Электродинамический молот и способ управления его работой

 

Сущность изобретения: молот содержит неподвижно закрепленную катушку-статор, соединенную с источником постоянного тока. Внутри статора расположен подвижный линейный ротор. На наружной поверхности ротора закреплена обмотка возбуждения. Рабочий зазор между статором и ротором расположен в верхней части статора. Баба жестко соединена с ротором с помощью штока. Шток расположен во втулках скольжения, установленных в статоре. В нижней части ротора установлена дополнительная обмотка, длина которой равна половине ширины рабочего зазора. Электрическое сопротивление дополнительной обмотки связано с весом движущихся частей молота предлагаемым соотношением. В статическом режиме и в режиме рабочего хода ток подают в обмотку катушки-статора. В статическом режиме в обмотку возбуждения ротора подают импульсы тока. Направление импульсов подбирают такими, чтобы ротор выталкивался из статора. При выходе обмотки возбуждения из рабочего зазора подают ток на дополнительную обмотку и отключают обмотку возбуждения. В режиме рабочего хода ток в дополнительную обмотку не подают. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к кузнечно-прессовому оборудованию, и может быть использовано в устройствах для разделительных и формообразующих операций.

Известны электрические молоты, в которых для привода движущихся масс используют бегущее электромагнитное поле линейных статоров [1] Такие приводы имеют низкий КПД вследствие известных свойств асинхронных двигателей.

Известен электромагнитный молот [2] содержащий укрепленную на станине катушку-статор, соединенную с источником постоянного тока, расположенный внутри статора линейный ротор с закрепленной на наружной поверхности обмоткой возбуждения, соединенной с источником постоянного тока. Способ управления работой указанного молота заключается в создании постоянного магнитного поля в рабочем зазоре статора путем подачи тока в обмотку катушки-статора и в создании электромагнитной силы, действующей на ротор путем подачи тока в обмотку возбуждения ротора. Причем направление и величина тока в обмотке ротора подбираются такими, чтобы ротор втягивался в статор и удерживался в верхнем положении статический режим. В режиме рабочего хода в обмотку ротора подают импульс тока от второго источника постоянного тока, не отключая при этом первый источник тока, что приводит к снижению к.п.д. молота. В статическом режиме в верхнем положении, с магнитным полем взаимодействует только та часть обмотки возбуждения, которая находится в рабочем зазоре, что приводит к снижению к.п.д. молота. В режиме рабочего хода векторы магнитной индукции от катушки-статора и обмотки возбуждения ротора направлены противоположно, что приводит к уменьшению результирующей магнитной индукции, значит и к уменьшению электромагнитной силы. Это приводит к снижению энергии удара.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение КПД молота, увеличение силы, действующей на ротор, расширение технологических возможностей молота.

Технический результат достигается тем, что в известном электромагнитном молоте, содержащем неподвижно закрепленную на станине катушку-статор, соединенную с источником постоянного тока, расположенный внутри статора с образованием рабочего зазора подвижный линейный ротор с закрепленной на его наружной поверхности обмоткой возбуждения, жестко соединенный с бабой молота, линейный ротор снабжен дополнительной обмоткой, закрепленной в его нижней части и соединенной с источником постоянного тока, рабочий зазор между статором и ротором образован в верхней части статора, баба соединена с ротором посредством штока, расположенного во втулках скольжения, установленных в статоре, обмотка возбуждения и дополнительная обмотка соединены с источником постоянного тока через электрические ключи, при этом длина дополнительной обмотки равна половине ширины рабочего зазора, а ее электрическое сопротивление связано с весом падающих частей молота соотношением: R UBL/P, где R электрическое сопротивление дополнительной обмотки, U - напряжение источника постоянного тока, B магнитная индукция в рабочем зазоре, L длина провода дополнительной обмотки, P вес падающих частей молота, причем подают ток в обмотку возбуждения ротора в статическом режиме и в обмотку катушки-статора в статическом режиме и в режиме рабочего хода, а также подают в обмотку возбуждения ротора импульсы тока в режиме рабочего хода, в статическом режиме направление тока в обмотке возбуждения подбирают таким, чтобы ротор выталкивался из статора и в момент выхода обмотки возбуждения из рабочего зазора подают ток на дополнительную обмотку, а подачу тока в обмотку возбуждения прекращают, при этом в режиме рабочего хода ток в дополнительную обмотку не подают.

Расположение рабочего зазора в верхней части статора позволяет осуществлять режим рабочего хода при втягивании ротора в статор. Последнее приводит к увеличению магнитной индукции в рабочем зазоре, т.к. магнитные индукции от катушки-статора и обмотки возбуждения ротора совпадают по направлению, в результате чего увеличивается электромагнитная сила, действующая на ротор, поскольку эта сила прямо пропорциональная величине магнитной индукции.

