Способ управления электромагнитным приводом вибрационного движения колебательной механической системы и электромагнитный вибропривод для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности, например в виброкомпрессорах и насосных установках, вибропитателях, вибросмесителях, вибростолах, виброударных системах, стендах для вибрационных испытаний, виброраспылительных устройствах, виброприборах бытовой техники и т.д. Для достижения технического результата - расширение области применения при повышении безопасности проведения работ, - в способе управления электромагнитным приводом вибрационного движения в качестве источника питания постоянного тока используют блок питания постоянного тока в виде источника питания постоянного тока ограниченной мощности и накопителя энергии, перед подключением силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют накопление энергии посредством накопителя энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, а повторное подключение силовой обмотки электромагнита к блоку питания после перемещения рабочего органа в обратном направлении осуществляют при уровне энергии, накопленной в накопителе энергии, обеспечивающей перемещение рабочего органа. Длительность импульса тока может быть ограничена уровнем снижения мгновенного значения тока относительно максимального значения на 2-50%. Длительность паузы между импульсами тока может быть ограничена минимальным временем, необходимым для размагничивания электромагнита и накопления энергии в накопителе энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа. Предложенный электромагнитный вибропривод позволяет реализовать заявленный способ. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электровибрационной техники, электромашиностроения и приборостроения, а именно к способам и устройствам управления электромагнитными двигателями, рабочий орган которых совершает вибрационное движение, в частности к способам и электромагнитным виброприводам возбуждения колебаний рабочего органа с переменной технологической нагрузкой, питаемого от источника постоянного тока ограниченной мощности, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например в виброкомпрессорных и насосных установках, вибропитателях, вибросмесителях, вибростолах, виброударных системах, стендах для вибрационных испытаний, виброраспылительных устройствах, виброприборах бытовой техники и т.д.

Среди способов реализации вибрационного движения наиболее перспективным (в сравнении с кинематическим или динамическим) с точки зрения надежности и управляемости, соответственно, является силовое возбуждение колебаний при помощи электромагнитного вибропривода.

Однако в настоящее время проблема управления электромагнитными двигателями, рабочий орган которых совершает вибрационное движение, встала достаточно остро. Связано это с тем, что существующие способы и электромагнитные виброприводы возбуждения колебаний рабочего органа электромагнитного двигателя, использующие для управления рабочим органом стандартное сетевое питание переменного тока, ограниченно применимы и не могут быть использованы в местах, где отсутствует стандартное сетевое питание (на дачах, в полевых условиях и т. п.).

Существующие же способы и электромагнитные виброприводы возбуждения колебаний рабочего органа электромагнитного двигателя, использующие для управления рабочим органом источник постоянного тока, также являются ограниченно применимыми и не могут использоваться в местах, где отсутствует стандартное сетевое питание или источник постоянного тока "бесконечной" мощности, то есть такой мощности, которая априорно превышает прикладываемую технологическую нагрузку на электромагнитный двигатель на всех этапах его эксплуатации, в том числе при переменной технологической нагрузке.

Известен способ управления электромагнитным приводом вибрационного движения колебательной механической системы, включающий обеспечение режима разгона якоря, закрепленного на подвижной части колебательной механической системы, до заданного максимального значения амплитуды колебаний за счет формирования закрепленным на неподвижной части колебательной механической системы статором импульсов силы, отталкивающих якорь от статора, повторения режима разгона при падении амплитуды колебаний до заданного минимального значения, причем направление действия импульсов силы при режиме разгона совпадает с направлением движения якоря, при этом вибрационное движение осуществляют в режимах разгона, торможения, квазиразгона и квазиторможения, комбинируя или чередуя эти режимы, причем падение амплитуды колебаний якоря до заданного минимального значения обеспечивают в тормозном режиме работы за счет формирования импульсов силы с направлением движения, противоположным направлению движения якоря, или в квазитормозном режиме за счет формирования импульсов силы, направление действия которых в большую часть времени действия противоположно, а в меньшую совпадает с направлением движения якоря, и в режиме квазиразгона формируют импульсы силы, направление действия которых в меньшую часть времени противоположно, а в большую совпадает с направлением движения якоря, переключаясь на режимы торможения или квазиторможения при достижении максимального значения амплитуды колебания якоря (М. Кл. B 06 B 1/04, патент РФ N2091183, 1997 г.).

Известен также вибропривод, содержащий источник питания постоянного тока, электромагнитный вибратор с силовой обмоткой и якорем и устройство управления, снабженное запираемым тиристором, датчиком скорости, связанным с якорем вибратора, динистором и транзисторным усилителем с трансформаторным выходом, причем выход датчика скорости подсоединен к входу транзисторного усилителя через динистор, выход транзисторного усилителя подсоединен к управляющему электроду запираемого тиристора, а запираемый тиристор включен последовательно с силовой обмоткой вибратора (М. Кл. H 02 P 7/62, H 02 K 33/02, авт. свид. СССР N 1084936, 1984 г.).

