Новосибирский государственный технический университет
ISSN (печатный вариант): 2073-0071
линейные электромагнитные двигатели, электромагнитные машины, линейный электропривод, исторические этапы развития, electromagnetic linear motors, electromagnetic machines, linear actuator, historical stages of development
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.
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).
(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.