Для соединения бабы и ротора, находящихся по разные стороны статора, предусмотрены толкатели, перемещающиеся во втулках скольжения, установленные в статоре. Толкатели исключают поворот ротора относительно его продольной оси.

В нижней части ротора установлена дополнительная обмотка, длина которой равна половине ширины рабочего зазора. Такое соотношение позволяет гарантированно использовать все витки этой обмотки для создания электромагнитной силы в рабочем зазоре. Причем величина электромагнитной силы F должна быть равна весу P движущихся частей молота: F=P (1) Электромагнитная сила определяется по известной формуле: F BIL, (2) где B магнитная индукция в рабочем зазоре, I величина тока в дополнительной обмотке, L длина провода дополнительной обмотки.

Известно: I U/R, (3) где U напряжение источника постоянного тока, подаваемого на катушку статора, R электрическое сопротивление дополнительной обмотки.

Подставляя выражение (3) в формулу (2) и учитывая равенство (1) получим соотношение для определения электрического сопротивления дополнительной обмотки: R BUL/P (4)
При сопротивлении дополнительной обмотки, определяемой по выражению (4) и ее длине, равной половине ширины рабочего зазора, к ротору подводится электрической энергии не более, чем необходимо для удержания ротора в верхнем положении. За счет этого увеличивается к.п.д. молота.

Подача импульсов тока на обмотку возбуждения в режиме рабочего хода через электронные ключи позволяет регулировать амплитуду электромагнитной силы и быстродействие молота в широком диапазоне, в результате расширяются технологические возможности молота. Молот может работать в следующих режимах: ударном, одиночном, ударном циклическом, ударно-прессовом (удар с дожимом), прессовом, вибрационно-прессовом.

В режиме рабочего хода электронный ключ отключает дополнительную обмотку ротора. В статическом режиме ток подают на обмотку возбуждения и после выхода из рабочего зазора ее отключают от источника постоянного тока и подают ток на дополнительную обмотку с помощью электронных ключей.

Отключение обмотки возбуждения после ее выхода из рабочего зазора и отключение дополнительной обмотки в режиме рабочего хода позволяет повысить к. п.д. молота.

На фигуре 1 изображен электродинамический молот, изготовленный и испытанный авторами. Молот развивает усилие до 4000 Н (≈400 кгс) при массе привода 43 кг. обеспечивает в циклическом режиме до 600 ударов в минуту с энергией удара около 200 Дж при средней потребляемой мощности 4,2 кВт. На фигуре 2 показана структура системы управления молотом. На фигурах 3 5 изображено изменение токов в обмотках молота в зависимости от режима работы молота в координатах ток время.

Электродинамический молот (фиг. 1) содержит катушку-статор 1, закрепленную на станине 2. Катушка-статор 1 соединена с источником постоянного тока 3 (фиг. 2). Внутри статора 1, в его верхней части, расположен подвижный линейный ротор 4 с образованием рабочего зазора 5. На наружной поверхности ротора закреплена обмотка возбуждения 6. Ротор жестко соединен с бабой 7. Линейный ротор 4 снабжен дополнительной обмоткой 8, закрепленной в его нижней части. Баба 7 соединена с ротором 4 посредством штока 9, расположенного во втулках скольжения 10. Обмотка возбуждения 6 и дополнительная обмотка 8 соединены с источником постоянного тока 3 (фиг. 2) через электрические ключи 11 и 12 (фиг. 2). Длина 1 дополнительной обмотки 8 равна половине ширины t рабочего зазора 5. Электрическое сопротивление дополнительной обмотки определялось по выражению:
R UBL/P (4)
где U напряжение источника постоянного тока, B магнитная индукция в рабочем зазоре, L длина провода дополнительной обмотки, P вес движущихся частей молота. Для конкретной конструкции молота эти величины равны: U 300 В, B 0,82 Тл, L 350 м, P 6 кгс, после подстановки в формулу (4) получаем R 12000 Ом.

Катушка статора 1 (фиг. 2) напрямую соединена с источником постоянного тока 3.

Для управления работой молота имеется блок импульсного управления 13 и пульт оператора 14.

На фигуре 1 изображены две направляющие 15, амортизатор 16 и инструмент 17.

Молот развивает относительно небольшое усилие, поэтому в конструкции использован один шток 9 и для исключения проворачивания ротора 4 относительно продольной оси установлены две направляющие 15. Амортизатор 16 предназначен для смягчения ударов ротора 4 о статор 1 при аварийных ситуациях.