Однако использование известных технических решений является ограниченным ввиду необходимости наличия источника постоянного тока "бесконечной" мощности, то есть такой мощности, которая априорно превышает прикладываемую на электромагнитный вибродвигатель технологическую нагрузку на всех этапах его эксплуатации, или сети централизованного электроснабжения, и не может использоваться в случае наличия источника питания постоянного тока ограниченной мощности, соизмеримой или меньшей мощности, чем мощность, необходимая для обеспечения работы электромагнитного вибродвигателя, при этом опасность проведения работ с источником постоянного тока "бесконечной" мощности (значительно превышающей мощность, потребляемую электромагнитным вибродвигателем) является достаточно высокой.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение его области применения при повышении безопасности проведения работ.

Для достижения нового технического результата в способе управления электромагнитным виброприводом посредством установки рабочего органа на упругом механизме с возможностью перемещения рабочего органа под действием импульса силы электромагнита, заключающемся в том, что подключают силовую обмотку электромагнита к источнику питания постоянного тока посредством пускового блока для перемещения рабочего органа под действием импульса силы электромагнита при одновременном деформировании упругого механизма, отключают силовую обмотку электромагнита от источника питания посредством пускового блока при достижении деформации упругого механизма максимального или определенного заданного значения, необходимого для перемещения рабочего органа в обратном направлении под действием силы упругости сдеформированного упругого механизма, и повторно подключают силовую обмотку электромагнита к источнику питания, в качестве источника питания постоянного тока используют блок питания постоянного тока в виде источника питания постоянного тока ограниченной мощности и накопителя энергии, перед подключением силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют накопление энергии посредством накопителя энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, а повторное подключение силовой обмотки электромагнита к блоку питания после перемещения рабочего органа в обратном направлении осуществляют при уровне энергии, накопленной в накопителе энергии, обеспечивающей перемещение рабочего органа.

Длительность импульса тока, вызывающего возникновение импульса силы электромагнита, может быть ограничена уровнем снижения мгновенного значения тока относительно максимального значения на 2-50%.

Длительность паузы между импульсами тока, вызывающими возникновение импульса силы электромагнита, может быть ограничена минимальным временем, необходимым для размагничивания электромагнита и накопления энергии в накопителе энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, при этом разгон рабочего органа при подключении силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют в период времени, в течение которого направление перемещения рабочего органа совпадает с направлением действия импульса силы электромагнита.

Для достижения нового технического результата также в электромагнитном виброприводе, содержащем электромагнитный вибратор с рабочим органом, упруго закрепленным с возможностью перемещения под действием импульсов силы электромагнита, силовая обмотка которого соединена с коммутирующим элементом, пусковым блоком в виде генератора импульсов, и источник питания постоянного тока, последний выполнен в виде блока питания постоянного тока, содержащего последовательно соединенные источник питания постоянного тока ограниченной мощности и накопитель энергии, при этом накопитель энергии соединен с коммутирующим элементом, а генератор импульсов выполнен с возможностью обеспечения ограничения длительности паузы между импульсами тока, вызывающими возникновение импульса силы электромагнита, минимальным временем, необходимым для размагничивания электромагнита и накопления энергии в накопителе энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, при этом разгон рабочего органа при подключении силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют в период времени, в течение которого направление перемещения рабочего органа совпадает с направлением действия импульса силы электромагнита.

В блок питания постоянного тока может быть дополнительно введен преобразователь напряжения, при этом источник питания постоянного тока ограниченной мощности соединен с накопителем энергии через преобразователь напряжения.

Генератор импульсов может быть выполнен управляемым, а пусковой блок - в виде блока управления, и в него дополнительно может быть введена цепь обратной связи по напряжению накопителя энергии, выполненная в виде измерительного преобразователя напряжения, компаратора и источника опорного напряжения, причем вход измерительного преобразователя напряжения подключен к положительному выводу от накопителя энергии, выход - к первому входу компаратора, выход которого подключен ко входу генератора импульсов, а выход источника опорного напряжения подключен ко второму входу компаратора.

Накопитель энергии может быть выполнен в виде емкостного накопителя энергии.

В блок управления может быть дополнительно введен соединенный с силовой обмоткой электромагнита датчик тока с измерительным преобразователем тока на выходе, при этом измерительный преобразователь тока подключен ко второму входу генератора импульсов.

В блок управления дополнительно могут быть введены последовательно подключенные между выходом измерительного преобразователя тока и вторым входом генератора импульсов устройство выборки и хранения и второй компаратор, а также повторитель, подключенный выходом ко второму входу второго компаратора и входом к входу устройства выборки и хранения.

Коммутирующий элемент может быть выполнен в виде двух силовых ключей и двух диодов, образующих мост, одна диагональ которого подключена к накопителю энергии, а вторая диагональ - к силовой обмотке электромагнита, при этом выход первого силового ключа подключен к аноду первого диода, а катод второго диода подключен ко входу второго силового ключа.

Силовые ключи могут быть выполнены в виде электронных ключей.

Электронные ключи могут быть выполнены в виде полевых транзисторов, при этом первый транзистор подключен истоком к аноду первого диода, катод второго диода подключен к стоку второго транзистора, сток первого транзистора и анод второго диода подключены к положительному выводу накопителя энергии, а катод первого диода и исток второго транзистора - к отрицательному выводу накопителя энергии.

