Электродинамический привод - RU2756691C2

Чертежи

Описание

В различных областях техники используются пиротехнические или же пневматические устройства, так как электромагнитные приводы не принимаются в расчет в этих областях. В качестве критериев исключения для электрических приводов следует назвать, в частности:

- недостаточная в отношении области применения сила и/или работоспособность на массу привода или объем привода,

- при высокодинамичных электрических непосредственных приводах, таких как так называемые катушки Томсона и рельсотроны, также их высокая сложность подключения и/или слишком низкий коэффициент полезного действия.

Это иллюстрируется различными примерами:

- гвоздезабивные устройства, и в данном случае, в частности ручные гвоздезабивные устройства, в которых, например, поршень ускоряется в силу сгорания горючей газовой смеси или заряда взрывчатого вещества, для того чтобы забивать гвоздь,

- устройства защиты от вспышки дугового разряда, при которых приводимый в действие пиротехнически металлический палец пробивает изолирующую пластину и вызывает короткое замыкание, для того чтобы лишать вспышку дугового разряда энергии,

- ограничители тока короткого замыкания, в которых пиротехнический заряд разрушает металлический язычок, так что ток короткого замыкания коммутирует с пути металлического язычка на параллельно подключенный плавкий предохранитель или дроссель.

Из US 6,830,173 B2 известно гвоздезабивное устройство с электродинамическим приводом.

Ближайшим уровнем техники является заявка WO2015172824 A1 от ABB. Она показывает основывающийся на катушке Томсона привод с первичной катушкой и концентратором потока, который окружает первичную катушку. Концентратор потока состоит из магнитомягкого или ферромагнитомягкого материала, например, железа, магнитной стали или такого материла, как Permadyne.

Таким образом, задача изобретения заключается в том, чтобы предоставить (высокодинамичный) электрический привод, который - по сравнению с соответствующим уровнем техники - может достигать более высоких силовых постоянных и/или более высоких электрических коэффициентов полезного действия и/или может выполнять более высокие, удельные по объему или весу работы.

Эта задача решается с помощью привода согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Данное изобретение охватывает электродинамический привод, включающий в себя:

- первую катушку возбуждения,

- магнитомягкую раму и

- установленный с возможностью перемещения вдоль оси короткозамкнутый ползун.

Привод отличается тем, что рама имеет плотность потока насыщения, по меньшей мере, в 1,0 Тл и/или эффективную удельную электрическую проводимость максимум 10⁶ См/м, причем первая катушка возбуждения и/или рама предпочтительно имеют, по меньшей мере, одно средство для разгрузки растягивающих напряжений. Плотность потока насыщения является при этом той плотностью потока, при которой дифференциальная проницаемость dB/dH материала становится равной магнитной постоянной, то есть при которой безразмерная относительная проницаемость μ_r принимает вследствие магнитного насыщения значение μ_r=1.

В частности, речь идет о высокодинамичном электродинамическом приводе, выполненном в частности в виде катушки Томсона с магнитомягкой рамой.

В возможном варианте осуществления катушка возбуждения имеет высоту обмотки, которая больше, чем ее длина, и является таким образом плоской.

В возможном варианте осуществления катушка возбуждения расположена в магнитомягкой раме и опирается на нее.

В возможном варианте осуществления рама представляет собой разомкнутую магнитную цепь, которая имеет внешнюю область, дно и внутреннюю область, и которая открыта с торца, причем первая катушка возбуждения, по меньшей мере, частично окружает внутреннюю часть рамы, и причем короткозамкнутый ползун в своем ходовом исходном положении входит в торцевое отверстие рамы и при этом, по меньшей мере, частично окружает внутреннюю часть рамы.

В возможном варианте осуществления короткозамкнутый ползун, по меньшей мере, на своей обращенной к первой катушке возбуждения стороне выполнен для этого в виде полого цилиндра, и/или рама выполнена в виде электромагнита горшкового типа.

В возможном варианте осуществления магнитомягкая рама полностью или преимущественно образована из магнитомягкого композитного материала и/или одного или нескольких пакетов сердечника.

Данное изобретение охватывает тем самым, в частности электродинамический привод, в частности высокодинамичный электродинамический привод, выполненный, в частности, в виде катушки Томсона с магнитомягкой рамой, включающий в себя

- первую катушку возбуждения, высота обмотки которой больше, чем ее длина, и которая таким образом является плоской,

- магнитомягкую раму, в которой расположена первая катушка возбуждения, и на которую она опирается, и которая, в частности, наподобие электромагнита горшкового типа представляет собой разомкнутую магнитную цепь, которая имеет внешнюю область, дно и внутреннюю область, и которая открыта с торца, причем первая катушка возбуждения, по меньшей мере, частично окружает внутреннюю часть рамы,

- выполненный, по меньшей мере, на своей обращенной к первой катушке возбуждения стороне предпочтительно в виде полого цилиндра, установленный с возможностью перемещения вдоль оси короткозамкнутый ползун, который в своем ходовом исходном положении входит в торцевое отверстие рамы и при этом, по меньшей мере, частично окружает внутреннюю часть рамы. При этом предусмотрено, что рама полностью или преимущественно образуется из магнитомягкого композитного материала или одного или нескольких пакетов сердечника, имеющего плотность потока насыщения, по меньшей мере, в 1,0 Тл, предпочтительно, по меньшей мере, в 1,3 Тл, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, в 1,5 Тл, а также эффективную удельную электрическую проводимость максимум 10⁶ См/м, и первая катушка возбуждения и/или рама имеют, по меньшей мере, одно средство для разгрузки растягивающих напряжений, в частности, в виде защитного кожуха (ограждения).

Разгрузка растягивающих напряжений, по меньшей мере, частично поглощает предпочтительно, по меньшей мере, возникающие во время процесса запуска перпендикулярно к направлению движения на первой катушке возбуждения радиальные усилия. У электродинамического привода действующая на короткозамкнутый ползун сила Лоренца используется предпочтительно для совершения работы.

