуктор электромагнита с обмоткой возбуждения, подвижный относительно полюсов индуктора ферромагнитный якорь и источник питания обмотки возбуждения током с частотой, близкой к резонансной механической частоте колебаний вибратора, определяемой эквивалентной массой колеблющихся инерционных частей и жесткостью пружины. Недостатком этого привода является формирование им однополярных импульсов тока, что приводит к увеличению массогабаритных показателей электромагнитного двигателя возвратно-поступательного движения, нагружению пружин вибратора постоянной составляющей силы и снижению их долговечности. Кроме этого, привод формирует силовые импульсы с низкой скоростью изменения силы на фронтах, что приводит к большому изменению фазы создаваемых вибратором механических колебаний при изменении его собственной резонансной частоты и снижает технические характеристики устройств с использованием нескольких одновременно работающих на общую нагрузку вибраторов. A known electromagnetic drive of a resonant vibrator [1], comprising an electromagnet inductor with an excitation winding, a ferromagnetic armature movable relative to the poles of the inductor, and a power supply of the excitation winding with a current with a frequency close to the resonant mechanical oscillation frequency of the vibrator, determined by the equivalent mass of the oscillating inertial parts and the spring stiffness. The disadvantage of this drive is the formation of unipolar current pulses, which leads to an increase in the overall dimensions of the electromagnetic motor of the reciprocating motion, loading of the vibrator springs with a constant force component and a decrease in their durability. In addition, the drive generates power pulses with a low rate of change of force at the fronts, which leads to a large change in the phase of the mechanical vibrations created by the vibrator when its natural resonant frequency changes and reduces the technical characteristics of the devices using several vibrators working simultaneously on the total load.

Наиболее близким техническим решением является электромагнитный привод [2] , содержащий двухзазорный электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения с подмагничиваемым магнитопроводом, питание обмоток возбуждения которого осуществляется от источников напряжения постоянного и переменного тока. Такой привод генерирует периодические импульсы силы, близкой к синусоидальной форме, с частотой колебаний вибратора. Недостатком привода является низкая удельная мощность двигателя, что приводит к увеличению веса и габаритов вибратора. Кроме того, генерирование приводом импульсов силы с низкой скоростью изменения на фронтах импульсов приводит к значительному изменению фазы колебаний при изменении собственной частоты колебаний вибратора, что снижает технические характеристики виброустройств различного назначения с использованием нескольких вибраторов, работающих на общую нагрузку
Сущность изобретения заключается в том, что две обмотки возбуждения электромагнитного двигателя вибратора включаются в два смежных плеча однофазной мостовой схемы, в два других плеча которой включены управляемые коммутирующие приборы, например тиристоры или транзисторы. В диагональ мостовой схемы между общей точкой соединения обмоток и общей точкой соединения коммутирующих приборов включен источник переменного напряжения, а во вторую диагональ включен источник постоянного напряжения с последовательно с ним соединенным дросселем.The closest technical solution is an electromagnetic drive [2], containing a two-gap electromagnetic reciprocating motor with a magnetized magnetic circuit, the excitation windings of which are supplied from DC and AC voltage sources. Such a drive generates periodic pulses of a force close to a sinusoidal shape with a vibrator frequency. The disadvantage of the drive is the low specific power of the engine, which leads to an increase in the weight and dimensions of the vibrator. In addition, the generation by the drive of pulses of force with a low rate of change at the fronts of the pulses leads to a significant change in the phase of the oscillations when the natural vibration frequency of the vibrator changes, which reduces the technical characteristics of vibration devices for various purposes using several vibrators operating on a common load
The essence of the invention lies in the fact that the two excitation windings of the electromagnetic motor of the vibrator are included in two adjacent arms of a single-phase bridge circuit, the other two arms of which include controlled switching devices, for example thyristors or transistors. An alternating voltage source is included in the diagonal of the bridge circuit between a common connection point of the windings and a common connection point of switching devices, and a constant voltage source with a choke connected in series with it is included in the second diagonal.

