ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ В РАЗВИТИИ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КАК ОТДЕЛЬНОГО КЛАССА МАШИН С ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ Нейман Л.А.,Нейман В.Ю.,Шабанов А.С.

Ключевые слова

линейные электромагнитные двигатели, электромагнитные машины, линейный электропривод, исторические этапы развития, electromagnetic linear motors, electromagnetic machines, linear actuator, historical stages of development

Просмотр статьи

Аннотация к статье

Рассмотрены краткие исторические этапы в развитии и в совершенствовании конструкций электромагнитных двигателей как отдельного класса машин с линейным электроприводом возвратно-поступательного, колебательного и вибрационного движения рабочих органов.

Текст научной статьи

Обзорный анализ истории развития электромагнитного привода линейных машин со времени первых опытов американского физика Д. Генри (1832 г.), наблюдавшего магнитное взаимодействие ферромагнитных тел, обтекаемых током, свидетельствует о сложности и противоречивости этого процесса, который привел к формированию отдельного класса машин. Первые примитивные конструкции линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД), выполненные в виде электромагнитов, удерживали грузы массой до 300 кг, демонстрируя тем самым большие потенциальные возможности электромагнитных устройств [1]. Следующий этап характеризуется созданием новых конструкций линейных электродвигателей. Линейные электромагнитные двигатели, созданные Д. Генри и итальянским профессором Сальваторе Даль-Негро, могли совершать колебательные движения [2]. В конструкциях электромагнитных двигателей, созданных на раннем этапе, возвратно-поступательное движение якоря преобразовывалось механическим путем во вращательное движение рабочего органа. Типичным примером является двигатель профессора Колумбийского колледжа Ч. Пэджа, предложенный им в 1845 г. [3]. Однако с созданием Б.С. Якоби электродвигателей постоянного тока интерес к линейным машинам существенно снизился, а исследованиям по их усовершенствованию стала отводиться второстепенная роль. Развитие электротехники позволило использовать электромагнит в производственной машине, которая должна была выполнять специфические функции. Первая попытка промышленного использования оборудования с электромагнитными двигателями была предпринята французским ученым М. Депре только в 1885 г. [4]. Электромагнитный молот, созданный на базе секционированного из 80 катушек соленоида длиной в один метр и весом ударника в двадцать три килограмма, позволял выполнять работу различного характера (ударную, прессовую), а также регулировать усилие давления и энергию удара, но при этом имел несовершенную конструкцию, нерациональный режим работы и низкую надежность. Электромагнитные двигатели, созданные Ван-Деполем, обладали аналогичными недостатками. В дальнейшем силовые импульсные электромагниты, стали широко использоваться в создаваемых электромагнитных машинах возвратно-поступательного и ударного действия. В первую очередь это относится к электромагнитным машинам ударного действия, о чем свидетельствуют, разработки Москвитина, Грейнера, Шимана, Покровского, Синтрона, Тома, Беви [5, 6]. Значительным успехом в данной области является промышленное производство на базе импульсных линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД) в 1923 г. электромагнитных молотков Sintron фирмы «National Electric» (США), причем уже в 1929 г. объем подобной продукции, выпускаемый такими странами, как США, Германия и Италия, составил нескольких сот тысяч штук [6]. Недостатками электромагнитных молотков считались низкая надежность и малая продолжительность включения. В нашей стране активное промышленное использование ЛЭМД началось в конце 30-х годов. Большим вкладом в развитие теории и конструирования электромагнитных двигателей были работы профессора А.И. Москвитина [5]. Разработанные им ЛЭМД для ударных машин принципиально отличались от известных конструктивной схемой исполнения и организацией рабочих циклов. А.И. Москвитиным, в частности, была впервые произведена классификация электромагнитных молотков, разработана методика экспериментального исследования рабочих процессов, исследованы промышленные образцы электромагнитных машин зарубежных фирм и созданы первые отечественные машины с ЛЭМД ударного действия. По мере развития техники, систем питания и управления появилась возможность создания мощных электромагнитных машин. Наглядным примером этого явился опытный образец электромагнитного пресса для сухого прессования кирпича с массой подвижных частей, составляющей три тонны. В первой четверти ХХ века КПД электромагнитных двигателей составлял 10%, полезная работа за цикл не превышала 5 Дж, а моторесурс - нескольких десятков минут. Такие ограничения определялись несовершенством конструкции двигателя и слабой изученностью процессов