В возможном варианте осуществления то пространство между внешней и внутренней областью рамы, в которое входит короткозамкнутый ползун, имеет форму цилиндрической оболочки, причем ее продольная ось соответствует направлению движения привода, а также оси обмотки катушки (катушек).

В возможном варианте осуществления состоящая из магнитомягкого композитного материала рама собрана из нескольких частей и/или сегментов. Несколько частей и/или сегментов могут быть друг с другом склеены или залиты.

Рама собрана из нескольких частей и/или сегментов предпочтительно таким образом, что возникновение растягивающих напряжений уменьшается, по меньшей мере, в том отношении, что предотвращается поломка рамы и/или ее частей во время эксплуатации.

В возможном варианте осуществления короткозамкнутый ползун привода полностью или частично образован из немагнитного материала, предпочтительно из проводящего электричество и немагнитного материала, в частности из термически упрочняемого алюминиевого сплава.

В возможном варианте осуществления короткозамкнутый ползун имеет со стороны дна, то есть в ходовом исходном положении на обращенной к первой катушке возбуждения стороне короткозамкнутого ползуна, кольцо из хорошо проводящего электричество материала, например из меди.

Предпочтительно кольцо заделано в короткозамкнутый ползун и, в частности, в немагнитный материал короткозамкнутого ползуна и/или соединено с короткозамкнутым ползуном с замыканием материалом и/или с геометрическим замыканием.

В возможном варианте осуществления удельная проводимость кольца составляет, по меньшей мере, 50% от удельной проводимости чистой меди (%IACS - международный стандарт на отожженную медь).

Кольцо может состоять, например, из чистой меди или медного или алюминиевого сплава или основанного на меди композитного материала.

В возможном варианте осуществления кольцо имеет в направлении движения полностью или преимущественно протяженность (удлинение), по меньшей мере, равное I=sqrt (t * rho/ pi * μ), где t - это полуширина тока в катушке возбуждения во время соответствующего расчету процесса запуска, rho - это удельное электрическое сопротивление кольца, pi - это число π, и μ - это магнитная постоянная.

В возможном варианте осуществления короткозамкнутый ползун и/или приводимый в движение короткозамкнутым ползуном поршень полностью или частично образован из термически упрочняемого алюминиевого сплава, который имеется далее предпочтительно в термически упрочненном состоянии.

В возможном варианте осуществления короткозамкнутый ползун и/или приводимый в движение короткозамкнутым ползуном поршень полностью или частично образован из термически упрочняемого алюминиевого сплава, который имеет в термически упрочненном состоянии удельную электрическую проводимость > 25% от электрической проводимости чистой меди (%IACS).

В возможном варианте осуществления электродинамический привод приводится в действие, по меньшей мере, частично посредством разряда конденсатора. Предпочтительно для приведения в действие привода, по меньшей мере, один конденсатор разряжается через первую катушку возбуждения.

Предпочтительно разрядка конденсатора вызывается переключением одного или нескольких полупроводниковых реле, причем полупроводниковое реле является предпочтительно тиристором.

Полупроводниковое реле может защищаться соединенной с ним последовательно, насыщающей индуктивностью от повреждения во время эксплуатации, благодаря тому, что насыщающая индуктивность рассчитывается для того, чтобы в достаточной степени ограничивать начальную скорость возрастания тока dI/dt.

Привод имеет предпочтительно конденсаторную систему, по меньшей мере, с одним конденсатором. Говоря о конденсаторе или конденсаторах, речь идет предпочтительно об одном или нескольких электролитических и/или пленочных и/или конденсаторах с обкладками из фольги. Предпочтительно конденсаторная система включает в себя, по меньшей мере, один пленочный и/или конденсатор с обкладками из фольги.

Конденсаторная система аккумулирует предпочтительно от 0,1 кДж до 10 кДж энергии, далее предпочтительно более 0,3 кДж.

Конденсаторная система имеет предпочтительно емкость от 0,1 мФ до 20 мФ и/или последовательное сопротивление (электрическое последовательное сопротивление) от 0,1 мОм до 100 мОм.

В возможном варианте осуществления электродинамический привод может включать в себя ходовой (подъемный) магнит или приводится в действие на таком ходовом магните, причем якорь ходового магнита, который может образовываться, например, из части самой рамы, например, из дна, передает во время процесса запуска посредством преимущественно упругого удара импульс на короткозамкнутый ползун, для того чтобы ускорять его, и причем разрядка конденсатора через первую катушку возбуждения выполняется синхронно с упругим ударом.

В возможном варианте осуществления максимальное, приложенное во время процесса запуска к катушке возбуждения напряжение составляет максимум 600 В, предпочтительно максимум 500 В, далее предпочтительно максимум 450 В. В этом случае используется предпочтительно электролитический конденсатор для работы привода.

В возможном варианте осуществления максимальное, приложенное во время процесса запуска к катушке возбуждения напряжение составляет от 1 кВ до 2 кВ. Вследствие этого можно достигать лучших коэффициентов полезного действия. В этом случае используется предпочтительно пленочный и/или конденсатор с обкладками из фольги для работы привода.

В возможном варианте осуществления, по меньшей мере, преобладающая часть рамы имеет эффективную удельную электрическую проводимость менее 10^5 См/м, предпочтительно менее 10^4 См/м.

В возможном варианте осуществления материал рамы имеет полностью или преимущественно плотность потока насыщения B_s > 1,5 Тл, предпочтительно B_s > 1,75 Тл, далее предпочтительно B_s > 1,9 Тл.

В возможном варианте осуществления первая катушка возбуждения рассчитана в том отношении, чтобы уменьшать влияние скин-эффекта, благодаря тому, что вместо одного цельного отдельного проводника витки образуются в виде жгута из нескольких изолированных друг относительно друга отдельных проводников, и/или благодаря тому, что используется плоская проволока.