В частных случаях, при необходимости снижения потребляемой из питающей сети электрической импульсной мощности, а также при необходимости обеспечения работы вибратора с частотой, не совпадающей с частотой промышленной сети, источник переменного напряжения может быть заменен конденсатором. In special cases, if it is necessary to reduce the electrical impulse power consumed from the supply network, as well as if it is necessary to ensure the vibrator operates at a frequency that does not coincide with the frequency of the industrial network, the alternating voltage source can be replaced by a capacitor.

При таком выполнении электропривода существенно возрастают скорости изменения генерируемой двигателем знакопеременной силы на переднем и заднем фронтах в каждый полупериод, что обеспечивает повышение действующего значения силы, а следовательно, увеличение удельной мощности двигателя и снижение изменения фазы механических колебаний вибратора при изменении его резонансной частоты. Последнее повышает КПД преобразования потребляемой приводом электрической мощности, механическую мощность вибратора и расширяет его технические возможности. With this embodiment of the electric drive, the rate of change of the alternating force generated by the engine at the leading and trailing edges in each half-cycle increases significantly, which ensures an increase in the effective value of the force, and therefore, an increase in the specific power of the engine and a decrease in the phase change of the mechanical vibrations of the vibrator when its resonant frequency changes. The latter increases the conversion efficiency of the electric power consumed by the drive, the mechanical power of the vibrator and expands its technical capabilities.

Включение в диагональ мостовой схемы привода конденсатора позволяет использовать накаливаемую в конденсаторе энергию для создания магнитного поля и за счет этого снизить импульсные нагрузки на питающую сеть. Кроме этого, применение конденсатора позволяет использовать предлагаемый привод для возбуждения вибратора на не совпадающей с промышленной и не кратной ей частоте механических колебаний, что дополнительно расширяет технические возможности электромагнитных вибраторов. The inclusion of a capacitor drive in the diagonal of the bridge circuit allows using the energy incandescent in the capacitor to create a magnetic field and thereby reduce the pulse loads on the supply network. In addition, the use of a capacitor allows you to use the proposed drive to excite the vibrator at a frequency of mechanical vibrations that does not coincide with the industrial and not multiple to it, which further extends the technical capabilities of electromagnetic vibrators.

На фиг. 1 приведена схема электромагнитного привода с применением Н-образного магнитопровода двигателя. На фиг.2 приведены циклограммы токов в обмотках возбуждения, создаваемых в зазорах двигателя магнитных потоков и развиваемых им усилий. На фиг.3 приведен электромагнитный привод с использованием Ш-образной конструктивной схемы его магнитной цепи с двумя ферромагнитными якорями. На фиг.4 приведен электромагнитный привод с использованием Ш-образной конструктивной схемы его магнитной цепи и одним ферромагнитным якорем. На фиг.3 приведена схема привода с применением конденсатора в диагонали мостовой схемы. In FIG. 1 shows a diagram of an electromagnetic drive using an H-shaped magnetic circuit of the engine. Figure 2 shows the cyclograms of currents in the field windings created in the gaps of the motor of magnetic fluxes and the forces developed by it. Figure 3 shows the electromagnetic drive using the W-shaped structural circuit of its magnetic circuit with two ferromagnetic anchors. Figure 4 shows the electromagnetic drive using a W-shaped structural circuit of its magnetic circuit and one ferromagnetic armature. Figure 3 shows the drive circuit using a capacitor in the diagonal of the bridge circuit.