энергопреобразования. Поочередное питание обмоток осуществлялось с использованием ненадежных контактных устройств, что снижало ресурс и надежность работы. Появление полупроводниковых бесконтактных приборов положило начало современному этапу развития электромагнитного привода. Данный этап характеризуется совершенствованием конструктивных схемных решений, обеспечивающих повышение эксплуатационных показателей за счет снижения энергопотребления, повышения силовых и энергетических показателей и способов питания и управления ЛЭМД. Все это позволило занять ЛЭМД более устойчивые позиции в сложившейся уже к этому времени номенклатуре электрических двигателей и выделить их в отдельный класс двигателей в соответствии с Международной классификационной системой. В действующей редакции Международной патентной классификации (ПМК) линейный электромагнитный двигатель как объект области знаний идентифицируется в трех основных рубриках: 1) H02K 33/00 - двигатели с возвратно-поступательным, колебательным или вибрационным движением магнита, якоря или системы катушек; 2) B25D 13/00 - переносные ударные инструменты с электромагнитным приводом; 3) B21J 7/30 - молоты, ударные ковочные машины с молотами или пресс-формами ударного действия приводимых в действие электромагнитными средствами. Опыт эксплуатации электромагнитных машин в различных отраслях промышленности в России и за рубежом позволил выявить наиболее перспективные области их дальнейшего использования. Проблемой создания электромагнитных двигателей наиболее интенсивно занимались в США, Англии, Франции, Германии и Италии, подобные разработки проводились в Японии. Широкое применение электромагнитные двигатели получили в машинах ударного и прессового действия при механизации операций динамической поверхностной и пластической деформации. Однако массовое внедрение такого оборудования в производство сдерживалось из-за отсутствия целенаправленных исследований и рекомендаций по его проектированию. Несмотря на положительный опыт зарубежных фирм ФРГ, Англии и Франции по организации серийного выпуска оборудования с ЛЭМД, следует отметить что, как правило, оно создавалось на базе случайных и малопригодных для этих целей электромагнитных двигателей. В результате появлялись громоздкие малопроизводительные конструкции, обладающие низкой надежностью из-за повышенного перегрева. В России отечественные разработки с ЛЭМД долгое время осуществлялись, в основном, в порядке рационализаторских предложений в виде единичных экземпляров. Массовое промышленное применение разработки с ЛЭМД получили только в начале 70-ых годов прошлого столетия. Анализ конструкций прессового оборудования с электромагнитными двигателями с усилием до 10 кН, разработанного и внедренного для операций пластического деформирования металла, в том числе на предприятиях г. Новосибирска, показали их высокую надежность и экономичность. Обеспечивая качественное выполнение технологических операций, оборудование на базе электромагнитных двигателей является более простым по устройству и надежным в эксплуатации, имеет более низкую себестоимость при изготовлении, не требует высокой квалификации рабочего и обслуживающего персонала. Применение устройств с ЭМД в таких операциях, как клеймение и маркировка вместо обычно используемых кривошипных, пневмо- и гидропрессов, осуществляющих прямолинейное движение рабочих органов, позволяет значительно снизить уровень шума и повысить производительность труда. В настоящее время ЛЭМД ударного действия находят всё большее практическое применение для реализации технологических процессов требующих большие по величине и кратковременные по времени усилия [7-9]. Среди класса электромагнитных машин с ЛЭМД наибольшее практическое применение получили низкочастотные синхронные электромагнитные машины, для которых частота колебаний ударной массы (бойка) кратна частоте питающей сети [10-13]. Сложившаяся за последние десятилетия тенденция применения вариантов схем машин с ЛЭМД рассмотрена в работах [14-17]. Расширение области использования этих машин непосредственно связано с основами их рационального конструирования и совершенствования инженерных методик по их расчету и проектированию [18-27]. Также сегодня уделяется особое внимание вопросам, связанным с нагревом и охлаждением ЛЭМД [28-35]. Анализ результатов исследований по реализации новых рабочих циклов, режимов работы и конструктивных схем машин с ЛЭМД позволяет улучшить их силовые и энергетические показатели [36, 37]. Выводы. Импульсные линейные электромагнитные машины на базе ЛЭМД, являясь специальными электрическими машинами, получили широкое практическое применение для реализации импульсных технологий в промышленности. Исторический этап в развитии конструкций импульсных ЛЭМД как отдельного класса машин выявил широкий спектр возможностей по энергетическим показателям (энергии единичного удара до 100 кДж и ударной мощности до 40 кВт).