В возможном варианте осуществления первая катушка возбуждения имеет степень наполнения медью, по меньшей мере, в 30%, предпочтительно, по меньшей мере, в 40%, далее предпочтительно, по меньшей мере, в 50%, далее предпочтительно, по меньшей мере, в 60%.

В частности, степень наполнения медью находится между 70% и 85%.

В возможном варианте осуществления первая катушка возбуждения залита и дополнительно разгружена в отношении растяжения посредством армирования волокнами против действующих во время процесса запуска сил (Лоренца).

В возможном варианте осуществления разгрузка растягивающих напряжений в виде цилиндрического защитного кожуха катушки осуществляется при помощи армированного волокнами композитного материала в пределах внешней области рамы.

В возможном варианте осуществления разгрузка растягивающих напряжений выполнена в виде защитного кожуха и предпочтительно состоит в, по меньшей мере, частично окружающем привод и/или раму по периметру защитном кожухе.

Защитный кожух изготовлен предпочтительно из материала с прочностью на растяжение более 700 МПа, предпочтительно более 1400 МПа.

В возможном варианте осуществления для защитного кожуха может использоваться волокнистый композитный материал и/или мартенситностареющая сталь.

В возможном варианте осуществления защитный кожух имеет форму полого цилиндра, ось которого совпадает с осью движения привода. Защитный кожух со стороны дна, то есть на стороне дна рамы, может быть выполнен, например, наподобие горшка, закрытым. Альтернативно защитный кожух может быть на стороне дна рамы открытым.

В возможном варианте осуществления подводящие линии к первой катушке возбуждения скручены. Альтернативно или дополнительно подводящие линии к первой катушке возбуждения могут образовываться в виде коаксиального кабеля из закрытого внешнего, а также внутреннего проводника, причем они не должны быть выполнены вращательно-симметричными. В возможном варианте осуществления подводящие линии к первой катушке возбуждения выполнены в виде плоских проволок, которые прилегают друг к другу без существенного промежутка, то есть они или их изоляционные оболочки соприкасаются или ограничивают несущественный зазор, в частности, воздушный зазор между ними. При этом ʺнесущественныйʺ следует понимать таким образом, что дополнительная самоиндукция, которой поражены подводящие линии вследствие зазора, мала по сравнению с наименьшей самоиндукцией привода, которая зависит от его рабочего состояния.

В возможном варианте осуществления электродинамический привод имеет цилиндрический защитный кожух, состоящий из волокнистого композитного материала и включающий в себя первую ткань из углеродного волокна, вторую ткань из одного или нескольких изолирующих электричество материалов, например, из стеклянного волокна, волокна из HPPE (полиэтилена высокого давления) или арамидного волокна, а также пластиковую матрицу, причем изолирующая электричество ткань используется наподобие так называемых кольцевых ленточных сердечников в качестве изолирующего промежуточного слоя между витками из углеродной волокнистой ткани, для того чтобы поглощать вызванные электромагнитными переменными полями вихревые токи.

В возможном варианте осуществления электродинамический привод имеет поршень, который приводится в действие короткозамкнутым ползуном. Для этого короткозамкнутый ползун может быть предпочтительно неподвижно соединен с поршнем и/или выполнен за одно целое с ним. Однако, короткозамкнутый ползун может иметь также захват, посредством которого он воздействует на выполненный отдельно от короткозамкнутого ползуна поршень.

Передний конец поршня может при срабатывании электродинамического привода воздействовать для передачи выполненной приводом работы на цель.

Предпочтительно поршень, по меньшей мере, с одной стороны, предпочтительно в области своего переднего конца, установлен с возможностью смещения.

Предпочтительно привод имеет возвратное устройство для короткозамкнутого ползуна и/или поршня, которое возвращает поршень и/или короткозамкнутый ползун после срабатывания привода в ходовое исходное положение. Предпочтительно возвратное устройство выполнено таким образом, что оно оказывает в ходовом исходном положении удерживающее усилие на поршень и/или короткозамкнутый ползун. В возможном варианте осуществления возвратное устройство работает на основе постоянного магнита.

В возможном варианте осуществления данного изобретения задний конец поршня проходит сквозь отверстие в раме. Предпочтительно привод имеет в этом случае возвратное устройство для короткозамкнутого ползуна и поршня, которое оказывает на задний конец поршня возвратное усилие.

Поршень может состоять из одной или нескольких частей. При многоэлементном исполнении отдельные части не обязательно, но предпочтительно неподвижно соединены друг с другом.

Возвратное устройство расположено предпочтительно на обращенной от короткозамкнутого ползуна стороне рамы.

Возвратное устройство может иметь подшипник скольжения для заднего конца поршня.

Предпочтительно возвратное устройство создается на основе постоянного магнита.

Предпочтительно задний конец поршня выполнен из магнитомягкого материала. Задний конец поршня может быть изготовлен из пакета листов и/или иметь прорези, для того чтобы уменьшать вихревые токи.

Далее возвратное устройство может иметь для создания возвратного усилия один или несколько постоянных магнитов. В частности, возвратное устройство включает в себя предпочтительно систему из множества постоянно-магнитных элементов и/или постоянно-магнитных областей, которые образуют магнитную цепь, которая при возвращении поршня все больше закрывается, благодаря тому, что задний конец поршня все больше входит в выемку в системе. В частности, система может иметь форму полого цилиндра.

Система может образовывать далее магнитную сборку Халбаха.

В возможном варианте осуществления данного изобретения привод включает в себя конденсаторную систему и переключатель, причем посредством замыкания переключателя вызывается разрядка конденсаторной системы через катушку возбуждения, благодаря которой короткозамкнутый ползун и/или поршень ускоряются из своих ходовых исходных положений.

Данное изобретение охватывает далее гвоздезабивное устройство, включающее в себя электродинамический привод, который был описан выше. В частности, электродинамический привод гвоздезабивного устройства включает в себя катушку возбуждения, магнитомягкую раму и установленный с возможностью перемещения вдоль оси короткозамкнутый ползун, причем рама имеет плотность потока насыщения, по меньшей мере, в 1,0 Тл и/или эффективную удельную электрическую проводимость максимум 10⁶ См/м. Предпочтительно катушка возбуждения и/или рама имеют, по меньшей мере, одно средство для разгрузки растягивающих напряжений.