Магнитопровод 1 индуктора приводного двигателя (фиг. 1) отделен от ферромагнитных якорей 2 и 3 зазорами δ₁ и δ₂. Якоря жестко соединены между собой элементами 4. Обмотки 5 и 6 размещены на индукторе и в точках а, б, в включены в два смежных плеча однофазной мостовой схемы, в два других плеча которой включены коммутирующие приборы 7 и 8. В диагональ между общими точками соединения коммутирующих приборов и обмоток включен источник 9 переменного напряжения U(t). Во вторую диагональ включены последовательно соединенные дроссель 10 и источник 11 постоянного напряжения U₀.The magnetic circuit 1 of the inductor of the drive motor (Fig. 1) is separated from the ferromagnetic anchors 2 and 3 by the gaps δ ₁ and δ ₂ . The anchors are rigidly interconnected by elements 4. The windings 5 and 6 are placed on the inductor and at points a, b, c are included in two adjacent arms of a single-phase bridge circuit, in the other two arms of which are included switching devices 7 and 8. In the diagonal between the common connection points switching devices and windings included source 9 of an alternating voltage U (t). The second diagonal includes a series-connected inductor 10 and a source of constant voltage U ₀ .

На фиг.2: 12, 13 - напряжение и ток источника переменного напряжения; 14 - магнитный поток, создаваемый обмоткой 5; 15 - сила, создаваемая магнитным потоком в зазоре δ₁; 16 - магнитный поток, создаваемый обмоткой 6; 17 - сила, создаваемая магнитным потоком в зазоре δ₂; 18 - сила куполообразной формы, создаваемая вибратором; 19 - синусоидальная форма силы; 20 - колоколообразная форма силы.In Fig.2: 12, 13 - voltage and current of the AC voltage source; 14 - magnetic flux generated by the winding 5; 15 is the force created by the magnetic flux in the gap δ ₁ ; 16 - magnetic flux generated by the winding 6; 17 - the force created by the magnetic flux in the gap δ ₂ ; 18 is a dome-shaped force created by a vibrator; 19 - sinusoidal form of force; 20 - bell-shaped form of force.

Обозначения на фиг.3: 21 - Ш-образный магнитопровод индуктора двигателя; 22, 23 - ферромагнитные якоря; 24 - конструктивный элемент для жесткой связи якорей между собой; 25, 26 - обмотки возбуждения. Designations in figure 3: 21 - W-shaped magnetic circuit of the motor inductor; 22, 23 - ferromagnetic anchors; 24 - structural element for a rigid connection of the anchors with each other; 25, 26 - field windings.

На фиг. 4: 27, 28 - магнитопроводы индуктора Ш-образной формы; 29 - ферромагнитный якорь двигателя; 30 - конструктивный элемент для жесткой связи индукторов между собой; 31, 32 - обмотки возбуждения. In FIG. 4: 27, 28 - magnetic cores of an inductor of a Sh-shaped form; 29 - ferromagnetic engine armature; 30 - structural element for a rigid connection of inductors with each other; 31, 32 - field windings.

Обозначения на фиг.5: 33, 34 - обмотки возбуждения двигателя; 35 - источник переменного напряжения в виде конденсатора; 36, 37 - коммутирующие приборы; 38 - дроссель; 39 - источник постоянного напряжения; 40, 41 - дроссель и диод. Designations in figure 5: 33, 34 - excitation windings of the engine; 35 - source of alternating voltage in the form of a capacitor; 36, 37 - switching devices; 38 - throttle; 39 - a constant voltage source; 40, 41 - inductor and diode.

Совокупность примененных элементов и связи элементов между собой представляют систему электромагнитного привода резонансного вибратора, обеспечивают повышение развиваемой вибратором мощности и уменьшение ухода фазы создаваемых колебаний при изменении собственной резонансной частоты работы вибратора, что обуславливает соответствие предлагаемого технического решения критерию "новизна". The set of applied elements and the coupling of the elements together represent a system of an electromagnetic drive of a resonant vibrator, provide an increase in the power developed by the vibrator and a decrease in the phase drift of the generated oscillations when the natural resonant frequency of the vibrator changes, which determines the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

В научно-технической и патентной литературе авторами не обнаружено технических решений со сходными отличительными признаками, что позволяет сделать вывод об обладании предлагаемого решения существенными отличиями. In the scientific, technical and patent literature, the authors did not find technical solutions with similar distinctive features, which allows us to conclude that the proposed solution possesses significant differences.