В блок управления дополнительно могут быть введены два усилителя сигнала для управления силовыми ключами, каждый из которых подключен выходом к цепи управления соответствующего ключа, а общим входом - к выходу генератора импульсов.

В блок управления дополнительно может быть введен вибродатчик, подвижная часть которого связана с рабочим органом, а выход подключен к генератору импульсов.

На фиг. 1-4 представлены варианты принципиальных схем предлагаемого электромагнитного вибропривода.

Электромагнитный вибропривод содержит электромагнитный вибратор 1 с силовой обмоткой 2 электромагнита, блок питания 3 постоянного тока, содержащий последовательно соединенные источник питания постоянного тока ограниченной мощности 4 и накопитель энергии 5, при этом последний соединен с коммутирующим элементом 7, рабочий орган 8, упруго закрепленный с возможностью перемещения под действием импульсов силы электромагнита, силовая обмотка 2 которого соединена с коммутирующим элементом 7, пусковым блоком 9 в виде генератора импульсов 10, причем последний выполнен с возможностью обеспечения ограничения длительности паузы между импульсами тока, вызывающими возникновение импульса силы электромагнита, минимальным временем, необходимым для размагничивания электромагнита и накопления энергии в накопителе энергии 5 до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа 8, при этом разгон рабочего органа 8 при подключении силовой обмотки 2 электромагнита к блоку питания 3 осуществляют в период времени, в течение которого направление перемещения рабочего органа 8 совпадает с направлением действия импульса силы электромагнита (фиг. 1).

В качестве накопителя энергии 5 может быть использован, например, емкостной накопитель энергии в виде конденсатора. При этом параметры накопителя выбирают из условия обеспечения запаса в нем энергии, необходимой для проведения заданного числа рабочих циклов рабочим органом 8. Запасаемая в накопителе 5 энергия может быть рассчитана из выражения: W=CU²/2, где W - энергия, запасенная в емкостном накопителе энергии; С - емкость конденсатора накопителя энергии; U - напряжение, подаваемое на конденсатор.

В качестве источника питания постоянного тока ограниченной мощности 4 может быть использован источник питания соизмеримой или меньшей мощности, чем номинальная мощность электромагнитного вибродвигателя, - например, солнечная батарея, автомобильный аккумулятор и т. п. напряжением 12 В, 24 В, 36 В и т.д.

Естественно, в качестве источника питания постоянного тока 4 может также использоваться и источник питания постоянного тока "бесконечной" мощности, априорно превышающей прикладываемую на электромагнитный вибродвигатель технологическую нагрузку на всех этапах его эксплуатации, если только такой источник имеется в наличии.

Пусковой блок 9 предназначен для преобразования и подачи на коммутирующий элемент 7 (в соответствии с задаваемыми опытным путем параметрами) команды от генератора импульсов 10 (фиг. 1) на прохождение импульса тока через силовую обмотку 2 электромагнитного вибратора 1 с целью запуска рабочего органа 8, также для формирования длительности пауз между импульсами тока и, как следствие, рабочего цикла рабочего органа 8.

Силовая обмотка 2 электромагнита предназначена для формирования импульса силы, обеспечивающей перемещение рабочего органа 8, при подаче на нее электропитания и может быть выполнена в виде нескольких силовых обмоток (витков).

В электромагнитном виброприводе блок питания 3 постоянного тока может содержать преобразователь напряжения 11, при этом источник питания постоянного тока ограниченной мощности 4 соединен с накопителем энергии 5 через преобразователь напряжения 11, генератор импульсов 10 может быть выполнен управляемым генератором импульсов 12, а пусковой блок 9 - в виде блока управления 6, содержащего цепь обратной связи по напряжению накопителя энергии 5 в виде измерительного преобразователя напряжения 13, компаратора 14 и источника опорного напряжения 15, причем вход измерительного преобразователя напряжения 13 подключен к положительному выводу 16 накопителя энергии 5, выход - к первому входу 17 компаратора 14, выход которого подключен ко входу 18 генератора импульсов 12, а выход источника опорного напряжения 15 подключен ко второму входу 19 компаратора 14. Коммутирующий элемент 7 может быть выполнен в виде двух силовых ключей 20, 21 и двух диодов 22, 23, образующих мост, одна диагональ которого подключена к накопителю энергии 5, а вторая диагональ - к силовой обмотке 2 электромагнита, при этом выход первого силового ключа 20 подключен к аноду первого диода 22, а катод второго диода 23 подключен ко входу второго силового ключа 21, причем в блок управления 6 могут быть дополнительно введены два усилителя сигнала 24, 25 для управления силовыми ключами 20, 21, каждый из которых подключен выходом к цепи управления соответствующего ключа 20, 21, а общим входом - к выходу генератора импульсов 12 (фиг. 2).

Блок питания 3 предназначен для обеспечения преобразования (в случае наличия (фиг. 2) в нем преобразователя напряжения 11) и подачи или только для подачи (при отсутствии (фиг. 1) в нем преобразователя напряжения 11) на рабочий орган 8 необходимой для прикладываемой к нему в каждый данный момент времени технологической нагрузки по выходным электрическим характеристикам мощности от источника питания постоянного тока ограниченной мощности 4. При этом преобразователь напряжения 11 предназначен для согласования параметров напряжения на выходе источника питания постоянного тока ограниченной мощности 4 с величиной рабочего напряжения, необходимого для функционирования рабочего органа 8, и подаваемого на накопитель энергии 5.