Предпочтительно привод выполнен далее таким образом, как это было уже описано более подробно выше.

Понятие ʺгвоздьʺ не предполагает согласно изобретению определенную форму. В частности, понятие ʺгвоздьʺ охватывает также штыри, штифты и т.д. Однако, говоря о гвозде согласно данной заявке, речь идет, в частности, о крепежном элементе со стержнеобразным участком.

В возможном варианте осуществления ручное гвоздезабивное устройство включает в себя далее:

- по меньшей мере, один конденсатор,

- по меньшей мере, один электрохимический накопитель энергии,

- по меньшей мере, один переключающий преобразователь,

- по меньшей мере, один переключатель,

- поршень,

- возвратное устройство для короткозамкнутого ползуна и поршня,

причем для забивки гвоздя сначала конденсатор заряжается при помощи переключающего преобразователя электрической энергией из электрохимического накопителя энергии, после чего переключатель замыкается, для того чтобы вызывать разрядку конденсатора через катушку возбуждения, после чего короткозамкнутый ползун и поршень ускоряются из своих ходовых исходных положений, и поршень используется, для того чтобы забивать гвоздь, и после этого используется возвратное устройство, для того чтобы возвращать поршень и короткозамкнутый ползун в ходовые исходные положения.

В возможном варианте осуществления электродинамический привод имеет во время соответствующего расчету процесса запуска максимальную плотность силы более 100 кН/л, предпочтительно более 200 кН/л, далее предпочтительно более 300 кН/л, в каждом случае отнесенную к объему электрического привода. Максимальную плотность силы следует при этом понимать как частное из максимальной, нагружающей короткозамкнутый ползун силы Лоренца и объема электродинамического привода. Электродинамический привод включает в себя и состоит, в частности, из рамы, пространства для обмотки катушки возбуждения и входящей в раму части короткозамкнутого ползуна.

Поэтому объем электродинамического привода определяется предпочтительно как сумма объемов рамы, пространства для обмотки катушки возбуждения, а также входящей в раму части короткозамкнутого ползуна. Если короткозамкнутый ползун не входит в раму, то объем электродинамического привода определяется, следовательно, предпочтительно как сумма объемов рамы и пространства для обмотки катушки возбуждения.

В возможном варианте осуществления электродинамический привод имеет на максимуме силы во время соответствующего расчету процесса запуска максимальную плотность силы.

В возможном варианте осуществления ручное гвоздезабивное устройство выполнено таким образом или имеет такое дополнительное устройство, что при возвращении привода, то есть при возвращении короткозамкнутого ползуна и поршня в их соответствующее ходовое исходное положение, предотвращается механический контакт между короткозамкнутым ползуном и первой катушкой возбуждения.

Предпочтительно предусмотрен для этого регулируемый упор для короткозамкнутого ползуна и/или поршня, в частности, в виде проходящего сквозь раму винта. В частности, рама или разгрузка растягивающих напряжений рамы служит в качестве упора.

В возможном варианте осуществления энергия забивки гвоздезабивного устройства, в частности достигаемая зарядкой конденсатора или конденсаторов энергия забивки, составляет ≥10 Дж, предпочтительно ≥100 Дж, далее предпочтительно ≥200 Дж.

Говоря, по меньшей мере, об одном конденсаторе, речь идет предпочтительно о пленочном или конденсаторе с обкладками из фольги.

В возможном варианте осуществления ручное гвоздезабивное устройство имеет электролитический, пленочный или конденсатор с обкладками из фольги, корпус которого, по меньшей мере, частично образуется корпусом самого забивного устройства, обмотка конденсатора не обладает таким образом полным отдельным корпусом.

Предпочтительно корпус забивного устройства является в области обмотки металлическим и состоит далее предпочтительно из алюминиевого сплава.

Корпус забивного устройства может иметь в области обмотки структурированную поверхность, в частности, наподобие радиатора.

В возможном варианте осуществления, говоря об электрохимическом накопителе энергии, речь идет об аккумуляторе.

В возможном варианте осуществления, говоря, по меньшей мере, об одном переключателе, речь идет о полупроводниковом реле, в частности, о тиристоре.

Данное изобретение охватывает далее электрический молоток, который приводится в действие электродинамическим приводом, который был описан выше.

Данное изобретение охватывает далее ударную дрель, ударный механизм которой приводится в действие электродинамическим приводом, который был описан выше, или образуется таким же приводом.

Данное изобретение охватывает далее устройство защиты от вспышки дугового разряда, включающее в себя электродинамический привод, который был описан выше.

В возможном варианте осуществления устройство защиты от вспышки дугового разряда включает в себя далее, по меньшей мере, одну изолирующую электричество пластину и, по меньшей мере, один металлический проводящий палец, причем соответствующий(ие) изобретению электродинамический(ие) привод(ы) управляется/управляются таким образом, что регистрация вспышки дугового разряда при помощи внешних средств приводит к тому, что палец или пальцы ускоряются электродинамическим(ими) приводом(ами), чтобы пробивать изолирующую пластину и вызывать одно- или многофазное короткое замыкание, для того чтобы лишать таким образом вспышку дугового разряда электрической мощности.

Данное изобретение охватывает далее электрический выключатель, в частности силовой выключатель, включающий в себя электродинамический привод, который был описан выше, и который используется для того, чтобы размыкать электрический выключатель.

Данное изобретение охватывает далее ограничитель тока короткого замыкания, включающий в себя такой электрический выключатель. При этом предусмотрено, что вследствие регистрации короткого замыкания электродинамический привод управляется для того, чтобы размыкать выключатель, и что электрически параллельно к электрическому выключателю присоединены одна или несколько индуктивностей и/или предохранитель. Регистрация короткого замыкания может осуществляться внешними средствами. Такие средства известны.