Работает электромагнитный привод следующим образом. От источника 11 (фиг. 1) по цепи из последовательно включенных дросселя 10, обмоток возбуждения 5 и 6 протекает ток I₀, создающий в двигателе магнитный поток Ф₀. Между полюсами индуктора и якоря 2 и 3 возникают одинаковые по величине и противоположно направленные силы P₁ и P₂. В момент

(фиг.2) изменения переменного напряжения источника 9 от схемы управления (на фиг. 1 не показана) открывается коммутирующий прибор 7 и в течение угла

изменения напряжения 12 через прибор 7 проходит синусоидальный импульс тока 13, величина которого зависит от индуктивностей обмоток 5 и 6 двигателя и индуктивности дросселя 10.The electromagnetic drive operates as follows. From the source 11 (Fig. 1), a current I ₀ flows through the circuit from a series-connected inductor 10, field windings 5 and 6, creating a magnetic flux Ф ₀ in the engine. Between the poles of the inductor and the armature 2 and 3 there are identical in magnitude and oppositely directed forces P ₁ and P ₂ . In the moment

(Fig. 2) changes in the alternating voltage of the source 9 from the control circuit (not shown in Fig. 1), the switching device 7 opens and during the angle

changes in voltage 12 through the device 7 passes a sinusoidal current pulse 13, the value of which depends on the inductances of the windings 5 and 6 of the motor and the inductance of the inductor 10.

Часть этого тока проходит по обмотке 5 встречно току I₀ в ней. Результирующая величина магнитного потока 14 обмотки 5 на интервале

снижается, а на интервале

увеличивается до первоначального значения к моменту

Усилие P₁ (кривая 15) изменяется пропорционально квадрату потока 14 до значения существенно меньшего, чем усилие при токе I₀ в обмотке 5.Part of this current passes through the winding 5 counter current I ₀ in it. The resulting magnitude of the magnetic flux 14 of the winding 5 in the interval

decreases and in the interval

increases to its original value by the time

The force P ₁ (curve 15) changes proportionally to the square of the flux 14 to a value significantly less than the force at a current I ₀ in the winding 5.

Вторая часть тока источника напряжения 9, ограничиваемая индуктивностью дросселя 10, проходит по обмотке 6 согласно с током I₀. Результирующее значение магнитного потока 16 обмотки 6 на интервале

возрастает, а на интервале

уменьшается. Соответственно изменению потока 16 изменяется и усилие P₂ (кривая 17) в зазоре δ₂.The second part of the current of the voltage source 9, limited by the inductance of the inductor 10, passes through the winding 6 in accordance with the current I ₀ . The resulting value of the magnetic flux 16 of the winding 6 on the interval

increases and on the interval

decreases. Accordingly, the change in flow 16 also changes the force P ₂ (curve 17) in the gap δ ₂ .

К моменту, соответствующему углу

, ток в приборе 7 под действием отрицательного знака напряжения источника 9 уменьшается до нуля и прибор 7 закрывается. В окрестности угла

открывается от схемы управления прибор 8, и, ввиду симметричности схемы, процессы повторяются в течение углов

с тем отличием, что магнитный поток обмотки 5 увеличивается, а обмотки 6 уменьшается. Затем коммутирующий прибор 8 при уменьшении тока в нем до нуля выключается. При последующем открытии прибора 7 начинается очередной период формирования сил P₁ и P₂. Создаваемая двигателем сила 18 является результирующей сил P₁ и P₂ (фиг.2 г) и имеет форму периодически повторяющейся знакопеременной силы с повышенными скоростями изменения переднего и заднего фронтов каждого импульса. Для сравнения на фиг.2 г приведено изменение силы 19 по синусоидальному закону, формируемому прототипом и колоколообразной формы 20, формируемому аналогом.By the moment corresponding to the corner

, the current in the device 7 under the influence of the negative sign of the voltage of the source 9 decreases to zero and the device 7 closes. In the vicinity of the corner

device 8 opens from the control circuit, and, due to the symmetry of the circuit, the processes are repeated throughout the corners

with the difference that the magnetic flux of the winding 5 is increased, and the winding 6 is reduced. Then, the switching device 8 is turned off when the current in it decreases to zero. With the subsequent opening of the device 7 begins the next period of formation of forces P ₁ and P ₂ . The force 18 created by the engine is the result of the forces P ₁ and P ₂ (Fig. 2 g) and has the form of a periodically repeating alternating force with increased rates of change of the leading and trailing edges of each pulse. For comparison, figure 2 g shows the change in force 19 according to a sinusoidal law formed by the prototype and bell-shaped form 20 formed by the analogue.