Электродинамический молот работает следующим образом. В статическом режиме и в режиме рабочего хода в обмотку катушки-статора 1 подают ток от источника постоянного тока 3. В рабочем зазоре 5 статора 1 создается постоянное магнитное поле. В режиме рабочего хода в обмотку возбуждения 6 через один из электронных ключей 11 подают импульс тока от источника 3. В статическом режиме направление тока в обмотке возбуждения 6 подбирают таким, чтобы ротор 4 выталкивался из статора 1 и при выходе обмотки возбуждения 6 из рабочего зазора 5 подают ток на дополнительную обмотку 8, при этом прекращают подачу тока в обмотку возбуждения 6, в режиме рабочего хода ток в дополнительную обмотку 8 не подают. Для изменения направления тока в обмотке возбуждения 6 используют электронные ключи 11. Подачу тока в дополнительную обмотку 8 прекращают с помощью электронного ключа 12.

Управление электронными ключами 11, 12 осуществляется методом высокочастотного широтно-импульсного регулирования от блока импульсного управления 13. Режим работы молота определяет оператор с пульта 14. Независимо от режима работы молота на обмотку катушки-статора подают постоянный ток и I_ст. (фиг. 3 5).

На фигуре 3 показано изменение токов при одиночном ударном режиме. Исходное положение ротора крайнее нижнее. Через один из электронных ключей 11 подается импульсный ток I_о.в. в обмотку возбуждения. Среднее значение этого тока I_о.в.. Под действием электромагнитной силы, возникающей в роторе за счет тока в обмотке возбуждения и магнитного поля статора ротора поднимается вверх. При выходе обмотки возбуждения из рабочего зазора подают ток в дополнительную обмотку I_д.о., а обмотку возбуждения отключают I_д.о. 0. При подаче команд на рабочий ход с пульта оператора сигнал поступает на блок импульсного управления 13. Электронный ключ 11 изменяет направление тока в обмотке возбуждения I_о.в.. Ротор с ускорением начинает движение вниз, происходит удар. Причем длительность удара τ_уд. можно регулировать с пульта управления.

На фигуре 4 показано изменение токов при циклическом режиме. Отличие от предыдущего режима является отсутствие периода, когда подают ток на дополнительную обмотку, т. е. I_д.о. 0. На обмотку возбуждения ротора подают ток I_о.в. для выталкивания его из рабочего зазора и после подъема ротора в крайнее верхнее положение подают ток I_о.в.. Время подачи тока I_д.о. и время подачи тока I_о.в. составляют период цикла T.

На фигуре 5 показано изменение токов в обмотках при прессовом режиме. В исходном состоянии ротор в верхнем положении, ток в обмотке возбуждения I_о.в. 0, на дополнительную обмотку подан ток I_д.о.. Оператор с пульта управления подает команду на рабочий ход, после чего дополнительная обмотка отключается I_д.о. 0. При этом подаются импульсы тока на обмотку возбуждения величиной I_о.в., среднее значение этого тока I_о.в.. Для увеличения усилия инструмента, действующего на деталь, оператор увеличивает длительность импульса тока, подаваемого на обмотку возбуждения I_о.в., что приводит к росту среднего значения тока I_о.в.. Для возврата ротора в исходное состояние на обмотку возбуждения подают импульсы тока противоположного направления I_о.в..

Вибрационно-прессовый режим отличается от прессового тем, что прессование осуществляется пульсирующей силой, причем частоту пульсаций можно регулировать в диапазоне от 2 до 200 Гц.

Формула изобретения

1. Электродинамический молот, содержащий неподвижно закрепленную на станине катушку-статор, соединенную с источником постоянного тока, расположенный внутри статора с образованием рабочего зазора подвижный линейный ротор с закрепленной на его наружной поверхности обмоткой возбуждения, жестко соединенный с бабой молота, отличающийся тем, что линейный ротор снабжен дополнительной обмоткой, закрепленной в его нижней части и соединенной с источником постоянного тока, рабочий зазор между статором и ротором образован в верхней части статора, баба соединена с ротором посредством штока, расположенного во втулках скольжения, установленных в статоре, обмотка возбуждения и дополнительная обмотка соединены с источником постоянного тока через электрические ключи, при этом длина дополнительной обмотки равна половине ширины рабочего зазора, а ее электрическое сопротивление связано с весом падающих частей молота соотношением R=UBL/P,
где R электрическое сопротивление дополнительной обмотки;
U напряжение источника постоянного тока;
B магнитная индукция в рабочем зазоре;
L длина провода дополнительной обмотки;
P вес падающих частей молота.

2. Способ управления работой электродинамического молота, включающий подачу тока в обмотку возбуждения ротора в статическом режиме и в обмотку катушки-статора в статическом режиме и в режиме рабочего хода, а также подачу в обмотку возбуждения ротора импульсов тока в режиме рабочего хода, отличающийся тем, что в статическом режиме направление тока в обмотке возбуждения подбирают таким, чтобы ротор выталкивался из статора, и в момент выхода обмотки возбуждения из рабочего зазора подают ток на дополнительную обмотку, а подачу тока в обмотку возбуждения прекращают, при этом в режиме рабочего хода ток в дополнительную обмотку не подают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5