Данное изобретение охватывает далее гибридный выключатель для размыкания цепи постоянного тока, включающий в себя выключатель, который был описан выше, причем гибридный выключатель имеет два параллельных пути тока, причем первый путь тока может прерываться при помощи первого полупроводникового реле в том отношении, что выключаемый ток преимущественно коммутирует (переключается) на второй путь тока, который имеет второе полупроводниковое реле, причем первое полупроводниковое реле имеет более низкую отключающую способность и более низкое последовательное сопротивление, чем второе полупроводниковое реле, и причем соответствующий изобретению выключатель соединен последовательно с первым полупроводниковым реле и параллельно со вторым полупроводниковым реле, причем полупроводниковые реле предпочтительно сами составлены из нескольких отдельных полупроводниковых реле в виде последовательных и/или параллельных схем.

Данное изобретение описывается теперь на основе примеров осуществления и чертежей более подробно.

При этом на чертежах показано:

фиг.1 - продольный разрез первого примера осуществления соответствующего изобретению привода;

фиг.2 - подробный вид второго примера осуществления соответствующего изобретению привода в продольном разрезе, причем изображена лишь половина вращательно-симметричной конструкции;

фиг.3 - несколько осевых сечений сегментов, из которых собрана магнитомягкая рама в показанном на фиг.1 примере осуществления;

фиг.4a)-d) - дальнейший пример осуществления соответствующего изобретению привода с возвратным устройством; и

фиг.5 - пример осуществления соответствующего изобретению гвоздезабивного устройства.

Последующие исполнения служат для лучшего понимания изобретения, их следует рассматривать исключительно как пример и ни в коем случае не следует понимать как ограничения.

В отличие от предметной вышеуказанной заявки от ABB выполненная в виде ʺконцентратора потокаʺ рама (10) образуется в примере осуществления из магнитомягкого композитного материала (далее: SMC, для "soft magnetic composite") и/или из одного или нескольких магнитомягких пакетов сердечника, имеющего плотность потока насыщения, по меньшей мере, в 1,5 Тл, а также эффективную удельную электрическую проводимость максимум 10⁶ См/м. Предпочтительно рама образуется из SMC с удельной проводимостью <10⁴ См/м, плотностью потока насыщения B_s≥1,9 Тл и максимальной относительной проницаемостью μ_r≥50. Кроме того, материал или материалы рамы должны выбираться с учетом требований прочности таким образом, чтобы обладать высоким пределом текучести. Хорошо подходящие для реализации изобретения SMCы известны и имеются в продаже под торговым наименованием Somaloy.

До сих пор SMCы не достигают высоких плотностей потока насыщения известных магнитных сплавов железа и кобальта (например, Vacoflux). Однако, с учетом высокой динамики, на которую нацелено изобретение, и для которой оно предназначено, это обстоятельство в большинстве случаев применения далеко отступает перед эффективным затуханием вихревых токов в SMCах.

При помощи известных магнитомягких сплавов (в виде сплошных материалов) нельзя в достаточной степени достигать желаемых согласно изобретению свойств, динамики и коэффициента полезного действия.

Дальнейший существенный аспект изобретения заключается в разгрузке растягивающих напряжений приводной катушки (катушек) и/или рамы, так как желаемые согласно изобретению свойства могут достигаться лишь при очень высоких магнитных давлениях, что приводит к очень сильному конструктивному нагружению привода при каждом процессе запуска. Для разгрузки растягивающих напряжений рамы (10) принимаются во внимание наряду с защитными кожухами (20), например, из так называемых мартенситностареющих сталей, в частности, также волокнистые композитные материалы. Для разгрузки растягивающих напряжений катушки (30) является возможным высокопрочные волокна или текстили наматывать одновременно с или вокруг электрического проводника или проводников катушки и заливать. При этом волокнистый материал выбирается наряду с его прочностью на растяжение предпочтительно таким образом, чтобы иметь также более высокий модуль упругости на растяжение, чем сам электрический проводник. Наконец, катушка может заливаться или облицовываться экструзией, причем заливочная масса выбирается предпочтительно таким образом, чтобы с одной стороны иметь максимально высокую собственную прочность, высокий предел текучести и высокий - для полимера - модуль упругости на растяжение, а с другой стороны максимально прочно приставать к электрическому проводнику или его лаковой поверхности, а также к самому волокнистому материалу. Если привод эксплуатируется в условиях, которые приводят к существенной тепловой нагрузке катушки, заливочная масса должна выбираться помимо этого таким образом, чтобы обладать высокой теплопроводностью; для этого сама заливочная масса может быть соответственно заполнена, например, алюминием нитридным (AlN) в качестве наполнителя.

При необходимости катушка может также оснащаться охлаждающим устройством, в частности, активным или пассивным жидкостным охлаждением, и/или может обеспечиваться неподвижное тепловое соединение катушки с магнитомягкой рамой, которая со своей стороны сама может быть термически соединена с радиатором.

В завершение изобретение разъясняется на конкретном примере. Фиг.1 и 2 показывают продольные разрезы первого и второго примера осуществления вращательно-симметричного вокруг оси (1) привода с магнитомягкой рамой (10) в форме, аналогичной раме известных электромагнитов горшкового типа с закругленной нижней кромкой, разгружающим растягивающие напряжения защитным кожухом (20) из мартенситностареющей стали, опирающейся на раму (10) непосредственно или опосредованно первой катушкой (30) возбуждения, которая образуется, например, из армированной волокном плоской проволоки и залита, причем для контроля скин-эффекта каждый отдельный виток может образовываться в виде жгута из нескольких параллельно соединенных тонких (плоских) проволок, а также с короткозамкнутым ползуном (40), который состоит из высокопрочного (термически упрочняемого) алюминиевого сплава (например, 7068), и в котором на обращенной к катушке стороне заделано хорошо проводящее электричество кольцо (41) из (в данном случае, например) чистой Cu.