Принцип работы электропривода на фиг.3 и 4 с применением двигателя с Ш-образной конструктивной схемой магнитной системы в принципе не отличается от работы электропривода с Н-образной конструктивной схемой. Отличия относятся только к особенностям конструктивного выполнения магнитной системы двигателей. В решении на фиг.3 применено два жестко соединенных между собой якоря, расположенных с внешней стороны магнитопровода индуктора с открытыми пазами, в которые помещены обмотки возбуждения. The principle of operation of the electric drive in FIGS. 3 and 4 with the use of an engine with a W-shaped structural diagram of the magnetic system does not, in principle, differ from the operation of the electric drive with an H-shaped structural circuit. The differences relate only to the design features of the magnetic system of engines. In the solution of FIG. 3, two anchors are rigidly interconnected, located on the outside of the inductor magnetic circuit with open slots, in which the field windings are placed.

В решении на фиг. 4 индуктор выполнен из двух жестко соединенных между собой частей, между которыми помещен один ферромагнитный якорь, на который при создании постоянного потока Ф₀ и переменных потоков Ф_~1 и Ф_~2 со стороны магнитных полюсов индуктора действуют силы P₁ и P₂, результирующая которых определяет силу, обеспечивающую работу резонансного вибратора. Могут быть и другие конструктивные решения магнитной системы двигателя привода, удовлетворяющие условиям работы привода и обеспечивающие создание знакопеременных усилий с определенной частотой повторения при необходимых перемещениях якоря относительно индуктора.In the solution of FIG. 4, the inductor is made of two parts rigidly interconnected, between which one ferromagnetic armature is placed, on which the forces P ₁ and P ₂ act on the side of the magnetic poles of the inductor when creating a constant flux Ф ₀ and variable flux Ф _{~ 1} and Ф _~ ₂ , resulting which determines the force that ensures the operation of the resonant vibrator. There may be other constructive solutions of the magnetic system of the drive motor, satisfying the operating conditions of the drive and ensuring the creation of alternating forces with a certain repetition rate with the necessary movements of the armature relative to the inductor.

Принцип работы электропривода с применением конденсатора 35 в диагонали однофазной схемы (фиг. 5) существенно не отличается от работы привода по фиг. 1. The principle of operation of the electric drive using a capacitor 35 in the diagonal of a single-phase circuit (Fig. 5) does not significantly differ from the operation of the drive in Fig. 1.

Литература
1. Хвингия М. В. Динамика и прочность вибрационных машин с электромагнитным возбуждением. - М.: Машиностроение, 1980 - с. 71.Literature
1. Khvingia MV. Dynamics and strength of vibrating machines with electromagnetic excitation. - M.: Mechanical Engineering, 1980 - p. 71.

2. Гончаревич И.Ф., Фролов К.В. Теория вибрационной техники и технологии. - М.: Наука, 1981 - с. 229. 2. Goncharevich I.F., Frolov K.V. Theory of vibration technique and technology. - M .: Nauka, 1981 - p. 229.

Claims

An electromagnetic drive of a resonant vibrator containing the magnetic circuits of the inductor with field windings, a constant voltage source, a choke and an alternating voltage source, characterized in that the field windings are included in two adjacent arms of the bridge circuit, in the other two arms are switching devices, in the diagonal between common connection points windings and switching devices included an alternating voltage source, and in the opposite - a series-connected inductor and a constant voltage source, and the circuit board switching devices provides the time π / 2 changes the AC voltage source open one switching device and by half - of its closing and opening the other switching device.