В качестве преобразователя напряжения 11 может использоваться, например, однотактный или двухтактный преобразователь постоянного напряжения вольтодобавочного типа.

Блок управления 6 предназначен для осуществления регулирования работы рабочего органа 8 в соответствии с прикладываемой к нему технологической нагрузкой (обеспечивающей проведение заданного числа рабочих циклов рабочим органом 8) посредством подачи в соответствии с сигналом от блока питания 3 через цепь обратной связи на коммутирующей элемент 7 команды от управляемого генератора импульсов 12 (фиг. 2) на прохождение импульса тока через силовую обмотку 2 электромагнитного вибратора 1 с целью запуска рабочего органа 8, а также для отслеживания длительности рабочего цикла последнего.

Генератор импульсов 10, 12 (фиг. 1, 2) предназначен для формирования временных параметров импульсов управления, подаваемых на коммутирующий элемент 7.

В качестве генератора импульсов 10, 12 может быть использован, например генератор в микросхемном исполнении на триггере Шмитта К561ТЛ1С с соответствующими времязадающими цепями.

Измерительный преобразователь напряжения 13 предназначен для согласования уровней напряжения накопителя и входных цепей компаратора 14.

В качестве измерительного преобразователя напряжения 13 может быть использован, например резистивный делитель напряжения из стандартных элементов.

Компаратор 14 предназначен для сравнения сигнала, пропорционального напряжению накопителя энергии 5 с напряжением источника опорного напряжения 15, и выдачи сигнала "запуска" на генератор импульсов 12 при достижении заданного уровня напряжения накопителя энергии 5.

В качестве компаратора 14 может быть использован, например, один из компараторов микросхемы К1401СД1.

Источник опорного напряжения 15 предназначен для задания уровня опорного напряжения, при котором срабатывает компаратор 14, запуская генератор импульсов 12.

В качестве источника опорного напряжения 15 может быть использован, например, стабилитрон, подключенный через резистор к источнику питания постоянного тока ограниченной мощности 4.

Коммутирующий элемент 7 предназначен для обеспечения запуска и прерывания функционирования рабочего органа в соответствии с командами от генератора импульсов 12 на прохождение импульса тока через силовую обмотку 2 электромагнитного вибратора 1.

В качестве коммутирующего элемента 7 может быть использована, например мостовая схема из двух ключей (контактных или бесконтактных) и двух рекуперационных диодов.

Силовые ключи 20, 21 предназначены для пропускания прямого тока от накопителя энергии 5 через силовую обмотку 2 электромагнитного вибратора 1 для осуществления рабочего цикла рабочего органа 8.

В качестве силовых ключей 20, 21 могут быть использованы, например, электронные ключи на полевых или биполярных транзисторах, тиристорах и т. д.

Диоды 22, 23 предназначены для рекуперации запасенной за время прохождения импульса тока в цепи силовой обмотки 2 электромагнитного вибратора 1 энергии обратно в накопитель энергии 5 за время паузы между первыми периодами рабочих циклов рабочего органа 8.

В качестве рекуперационных диодов 22, 23 могут быть использованы, например, любые кремниевые полупроводниковые диоды соответствующей мощности.

Усилители сигнала 24, 25 для управления силовыми ключами 20, 21 предназначены для согласования параметров выходных цепей генератора импульсов 12 и цепей управления силовых ключей 20, 21.

В качестве усилителей сигнала 24, 25 для управления силовыми ключами 20, 21 могут быть использованы, например, драйверы управления полевыми транзисторами типа IR 2101, IR 2110 и др.

В электромагнитном виброприводе блок управления 6 может содержать соединенный с силовой обмоткой 2 электромагнита датчик тока 26 с измерительным преобразователем тока 27 на выходе или вибродатчик 28, подвижная часть которого связана с рабочим органом 8, при этом измерительный преобразователь тока 27 и вибродатчик 28 подключены ко второму входу 29 генератора импульсов 12 (фиг. 3).

Вибродатчик 28 предназначен для контроля амплитуды колебаний рабочего органа 8.

В качестве вибродатчика 28 может быть использован, например, датчик электромагнитного тока в виде сердечника с силовой обмоткой.

Датчик тока 26 предназначен для измерения мгновенного значения импульсов тока силовой обмотки 2 электромагнитного вибратора 1 и передачи сигнала, пропорционального измеряемому току, на измерительный преобразователь тока 27.

В качестве датчика тока 26 может быть использован, например, стандартный резистивный шунт.

Измерительный преобразователь тока 27 предназначен для получения на своем выходе сигнала, пропорционального величине измеренного мгновенного значения импульсов тока силовой обмотки 2 электромагнитного вибратора 1 и согласованного по уровню с цепями управления генератора импульсов 12.