Альтернативно возможно кольцо (41) (из Cu или Al или медного или алюминиевого сплава с сильно повышенной по сравнению с чистыми металлами прочностью, однако с максимально хорошей электрической проводимостью), которое имеет, например, такой же внешний и внутренний радиус, как и остальной короткозамкнутый ползун (40), соединять на его обращенной к первой катушке (30) возбуждения стороне с этим короткозамкнутым ползуном (40) с замыканием материалом или геометрическим замыканием.

При этом соблюдение всех требований прочности в конструкции конкретного привода на случай применения должно устанавливаться предпочтительно с помощью компьютерных моделирований (FEM).

На фиг.1 в качестве разгрузки растягивающих напряжений используется защитный кожух (20) в виде цилиндрической оболочки, который окружает периметр рамы (10) по всей ее осевой длине. В свою очередь на фиг.2 защитный кожух (20) имеет в дополнение к цилиндрической оболочке донную область.

Короткозамкнутый ползун имеет на своем внешнем периметре подшипник (42) скольжения, при помощи которого короткозамкнутый ползун установлен в корпусе (50) привода с возможностью осевого перемещения. Короткозамкнутый ползун (40) находится в соединении с распространяющимся в осевом направлении поршнем (45), который служит для передачи созданных короткозамкнутым ползуном усилий. Поршень распространяется от короткозамкнутого ползуна внутри корпуса и проходит сквозь направляющую (49) поршня. Предпочтительно также поршень (45) установлен с возможностью скольжения.

Предпочтительно используется устройство или исполнение, которое при возвращении привода надежно предотвращает (жесткий) контакт короткозамкнутого ползуна (40) с первой катушкой (30) возбуждения и тем самым предотвращает возможное повреждение катушки.

Корпус может служить в качестве экранирования для привода, для того чтобы удовлетворять соответствующим критериям ЭМС (электромагнитной совместимости). Предпочтительно корпус поэтому изготавливается из алюминия и/или алюминиевого сплава.

В частности, могут использоваться термически упрочняемые алюминиевые сплавы, такие как 7068, в термически упрочненном состоянии, так как они высокую электрическую проводимость комбинируют с высокой механической прочностью, а также с достаточной коррозионной стойкостью.

Далее привод может иметь в качестве экранирования - предпочтительно тонкий - внешний защитный кожух из высокопроницаемого магнитомягкого материала (например, μ-металла), который должен иметь помимо этого высокую насыщенную поляризацию. Здесь, значительно превосходя μ-металл, принимаются в особое внимание пленки из магнитомягких металлических стекол или нанокристаллических материалов с плотностями потока насыщения >1 Тл (и прежде всего >1,2 Тл).

На фиг.1 к тому же повернутая к раме (10) поверхность (43) поршня (45) или короткозамкнутого ползуна (40) выполнена в виде упора, посредством которого задается положение короткозамкнутого ползуна в ходовом исходном положении. Упор (43) может взаимодействовать с рамой (10).

Однако, предпочтительно упор (43) взаимодействует с установочным элементом, посредством которого может устанавливаться расстояние от донного конца короткозамкнутого ползуна (40) или кольца (41) в ходовом исходном положении до катушки (30) возбуждения. Например, может винт проводиться сквозь отверстие (14) в раме (10) и служить в качестве регулируемого контрупора. Вследствие этого может предотвращаться то, что донный конец короткозамкнутого ползуна (40) или кольца (41) повреждает при возвращении в ходовое исходное положение катушку (30) возбуждения.

Фиг.3 показывает, что рама (10) может быть собрана из нескольких частей (во внешней области рамы из круговых сегментов); это создает условия при эксплуатации для определенного движения частей друг относительно друга, вследствие чего может предотвращаться повреждение сравнительно хрупкого SMC. Части рамы по возможности также заливаются или склеиваются друг с другом, причем в качестве заливочной массы или клея должен предпочтительно выбираться химически совместимый с SMC, хорошо пристающий твердый эластомер с высоким пределом текучести.

Схематично изображенные на фиг.1 электрические подводящие линии (52) к первой катушке (30) возбуждения должны выполняться таким образом, что за счет этих неизбежных подводящих линий полезное магнитное поперечное сечение рамы ухудшается в минимально возможной степени. Для работы привода конденсатор или конденсаторный блок (58) может разряжаться при помощи переключателя (56), в частности тиристора, через катушку (30) возбуждения. Далее предусмотрен обратный диод между выводами (59) конденсатора, соответственно, конденсаторного блока. От него можно также при необходимости отказаться, в частности, если используются пленочные и/или конденсаторы с обкладками из фольги.

Блок (55) управления управляет переключателем (56) и принимает на себя далее через переключающий преобразователь (54) зарядку конденсатора, соответственно, конденсаторного блока.

Говоря о переключателе (56), речь идет предпочтительно о полупроводниковом реле, в частности, о тиристоре.

Для того чтобы удовлетворять требованиям веса, также к переключающему преобразователю предъявляются самые высокие требования. Предпочтительно он имеет полупроводниковые реле, в частности, полупроводниковые реле с большой шириной запрещенной зоны (например, SiC-MOSFETы - МОП-транзисторы) и высокоценным материалом сердечника (прежде всего сердечники из магнитомягких металлических стекол и/или нанокристаллических сплавов с дискретным воздушным зазором).

Так как и без того незначительная ввиду, как правило, очень малого числа витков самоиндукция катушки дополнительно замыкается накоротко через короткозамкнутый ползун, начальная индуктивность системы крайне низка, что прежде всего делает одновременно возможной огромную динамику. Для того чтобы защищать тиристор от слишком высокой скорости увеличения тока dI/dt, может рекомендоваться вводить насыщающую индуктивность (так называемый ʺнасыщающийся реакторʺ), например благодаря тому, что подводящая линия к приводу проводится через насыщающий высокопроницаемый кольцевой (ленточный) сердечник (ʺmagnetic switch protectionʺ). В противном случае при соответствующем изобретению расчете внешней проводки привода должны учитываться импедансы всех компонентов. Число витков катушки возбуждения должно согласовываться как с импедансом источника напряжения, так и с механической нагрузкой, причем механическая нагрузка образуется, например, из массы короткозамкнутого ползуна, а также при необходимости соединенных с ним дальнейших частей, таких как поршень. Электрический коэффициент полезного действия соответствующего изобретению привода имеет при заданной постоянной емкости и числе витков максимум при определенной ускоряемой массе и связанной с ней механической нагрузке. Раскрытая на фигурах геометрия привода пригодна во многих случаях, без того чтобы была необходимость производить ее оптимизацию, непосредственно не проектируя высокодинамичный привод для конкретного применения. В итоге привод работает благодаря тому, что сначала катушка (30) возбуждения отталкивает короткозамкнутый ползун (40), причем соответствующие ʺсиловые постоянныеʺ быстро понижаются с увеличением удаления, то есть действующая отталкивающим образом сила Лоренца тем больше при заданных сигналах, чем меньше удаление между катушкой (30) возбуждения и короткозамкнутым ползуном (40). В соответствии с этим в ходовом исходном положении катушка (30) возбуждения и короткозамкнутый ползун (40) должны располагаться максимально близко друг к другу.

Если в качестве конденсаторов применяются электролитические конденсаторы (ELKOS), то за счет относительно высокого внутреннего сопротивления может доходить до сильного нагрева конденсатора во время процесса запуска. Для устранения этого затруднения может быть предусмотрено отключать ELKOS еще во время процесса запуска. Это реализовывается предпочтительно посредством закрытия полупроводникового реле или посредством возможности свободного хода, в частности, в виде обратного диода.

Омическое/действительное внутреннее сопротивление ELKOS соответствует примерно сопротивлению катушки. Предпочтительно предусмотрено прерывать разрядку ELKOs после достижения максимального тока, в то время как ELKO еще частично заряжен, и большая часть электростатической энергии из ELKO была преобразована в энергию магнитного поля в части привода.

Связанный с магнитным полем ток может протекать далее через обратный диод с максимально низким сопротивлением или другое низкоомное устройство свободного хода, которое предпочтительно имеет более низкое эффективное сопротивление потерь, чем сам ELKO. Таким образом, энергия магнитного поля излишне не преобразовывается в ELKO, например, в его электролитах, в тепло.

Обычные тиристоры нельзя отключать напрямую. Альтернативно могут использоваться GTOs, IGBTs, IGCTs, MCTs, которые могут отключаться, однако связаны также со сравнительно высокими расходами. Однако возможно кратковременное изменение направления тока в тиристоре (SCR1) при помощи, в частности, сравнительно малого второго тиристора (ʺвспомогательного вентиляʺ) и (малого) дросселя, при одновременном отключении и изменении полярности тока в затвор SCR1.

Однако, предпочтительно используются конденсаторы с обкладками из фольги и/или пленочные конденсаторы, которые ввиду низкого внутреннего сопротивления не требуют такого отключения.

И хотя пленочные и/или конденсаторы с обкладками из фольги имеют все еще более незначительную плотность энергии, чем она может достигаться с Elkos, тем не менее пленочные и/или конденсаторы с обкладками из фольги могут иметь крайне низкое последовательное сопротивление (ESR). Это низкое последовательное сопротивление может существенно повышать коэффициент полезного действия.

Дальнейшее преимущество пленочных и конденсаторов с обкладками из фольги можно увидеть в том, что они биполярны. Они способны изменять полярность, так что при необходимости можно отказаться от обратного диода, что благодаря связанной с этим экономии веса является полезным, в частности, при ручных устройствах.

Комбинация из параллельно соединенных Elkos и пленочных конгдестаоров/конденсаторов с обкладками из фольги также возможна.

При пленочных/конденсаторах с обкладками из фольги должен достигаться баланс: плотность энергии против ESR. Здесь оптимум (вес/коэффициент полезного действия - в зависимости от случая применения) должен определяться численно.

Привод имеет далее устройство (80) для возвращения поршня (45) и/или короткозамкнутого ползуна (40), которое на фиг.1 изображено лишь абстрактно в виде прямоугольника и теперь будет разъясняться на основе фиг.4a по 4d еще раз при помощи примера осуществления. Фиг.4c) и 4d) показывают возвратное устройство на виде в разрезе вдоль оси движения привода в двух конечных положениях.

Возвращение поршня может осуществляться, например, при помощи вытягиваемого в пространстве, например, вдоль направления движения поршня, по меньшей мере, на длину хода магнитомягкого элемента (120), который выполнен предпочтительно в виде стержня, например, в виде стержнеобразного пакета листов или в виде магнитомягкого стержня с прорезями. Магнитомягкий элемент (120) соединен с поршнем, предпочтительно жестко соединен, и/или образует задний конец поршня. Магнитомягкий элемент проходит предпочтительно сквозь осевое отверстие (14) через раму и расположен, например, за донной поверхностью привода.

В соответствии с магнитомягким элементом имеется система (100) постоянных магнитов (PM), которые образуют магнитную цепь, которая при возвращении поршня все больше замыкается, благодаря тому, что магнитомягкий элемент (120) все больше входит в систему.

Поток постоянных магнитов направляется при этом полностью или преимущественно перпендикулярно к направлению движения в магнитомягкий элемент. При этом PM могут быть выполнены в виде так называемой магнитной сборки Халбаха, для того чтобы экономить необходимое в противном случае «обратное замыкание магнитопровода» и тем самым вес и делать тем не менее возможным минимальное поле рассеяния.

На фиг.4a) и 4b) показаны два различных варианта осуществления таких систем, причем стрелки указывают направление поляризации постоянно-магнитных элементов и/или областей. В каждом случае речь идет о системах в виде магнитной сборки Халбаха.