В электромагнитном виброприводе блок управления 6 может содержать последовательно подключенные между выходом измерительного преобразователя тока 27 и вторым входом 29 генератора импульсов 12 устройство выборки и хранения 30 и через первый вход 31 второй компаратор 32, а также повторитель 33, подключенный выходом ко второму входу 34 второго компаратора 32 и входом - к входу устройства выборки и хранения 30, при этом силовые ключи 20, 21 могут быть выполнены в виде электронных ключей - полевых транзисторов 35, 36, при этом первый транзистор 35 подключен истоком к аноду первого диода 22, катод второго диода 23 подключен к стоку второго транзистора 36, сток первого транзистора 35 и анод второго диода 23 подключены к положительному выводу 16 от накопителя энергии 5, а катод первого диода 22 и исток второго транзистора 36 - к отрицательному выводу 37 накопителя энергии 5 (фиг. 4).

Устройство выборки и хранения 30 предназначено для слежения за уровнем мгновенных значений импульсов тока в силовой обмотке 2 электромагнитного вибратора 1, запоминания (хранения) максимального значения импульса тока после начала снижения его величины в течение всего времени действия импульса.

В качестве устройства выборки и хранения 30 может быть использован, например, любой детектор максимума сигнала (пиковый детектор) с цепями запуска и сброса, выполненный на операционном усилителе, ключах управления и запоминающем конденсаторе.

Второй компаратор 32 предназначен для определения момента подачи сигнала запрета на генератор импульсов 12 при снижении мгновенного значения тока на кривой импульса тока относительно максимального значения его амплитуды на заданную величину (на 2-50%) и соответствующую концу участка "ab" (фиг. 5).

В качестве полевых транзисторов 35, 36 могут быть использованы, например транзисторы типа IRF 640.

Способ управления электромагнитным приводом вибрационного движения колебательной механической системы реализуют следующим образом.

В соответствии с техническим решением на фиг. 1 запускают электромагнитный вибропривод посредством подключения силовой обмотки 2 электромагнита к блоку питания постоянного тока 3, для чего осуществляют подключение накопителя энергии 5 к источнику постоянного тока ограниченной мощности 4. При этом источник питания постоянного тока ограниченной мощности 4 заряжает накопитель энергии 5 до заданного уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа 8, соответствующих, например, количеству рабочих циклов рабочего органа 8, необходимых для заполнения 8 л ведра из колодца с глубины в 20 м в течение заданного времени на дачном участке. Уровень зарядки накопителя энергии 5 может задаваться опытным путем в соответствии, например, с количеством рабочих циклов рабочего органа 8 и технологической нагрузкой.

Затем подключают силовую обмотку 2 электромагнита посредством пускового блока 9 для перемещения рабочего органа 8 под действием импульса силы электромагнита, возникающего при подаче на его силовую обмотку 2 электропитания, при одновременном деформировании упругого механизма 38 рабочего органа 8. При этом коммутирующий элемент 7 (по команде от генератора импульсов 10 на подачу электропитания (импульса тока) на силовую обмотку 2 электромагнита с целью перемещения рабочего органа 8) открывается и импульс тока от накопителя энергии 5 подается на силовую обмотку 2 электромагнита. Через силовую обмотку 2 начинает протекать ток и под действием возникающего при этом импульса силы электромагнита 2 происходит перемещение рабочего органа 8 до достижения деформации упругого механизма 38 максимального или определенного заданного значения в первом периоде его рабочего цикла.

В качестве электропитания, подаваемого на силовую обмотку 2 электромагнита, могут использовать импульс тока, вызывающего возникновение импульса силы электромагнита, с длительностью, ограниченной уровнем снижения мгновенного значения тока на кривой импульса тока относительно максимального (его амплитудного) значения на 2-50% (кривая "ab", фиг 5). При этом заданную величину, соответствующую концу участка "ab", выбирают из условия, обеспечивающего оптимальный КПД режима работы рабочего органа 8 при наибольшей средней величине тяговых усилий (нагрузки) и минимальных потерях.

После чего отключают подачу электропитания на силовые обмотки 2 электромагнита от блока питания 3 посредством пускового блока 9 (генератора импульсов 10) при достижении деформации упругого механизма 38 своего максимального или определенного заданного значения, необходимого для перемещения рабочего органа 8 в обратном направлении под действием силы упругости сдеформированного упругого механизма. При этом происходит перемещение рабочего органа 8 в обратном направлении во втором периоде его рабочего цикла под действием силы упругости сдеформированного упругого механизма 38.

Затем повторно подключают силовую обмотку 2 электромагнита к блоку питания 3 после перемещения рабочего органа 8 в обратном направлении при уровне энергии, накопленной в накопителе энергии 5, обеспечивающей перемещение рабочего органа 8.

Формирование длительности пауз между импульсами тока, вызывающими возникновение импульса силы электромагнита, - окончанием предыдущего и началом последующего импульсов тока, осуществляют посредством генератора импульсов 10. Параметры генератора импульсов 10 в соответствии с техническим решением на фиг. 1 на режим подключения силовых обмоток 2 электромагнита и на длительность пауз рабочих циклов рабочего органа 8 также может задаваться опытным путем в соответствии, например, с количеством рабочих циклов рабочего органа 8 и технологической нагрузкой, а также оптимальной нагрузкой, обеспечиваемой параметрами электромагнита, например, длительностью импульса тока.

Повторение рабочих циклов рабочего органа 8 осуществляют до завершения работы с прикладываемой к нему технологической нагрузкой, например при заполнении ведра (бочки) из колодца на дачном участке.

В соответствии с техническим решением на фиг. 2 в электромагнитном виброприводе блок питания 3 постоянного тока может содержать преобразователь напряжения 11, генератор импульсов 10 могут выполнить управляемым генератором импульсов 12, пусковой блок 9 - в виде блока управления 6 с обратной связью, а коммутирующий элемент 7 - в виде двух силовых ключей 20, 21 и двух рекуперационных диодов 22, 23, образующих мост. Причем перемещением рабочего органа 8 в первом периоде его рабочего цикла под действием импульса силы силовой обмотки 2 электромагнита управляют посредством блока управления 6 с обратной связью.

При этом источник питания постоянного тока ограниченной мощности 4 заряжает накопитель энергии 5 до заданного уровня посредством преобразователя напряжения 11, обеспечивающего согласование малой амплитуды напряжения на выходе из источника питания постоянного тока ограниченной мощности 4 с уровнем амплитуды рабочего напряжения, необходимого для функционирования рабочего органа 8, и подаваемого на накопитель энергии 5.

При достижении напряжения на конденсаторе накопителя энергии 5 заданного источником опорного напряжения 15 и параметрами цепи обратной связи по напряжению накопителя энергии 5 уровня, срабатывает компаратор 14, запуская управляемый генератор импульсов 12, на выходе которого формируется сигнал на открывание силовых ключей 20, 21 коммутирующего элемента 7 с помощью соответствующих драйверов управления ключами 24, 25. При этом электропитание подается на силовую обмотку 2 электромагнитного вибратора 1, через которую начинает протекать ток.

После чего рабочий орган 8 продолжает функционировать описанным выше образом.

В соответствии с техническим решением на фиг. 3 в электромагнитном виброприводе блок управления 6 может содержать датчик тока 26 с измерительным преобразователем тока 27 на выходе или вибродатчик 28.

При этом, в случае наличия в блоке управления 6 датчика тока 26, при подаче постоянного напряжения на силовую обмотку 2 электромагнитного вибратора 1, протекающий по ней ток измеряется датчиком 26 и сигнал от последнего передается через измерительный преобразователь тока 27 на генератор импульсов 12, регулируя, тем самым, работу рабочего органа 8. При этом длительность импульсов, включая осуществление разгона рабочего органа 8 при подключении силовой обмотки 2 электромагнита к блоку питания 3 в период времени, в течение которого направление перемещения рабочего органа 8 совпадает с направлением действия импульса силы электромагнита, может быть ограничена минимальным временем, необходимым для размагничивания электромагнита и накопления энергии в накопителе энергии 5 до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа 8, и ограничивается либо внутренними цепями генератора импульсов 12 (например, опытным путем), либо внешней обратной связью по току.

После чего рабочий орган 8 продолжает функционировать описанным выше образом.

В случае наличия в блоке управления 6 вместо датчика тока 26 вибродатчика 27, последний фиксирует амплитуду колебаний рабочего органа 8 и передает сигнал на генератор импульсов 12, регулируя, тем самым, работу рабочего органа 8.

После чего рабочий орган 8 продолжает функционировать описанным выше образом.

В соответствии с техническим решением на фиг. 4 в электромагнитном виброприводе блок управления 6 может содержать цепь обратной связи по току, предназначенной для прерывания генератора импульсов 12 с помощью датчика тока 26, а силовые ключи 20, 21 могут быть выполнены в виде электронных ключей.

При этом форма и мгновенное значение импульса тока в силовой обмотке 2 электромагнитного вибратора 1 контролируется цепью обратной связи по току. Для электромагнитного вибратора 1 характерна "колоколообразная" форма импульса тока через силовую обмотку 2, определяемая изменяющимися электромагнитными параметрами силовой обмотки 2 при изменении величины зазора ее магнитной цепи при механическом перемещении рабочего органа 8. Вначале зазор максимален и ток в силовой обмотке 2 увеличивается с максимальной скоростью. По мере уменьшения зазора увеличивается индуктивность силовой обмотки 2 электромагнита, снижается скорость возрастания тока. Наконец, наступает момент начала снижения тока силовой обмотки 2, что связано с механическим торможением рабочего органа 8 электромагнитного вибратора 1 и соответствующим увеличением индуктивности силовой обмотки 2.

При некотором значении тока, ниже максимального, соответствующего окончанию рабочего хода рабочего органа 8, цепь обратной связи по току выдает соответствующий сигнал на второй вход 29 прерывания генератора импульсов 12, отключая цепь питания силовой обмотки 2 коммутирующим элементом 7.

Запасенная электромагнитная энергия силовой обмотки 2 рекуперируется через диоды 22, 23 в цепь емкостного накопителя энергии 5.

Цепь обратной связи по току работает следующим образом. На выходе измерительного преобразователя тока 27 формируется сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока силовой обмотки 2. Повторитель 33 транслирует данный сигнал на второй вход 34 второго компаратора 32.

На первый вход 31 второго компаратора 32 подается сигнал с выхода устройства выборки хранения 30, в котором при каждом цикле работы рабочего органа 8 запоминается до конца действия импульса текущее максимальное мгновенное значение тока силовой обмотки 2. После начала снижения тока, на выходе устройства выборки хранения 30 хранится значение сигнала, пропорционального максимальному значению тока силовой обмотки 2 за время действия импульса, а на выходе повторителя 33 - сигнал, пропорциональный текущему, уменьшающемуся значению тока. Во втором компараторе 32 идет сравнение этих двух сигналов. При достижении разности в уровнях сигналов заданного значения, компаратор 32 срабатывает и прерывает работу генератора импульсов 12.

То есть, посредством второго компаратора 32 определяют момент подачи сигнала запрета на генератор импульсов 12 при снижении мгновенного значения тока на кривой импульса тока относительно максимального значения его амплитуды на заданную величину (на 2-50%) и соответствующую концу участка кривой "ab" (фиг 5). После прерывания импульса тока внутренний конденсатор (на схеме не показан) устройства выборки хранения 30 разряжается для обеспечения своего нормального функционирования в следующем цикле.

Если на выходе первого компаратора 14 после окончания действия импульса имеется сигнал запуска генератора импульсов 12, то через некоторое время, примерно равное времени рабочего цикла рабочего органа 8, задаваемое внутренними обратными связями генератора импульсов 12 и необходимое для рекуперации энергии силовой обмотки 2, а также возвращения рабочего органа 8 в состояние, близкое к первоначальному, на выходе генератора импульсов 12 формируется сигнал на замыкание коммутирующего элемента 7 (в данном случае полевых транзисторов 35, 36), обуславливая, тем самым, начало следующего рабочего цикла электромагнитного вибратора 1.

Если на выходе первого компаратора 14 после окончания действия импульса отсутствует сигнал запуска генератора импульсов 12, это свидетельствует о недостатке энергии в емкостном накопителе энергии 5 для проведения заданного числа рабочих циклов электромагнитного вибратора 1. При этом генератор импульсов 12 не запускается и не включает цепь управления коммутирующего элемента 7 (в данном случае цепи управления соответствующих полевых транзисторов 35, 36).

Таким образом, длительность и частота импульсов тока в силовую обмотку 2 электромагнитного вибратора 1 подаются с учетом наличия заданного уровня запасенной энергии в емкостном накопителе энергии 5 и амплитуды механических колебаний рабочего органа, образуя, тем самым, самонастраивающуюся резонансную систему независимо от параметров источника питания постоянного тока ограниченной мощности 4 и независимо от технологических параметров механической нагрузки, прикладываемых на рабочий орган 8, и от изменения этих параметров в процессе работы.

На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является.

1. Расширение области применения за счет возможности использования источника питания постоянного тока ограниченной мощности, соизмеримой или меньшей мощности, чем мощность, необходимая для обеспечения работы электромагнитного вибродвигателя при отсутствии источника постоянного тока "бесконечной" мощности, то есть такой мощности, которая априорно превышает прикладываемую на электромагнитный вибродвигатель технологическую нагрузку на всех этапах его эксплуатации, или сети централизованного электроснабжения.

2. Повышение безопасности проведения работ за счет возможности использования источника питания постоянного тока соизмеримой или меньшей мощности, чем мощность, необходимая для обеспечения работы электромагнитного вибродвигателя и, как следствие, возможности повышения безопасности проводимых работ благодаря меньшим выходным электрическим характеристикам источника питания постоянного тока ограниченной мощности, а также за счет возможности регулирования величины напряжения, подаваемого на силовую обмотку электромагнитного вибратора, например рабочее напряжение, более низкое, чем напряжение сети централизованного электроснабжения (220 В).

3. Повышение надежности за счет упрощения и стандартизации схем блоков управления и питания электромагнитного вибропривода.

4. Обеспечение возможности регулирования мощности, потребляемой от источника питания постоянного тока ограниченной мощности, за счет наличия высокоэффективного блока управления электромагнитным виброприводом в зависимости от технологических параметров механической нагрузки, прикладываемых на рабочий орган 8, и в зависимости от их изменения в процессе работы.

В настоящее время в институте Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии Наук (ИЗМИРАН) выпущена конструкторская документация на предлагаемый электромагнитный вибропривод, на основании которой созданы опытные образцы такого электромагнитного вибропривода и выпущена технологическая документация по реализации предлагаемого способа управления электромагнитным приводом вибрационного движения колебательной механической системы.

Формула изобретения

1. Способ управления электромагнитным виброприводом, образованным посредством установки рабочего органа на упругом механизме с возможностью перемещения рабочего органа под действием импульса силы электромагнита, заключающийся в том, что подключают силовую обмотку электромагнита к источнику питания постоянного тока посредством пускового блока для перемещения рабочего органа под действием импульса силы электромагнита при одновременном деформировании упругого механизма, отключают силовую обмотку электромагнита от источника питания посредством пускового блока при достижении деформации упругого механизма максимального или определенного заданного значения, необходимого для перемещения рабочего органа в обратном направлении под действием силы упругости сдеформированного упругого механизма, и повторно подключают силовую обмотку электромагнита к источнику питания, отличающийся тем, что в качестве источника питания постоянного тока используют блок питания постоянного тока в виде источника питания постоянного тока ограниченной мощности и накопителя энергии, перед подключением силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют накопление энергии посредством накопителя энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, а повторное подключение силовой обмотки электромагнита к блоку питания после перемещения рабочего органа в обратном направлении осуществляют при уровне энергии, накопленной в накопителе энергии, обеспечивающей перемещение рабочего органа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность импульса тока, вызывающего возникновение импульса силы электромагнита, ограничена уровнем снижения мгновенного значения тока на кривой импульса тока относительно максимального значения на 2 - 50%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что длительность паузы между импульсами тока, вызывающими возникновение импульса силы электромагнита, ограничивают минимальным временем, необходимым для размагничивания электромагнита и накопления энергии в накопителе энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, при этом разгон рабочего органа при подключении силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют в период времени, в течение которого направление перемещения рабочего органа совпадает с направлением действия импульса силы электромагнита.

4. Электромагнитный вибропривод, содержащий электромагнитный вибратор с рабочим органом, упруго закрепленным с возможностью перемещения под действием импульсов силы электромагнита, силовая обмотка которого соединена с коммутирующим элементом, пусковым блоком в виде генератора импульсов, и источник питания постоянного тока, отличающийся тем, что источник питания постоянного тока выполнен в виде блока питания постоянного тока, содержащего последовательно соединенные источник питания постоянного тока ограниченной мощности и накопитель энергии, при этом накопитель энергии соединен с коммутирующим элементом, а генератор импульсов выполнен с возможностью обеспечения ограничения длительности паузы между импульсами тока, вызывающими возникновение импульса силы электромагнита, минимальным временем, необходимым для размагничивания электромагнита и накопления энергии в накопителе энергии до уровня, соответствующего импульсу силы электромагнита и обеспечивающего проведение заданного числа рабочих циклов рабочего органа, при этом разгон рабочего органа при подключении силовой обмотки электромагнита к блоку питания осуществляют в период времени, в течение которого направление перемещения рабочего органа совпадает с направлением действия импульса силы электромагнита.

5. Вибропривод по п.4, отличающийся тем, что в блок питания постоянного тока дополнительно введен преобразователь напряжения, при этом источник питания постоянного тока ограниченной мощности соединен с накопителем энергии через преобразователь напряжения.

6. Вибропривод по п.4 или 5, отличающийся тем, что генератор импульсов выполнен управляемым, а пусковой блок - в виде блока управления, и в него дополнительно введена цепь обратной связи по напряжению накопителя энергии, выполненная в виде измерительного преобразователя напряжения, компаратора и источника опорного напряжения, причем вход измерительного преобразователя напряжения подключен к положительному выводу от накопителя энергии, выход - к первому входу компаратора, выход которого подключен к входу генератора импульсов, а выход источника опорного напряжения подключен к второму входу компаратора.

7. Вибропривод по любому из пп.4 - 6, отличающийся тем, что накопитель энергии выполнен в виде емкостного накопителя энергии.

8. Вибропривод по п.6, отличающийся тем, что в блок управления дополнительно введен соединенный с силовой обмоткой электромагнита датчик тока с измерительным преобразователем тока на выходе, при этом измерительный преобразователь тока подключен к второму входу генератора импульсов.

9. Вибропривод по п.8, отличающийся тем, что в блок управления дополнительно введены последовательно подключенные между выходом измерительного преобразователя тока и вторым входом генератора импульсов устройство выборки и хранения и второй компаратор, а также повторитель, подключенный выходом к второму входу второго компаратора и входом - к входу устройства выборки и хранения.

10. Вибропривод по п.4, отличающийся тем, что коммутирующий элемент выполнен в виде двух силовых ключей и двух диодов, образующих мост, одна диагональ которого подключена к накопителю энергии, а вторая диагональ - к силовой обмотке электромагнита, при этом выход первого силового ключа подключен к аноду первого диода, а катод второго диода подключен к входу второго силового ключа.

11. Вибропривод по п.10, отличающийся тем, что силовые ключи выполнены в виде электронных ключей.

12. Вибропривод по п. 11, отличающийся тем, что электронные ключи выполнены в виде полевых транзисторов, при этом первый транзистор подключен истоком к аноду первого диода, катод второго диода подключен к стоку второго транзистора, сток первого транзистора и анод второго диода подключены к положительному выводу накопителя энергии, а катод первого диода и исток второго транзистора к отрицательному выводу накопителя энергии.

13. Вибропривод по любому из пп.6, 10 - 12, отличающийся тем, что в блок управления дополнительно введены два усилителя сигнала для управления силовыми ключами, каждый из которых подключен выходом к цепи управления соответствующего ключа, а общим входом - к выходу генератора импульсов.

14. Вибропривод по п.6, отличающийся тем, что в блок управления дополнительно введен вибродатчик, подвижная часть которого связана с рабочим органом, а выход подключен к генератору импульсов.

РИСУНКИ

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