Например, при помощи магнитной сборки Халбаха, в частности согласно фиг.4b), возможно проводить созданный PM поток в значительной степени поперек через подвижный магнитомягкий элемент (120): вдоль направления движения при горизонтально приводимом в действие приводе ʺлинии поляʺ входят таким образом, например, снизу в ʺжелезоʺ (магнитопровод) и выходят вверх из ʺжелезаʺ. Боковые движения железа (вдоль линий поля, то есть перпендикулярно к направлению движения) приводят в этом случае лишь к исчезающему изменению энергии магнитного поля, из-за чего такая система практически полностью свободна от магнитных поперечных сил, которые в противном случае могли бы нагружать, например, подшипник, например, проводящий магнитомягкий элемент подшипник скольжения.

Внутри системы постоянных магнитов предусмотрен подшипник (110) скольжения для магнитомягкого элемента. Система постоянных магнитов окружает магнитомягкий элемент и/или подшипник скольжения предпочтительно в виде кольца и/или имеет форму полого цилиндра. Фиг.5 показывает теперь пример осуществления соответствующего изобретению гвоздезабивного устройства с соответствующим изобретению приводом, который более подробно изображен на фиг.1 и/или 4. В отношении электродинамического привода делается поэтому ссылка на вышеуказанное изображение.

Ручное гвоздезабивное устройство включает в себя при этом наряду с компонентами привода, то есть первой катушкой (30) возбуждения, магнитомягкой рамой (10), установленным с возможностью перемещения вдоль оси (1) короткозамкнутым ползуном (40) и разгрузкой (20) растягивающих напряжений, далее, по меньшей мере, один конденсатор (58), по меньшей мере, один электрохимический накопитель (53) энергии, в частности в виде аккумулятора, переключающий преобразователь (54), переключатель (56), поршень (45) и также изображенное здесь лишь схематично возвратное устройство (80) для короткозамкнутого ползуна (40) и поршня (45). Для забивки гвоздя (70) сначала конденсатор (58) заряжается при помощи переключающего преобразователя (54) электрической энергией из электрохимического накопителя (53) энергии, после чего переключатель (56) замыкается, для того чтобы вызывать разрядку конденсатора (58) через катушку (30) возбуждения, после чего короткозамкнутый ползун (40) и поршень (45) ускоряются из своих ходовых исходных положений, и поршень (45) используется, для того чтобы забивать гвоздь (70), и после этого используется возвратное устройство (80), для того чтобы возвращать поршень (45) и короткозамкнутый ползун (40) в ходовые исходные положения.

Забивка гвоздя осуществляется благодаря тому, что конец поршня (45) ударяется о гвоздь (70), который предусматривается, например, в расположенном на передней стороне гвоздезабивного устройства магазине (68).

Процесс забивки гвоздя инициируется посредством приведения в действие триггерного выключателя (52), например, посредством нажатия кнопки (63). Однако, блок (55) управления допускает запуск процесса забивки гвоздя лишь в том случае, если наконечник гвоздезабивного устройства установлен на поверхности, что регистрируется прижимным переключателем (66). Блок (55) управления опрашивает прижимной переключатель (66), а также триггерный выключатель (52) и приводит в действие переключающий преобразователь (54) и переключатель (56).

Гвоздезабивное устройство (60) имеет далее демпфер (65), который подходит для того, чтобы поглощать кинетическую энергию поршня и при определенных обстоятельствах предотвращать разрушение устройства также в том случае, если гвоздь может забиваться без существенной рабочей нагрузки. Демпфер предусмотрен в данном случае на выходе корпуса (50) привода.

Корпус (61) гвоздезабивного устройства окружает наряду с приводом далее также конденсаторы (58), которые расположены в данном случае в осевом направлении за приводом в корпусе.

Корпус может служить при этом в качестве наружного корпуса конденсаторов, которые вследствие этого не требуют собственного защитного кожуха. В области конденсаторов (58) корпус изготовлен предпочтительно из металла, для того чтобы обеспечивать высокую теплопроводность и тем самым хорошее охлаждение конденсаторов.

Корпус гвоздезабивного устройства включает в себя захватную область (62), на которой расположена кнопка (63). Электрохимический накопитель (53) энергии, в частности, в виде аккумулятора, расположен предпочтительно в отдельной части (64) корпуса, которая может разъемно соединяться с остальным корпусом, для того чтобы была возможность заменять электрохимический накопитель энергии.

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высокодинамичному электромагнитному приводу. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия. Высокодинамичный электромагнитный привод в виде катушки Томсона с магнитомягкой рамой, включающий в себя первую катушку (30) возбуждения, высота обмотки которой больше, чем ее длина, и которая таким образом является плоской. Так же включает магнитомягкую раму (10), в которой расположена первая катушка (30) возбуждения, и на которую она опирается. Магнитомягкая рама наподобие электромагнита горшкового типа представляет собой разомкнутую магнитную цепь, которая имеет внешнюю область (11), дно (12) и внутреннюю область (13), и которая открыта с торца. Первая катушка возбуждения, по меньшей мере, частично окружает внутреннюю часть (13) рамы. Короткозамкнутый ползун (40) выполнен на своей обращенной к первой катушке (30) возбуждения стороне предпочтительно в виде полого цилиндра и входит в торцевое отверстие рамы (10) и при этом, по меньшей мере, частично окружает внутреннюю часть (13) рамы. Рама (10) образуется из магнитомягкого композитного материала или одного или нескольких пакетов сердечника, имеющего плотность потока насыщения, по меньшей мере, в 1,5 Тл, а также эффективную удельную электрическую проводимость максимум 10^6 См/м, а также эффективную удельную электрическую проводимость максимум 10^6 См/м. Первая катушка (30) возбуждения и/или рама (10) имеют, по меньшей мере, одно средство для разгрузки растягивающих напряжений, в частности в виде защитного кожуха, для того чтобы, частично поглощать возникающие во время процесса запуска перпендикулярно к направлению движения на первой катушке (30) возбуждения радиальные усилия. 8 н. и 35 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула