Электромагнитная машина ударного действия

(51) 02 7/02 (2010.01) 21 37/18 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Изобретение относится к электромагнитным ударным машинам,предназначенным для разрушения горных пород в массиве, негабаритов, а также для измельчения бетонных блоков, асфальта и т.д. Задачей предполагаемого изобретения является создание более эффективной системы охлаждения обмоток электромагнитной машины ударного действия. Для этого в предлагаемой электромагнитной машине ударного действия, содержащей корпус,ферромагнитный якорь, размещенный внутри направляющей трубы с возможностью продольного перемещения и охватывающий силовые электромагниты, каждый из которых включает многослойную обмотку и закреплен внутри корпуса посредством двух элементов крепления,коммутирующее устройство и рабочий инструмент,выполнена система принудительного охлаждения обмоток секций.(72) Едыгенов Ерик Казтаевич Ляшков Владимир Иванович Неборокова Надежда Николаевна Едыгенова Зара Васильевна(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт горного дела им. Д.А. Кунаева Республиканского государственного предприятия Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан 24307 Изобретение относится к электромагнитным ударным машинам,предназначенным для разрушения горных пород в массиве, негабаритов, а также для измельчения бетонных блоков, асфальта и т.д. Известна многокаскадная электромагнитная машина ударного действия, состоящая из силовых электромагнитов, размещенных один за другим вдоль продольной оси машины, концевых и промежуточных датчиков положения,обеспечивающих соответственно обратный и прямой ход ферромагнитного якоря в направляющей немагнитной трубе, рабочего инструмента и системы питания и управления машиной (Ляшков В.И., Джакупбаев А.Н. и др. Многокаскадная электромагнитная машина возвратно - поступательного движения, В сб. Электрические импульсные системы. МатериалыВсесоюзного совещания по проблеме Силовые импульсные системы, Новосибирск, 1976, с.137141). Размещение силовых электромагнитов один за другим вдоль продольной оси машины увеличивает ее габарит по высоте, что затрудняет использование такой машины в условиях горного производства. Указанный недостаток устранен в электромагнитной машине ударного действия (в дальнейшем ЭМУД),содержащей ферромагнитный якорь, выполненный из двух частей - верхней подвижной и нижней неподвижной части и в котором симметрично его продольной оси выполнены четыре сквозных продольных отверстия,в которых расположены силовые электромагниты,закрепленные в направляющей трубе посредством немагнитных верхнего и нижнего кронштейнов, и состоящие из обмотки, магнитопровода и ферромагнитных верхнего и нижнего полюсов,коммутирующее устройство и рабочий инструмент. В нижней неподвижной части якоря выполнено дополнительное отверстие, в котором установлен рабочий инструмент. Нижняя неподвижная часть якоря со стороны его верхней подвижной части покрыта диамагнитным упругим материалом. Верхняя подвижная часть якоря снабжена выступом 15617 Электромагнитная машина ударного действия по заявке 2003/1318.1 от 07.10.2003). Выполнение якоря с продольными сквозными отверстиями, в которых расположены силовые электромагниты, уменьшает габариты ЭМУД. Однако, выполнение ферромагнитного якоря из двух частей - верхней подвижной и нижней неподвижной, превращает силовой электромагнит ударной машины из длинноходового электромагнита в короткоходовой электромагнит со стопом, в котором роль стопа выполняет нижняя неподвижная часть якоря, а рабочий зазор, на котором ферромагнитный якорь разгоняется под воздействием электромагнитных сил,имеет небольшие (порядка 1-2 см) значения. По этой причине создавать на базе короткоходовых электромагнитов ударные машины не только 2 большой, но даже средней ударной мощности крайне нерационально. Связано это с большими значениями токов, которые необходимо было бы пропускать по обмоткам, а значит с проблемой охлаждения этих обмоток, их механической прочности и компенсации реактивных сил,воздействующих на подвеску самой ударной машины. Все это сужает область использования данной ЭМУД. Этот недостаток устранен в известном наиболее близком техническом решении, в котором ЭМУД содержит корпус в виде направляющей трубы с верхней и нижней крышками, внутренняя полость которого сообщена с атмосферой, ферромагнитный якорь, размещенный внутри направляющей трубы с возможностью продольного перемещения и охватывающий силовые электромагниты, каждый из которых включает многослойную обмотку,изолированно размещенную на магнитопроводе с верхним и нижним ферромагнитными полюсами на концах, и каждый из которых с зазором расположен в соответствующем сквозном продольном отверстии, выполненном в ферромагнитном якоре,симметрично друг другу относительно продольной оси ударной машины, и закреплен внутри корпуса посредством двух элементов крепления (двух кронштейнов), выполненных в виде стержней, один из которых установлен между верхним ферромагнитным полюсом магнитопровода и верхней крышкой корпуса, а другой - между нижним ферромагнитным полюсом магнитопровода и нижней крышкой корпуса, коммутирующее устройство и рабочий инструмент (А.с.1288262,СССР, Е 02 7/02). При пропускании тока по многослойной обмотке силового электромагнита в этой обмотке выделяется тепло. Это тепло в виде теплового потока устремляется к менее нагретым участкам самой обмотки и через нее к элементам конструкции силового электромагнита, на котором она размещена, то есть к наружному поверхностному слою обмотки, ее торцам и к магнитопроводу с полюсами на концах. Однако по мере нагрева магнитопровода и его полюсов тепловой поток от внутренних слоев обмотки в сторону магнитопровода и его полюсов уменьшается, а естественное охлаждение обмотки,используемое в данной ЭМУД, не позволяет эффективно отводить выделяемое в обмотке тепло как от наружного поверхностного слоя обмотки, так и от магнитопровода с полюсами на концах. Все это снижает продолжительность включения ударной машины, а значит ее производительность. Задачей предполагаемого изобретения является создание более эффективной системы охлаждения обмоток электромагнитной машины ударного действия. Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение производительности электромагнитной машины ударного действия путем увеличения продолжительности включенного состояния 24307 машины за счет использования более эффективной системы охлаждения ее обмоток. Для этого в предлагаемой ЭМУД, содержащей корпус в виде направляющей трубы с верхней и нижней крышками, внутренняя полость которого сообщена с атмосферой, ферромагнитный якорь,размещенный внутри направляющей трубы с возможностью продольного перемещения и охватывающий силовые электромагниты, каждый из которых включает многослойную обмотку,изолированно размещенную на магнитопроводе с верхним и нижним ферромагнитными полюсами на концах, и каждый из которых с зазором расположен в соответствующем сквозном продольном отверстии, выполненном в ферромагнитном якоре,симметрично друг другу относительно продольной оси ударной машины, и закреплен внутри корпуса посредством двух элементов крепления,выполненных в виде стержней, один из которых установлен между верхним ферромагнитным полюсом магнитопровода и верхней крышкой корпуса, а другой - между нижним ферромагнитным полюсом магнитопровода и нижней крышкой корпуса, коммутирующее устройство и рабочий инструмент, на верхнем ферромагнитном полюсе магнитопровода каждого силового электромагнита выполнена охватывающая элемент крепления кольцевая камера,состоящая из боковой гармонеобразной стенки и двух оснований верхнего,выполненного с возможностью перемещения вдоль элемента крепления и содержащего клапан одностороннего действия, и нижнего,жестко связанного с верхним ферромагнитным полюсом магнитопровода и через которое проходит элемент крепления с образованием кольцевого канала между этим основанием кольцевой камеры и боковой поверхностью элемента крепления, в обмотке,разделенной на секции, между последними установлены контактирующие с торцами обмоток этих секций теплопроводящие элементы,выполненные в виде тонкостенных полукольцевых пластин, и элементы фиксации обмоток секций,представляющие собой наружные и внутренние полукольцевые распорки,установленные соответственно по наружному и внутреннему краям тонкостенных полукольцевых пластин,с образованием воздушных полостей между упомянутыми тонкостенными полукольцевыми пластинами,а в средней части каждой полукольцевой распорки, как наружной так и внутренней, выполнены каналы в виде сквозных прорезей, вдоль продольной оси магнитопровода каждого силового электромагнита выполнен центральный канал в виде сквозного отверстия, а в теле каждого из этих магнитопроводов напротив каждой сквозной прорези,принадлежащей внутренней полукольцевой распорке, выполнены боковые каналы, каждый из которых сообщен с центральным каналом магнитопровода и, через соответствующую сквозную прорезь во внутренней полукольцевой распорке, с соответствующей воздушной полостью между тонкостенными полукольцевыми пластинами, кроме того, в теле магнитопровода каждого силового электромагнита выполнены дополнительные воздухопроводы,которые сообщены с центральным каналом магнитопровода и, через кольцевой канал в нижнем основании кольцевой камеры, с внутренней полостью этой камеры, при этом ферромагнитный якорь тягами, выполненными из немагнитного материала, жестко связан с верхним основанием каждой кольцевой камеры, а упомянутые выше воздушные полости между тонкостенными полукольцевыми пластинами через соответствующие сквозные прорези, выполненные в наружных полукольцевых распорках, и через внутреннюю полость корпуса ударной машины сообщены с атмосферой. В результате упомянутых отличительных признаков ЭМУД приобрела иное свойство,которым она не обладалараньше, и суть которого заключается в том, что появилась возможность принудительного отвода тепла как от внешней поверхности обмотки, так и от внутренней ее поверхности, контактирующей через слой изоляции с магнитопроводом, на котором она размещена, а также и с ее торцов. В результате чего повысилась эффективность охлаждения обмоток, а значит,увеличилась продолжительность включения ударной машины и,как следствие,ее производительность. Выполнение на верхнем ферромагнитном полюсе магнитопровода каждого силового электромагнита охватывающей элемент крепления кольцевой камеры, состоящей из боковой гармонеобразной стенки и двух оснований верхнего,выполненного с возможностью перемещения вдоль элемента крепления и содержащего клапан одностороннего действия, и нижнего,жестко связанного с верхним ферромагнитным полюсом магнитопровода и через которое проходит элемент крепления с образованием кольцевого канала между этим основанием кольцевой камеры и боковой поверхностью элемента крепления, а также выполнение жесткой связи ферромагнитного якоря тягами, выполненными из немагнитного материала,с верхним основанием каждой кольцевой камеры позволило создать систему принудительного(напорного) перемещения хладагента (в нашем случае воздуха) электромагнитного типа. Установка в обмотке, разделенной на секции,между последними контактирующих с торцами обмоток этих секций теплопроводящих элементов,выполненных в виде тонкостенных полукольцевых пластин, установка элементов фиксации обмоток секций, представляющих собой наружные и внутренние полукольцевые распорки,установленные соответственно по наружному и внутреннему краям тонкостенных полукольцевых пластин, с образованием воздушных полостей между этими пластинами, и выполнение в средней части каждой полукольцевой распорки, как наружной так и внутренней, канала в виде сквозной 3 24307 прорези улучшают теплоотвод с торцов обмоток секций, а значит и всей обмотки в целом. Выполнение вдоль продольной оси магнитопровода каждого силового электромагнита центрального канала, а также выполнение в теле каждого из этих магнитопроводов напротив каждой сквозной прорези, принадлежащей внутренней полукольцевой распорке, боковых каналов, каждый из которых сообщен с центральным каналом магнитопровода и через соответствующую сквозную прорезь во внутренней полукольцевой распорке с соответствующей воздушной полостью между тонкостенными полукольцевыми пластинами, и сообщение этих воздушных полостей через соответствующие сквозные прорези,выполненные в наружных полукольцевых распорках и через внутреннюю полость корпуса ударной машины с атмосферой в совокупности с выполнением в теле магнитопровода каждого силового электромагнита дополнительных воздухопроводов, которые сообщены с центральным каналом магнитопровода и через кольцевой канал в нижнем основании кольцевой камеры с внутренней полостью этой камеры, позволило принудительно, а значит более эффективно отводить тепло,выделяемое в обмотке с ее внутренней, наружной и торцевых поверхностей. Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена электромагнитная машина ударного действия (продольный разрез) при верхнем крайнем положении ферромагнитного якоря, на фиг. 2 изображено то же самое, но при нижнем крайнем положении ферромагнитного якоря, на фиг. 3 сложный разрез фиг. 1 (сечение А - А фиг. 1) и на фиг. 4 - сечение Б - Б фиг. 1. Электромагнитная машина ударного действия содержит (фиг. 1-4) корпус в виде направляющей трубы 1 с верхней 2 и нижней 3 крышками,внутренняя полость которого через отверстия 4 сообщена с атмосферой, ферромагнитный якорь 5,размещенный с зазором 1 внутри направляющей трубы 1 с возможностью продольного перемещения и охватывающий силовые электромагниты 6,каждый из которых включает многослойную обмотку 7, изолированно размещенную на магнитопроводе 8 с верхним 9 и нижним 10 ферромагнитными полюсами на его концах, и каждый из которых с зазором 2 (фиг. 2, 3, 4) расположен в соответствующем сквозном продольном отверстии 11 (фиг. 1, 3), выполненном в ферромагнитном якоре 5, симметрично друг другу относительно продольной оси ударной машины, и закреплен внутри корпуса посредством двух элементов крепления 12 и 13, выполненных в виде стержней, один из которых (стержень 12) установлен между верхним полюсом 9 магнитопровода 8 и верхней крышкой 2 корпуса, а другой (стержень 13) - между нижним полюсом 10 магнитопровода 8 и нижней крышкой 3 корпуса,коммутирующее устройство КУ и рабочий инструмент 14. На верхнем ферромагнитном полюсе 9 каждого силового электромагнита 6 выполнена 4 охватывающая элемент крепления 12 кольцевая камера 15, состоящая из боковой гармонеобразной стенки 16 и двух оснований - верхнего 17,выполненного с возможностью перемещения вдоль элемента крепления 12 и содержащего клапан 18 одностороннего действия, и нижнего основания 19,жестко связанного с верхним полюсом 9 и через которое проходит элемент крепления 12 с образованием кольцевого канала 20 между этим основанием 19 кольцевой камеры 15 и боковой поверхностью элемента крепления 12. В обмотке 7, разделенной на секции 21, между последними установлены контактирующие с торцами обмоток этих секций 21 теплопроводящие элементы 22, выполненные в виде тонкостенных полукольцевых пластин 23, и элементы фиксации 24 обмоток секций 21, представляющие собой наружные 25 и внутренние 26 полукольцевые распорки, установленные соответственно по наружному и внутреннему краям тонкостенных полукольцевых пластин 23, с образованием воздушных полостей 27 между этими пластинами 23(фиг. 1, 2, 3). В средней части каждой наружной полукольцевой распорки 25, выполнен канал 28, а в средней части каждой внутренней полукольцевой распорки 26 выполнен канал 29. Каналы 28 и 29 выполнены в виде сквозных прорезей соответственно 28 и 29 (фиг. 3). Вдоль продольной оси магнитопровода 8 каждого силового электромагнита 6 выполнен центральный канал 30 в виде сквозного отверстия, а в теле каждого из этих магнитопроводов 8 напротив каждой сквозной прорези 29, принадлежащей внутренней полукольцевой распорке 26, выполнены боковые каналы 31, каждый из которых сообщен с центральным каналом 30 магнитопровода 8 и через соответствующую сквозную прорезь 29 во внутренней полукольцевой распорке 26 с соответствующей воздушной полостью 27 между тонкостенными полукольцевыми пластинами 23. Кроме того, в теле магнитопровода 8 каждого силового электромагнита 6 выполнены дополнительные воздухопроводы 32, которые сообщены с центральным каналом 30 и через кольцевой канал 20 в нижнем основании 19 кольцевой камеры 15 с внутренней полостью 33 этой камеры. Ферромагнитный якорь 5 тягами 34,выполненными из немагнитного материала, жестко связан с верхним основанием 17 каждой кольцевой камеры 15. Воздушные полости 27 между тонкостенными полукольцевыми пластинами 23 через соответствующие сквозные прорези 28,выполненные в наружных полукольцевых распорках 25, через внутреннюю полость корпуса ударной машины и через отверстия 4 в верхней крышке 2 сообщены с атмосферой. Дополнительных воздухопроводов 32 в каждом магнитопроводе 8 выполнено по 4, они равномерно распределены по окружности. Ферромагнитный якорь 5 жестко связан с верхним основанием 17 каждой кольцевой камеры 15 двумя тягами 34, 24307 находящимися на диаметрально противоположных сторонах относительно основания 17. Количество воздухопроводов 32 и тяг 34 может быть иным. Кроме того, должно быть выполнено условие 21(фиг. 2, 3, 4). Это необходимо чтобы исключить механическое воздействие на силовые электромагниты 6 со стороны подвижного ферромагнитного якоря 5 при смещении последнего во время его перемещения в направляющей трубе 1. В рассматриваемом устройстве ширина каналов(сквозных прорезей) 28 и 29 выбрана одинаковой, а длина этих каналов определена длиной соответствующих дуг, относящихся к одному и тому же центральному углу с вершиной в точке пересечения каналов 30 и 31, который на фиг. 3 обозначен через . Сечения каналов 28 и 29 при этом получаются разными, причем сечения каналов 28 больше сечения каналов 29. В предлагаемом устройстве уголвыбран равным 30. Каналы 28 и 29 могут быть выполнены и одинакового сечения. Устройство работает следующим образом. В зависимости от энергии, которую необходимо получить при ударе, напряжение при помощи коммутирующего устройства КУ (фиг. 1) подается на два, симметрично расположенных, или на все четыре силовых электромагнита 6. В каждом из включенных электромагнитов 6 возникает магнитное поле. При этом магнитные поля всех включенных силовых электромагнитов 6 одновременно воздействуют на ферромагнитный якорь 5. В результате чего якорь 5 начинает ускоренно двигаться в сторону рабочего инструмента 14. С момента начала движения якоря 5 в сторону рабочего инструмента 14 через тяги 34 и верхнее основание 17 усилие начинает передаваться на все кольцевые камеры 15. Последние, вследствие наличия у них боковой гармонеобразной стенки 16,начинают сжиматься. Это приводит к увеличению давления в полости 33 и к закрытию клапана 18 одностороннего действия. С момента закрытия клапана 18 воздух из полости 33 каждой кольцевой камеры 15 начинает выталкиваться в атмосферу по схеме полость 33 кольцевой канал 20 - воздухопроводы 32 центральный канал 30 - боковые каналы 31 сквозные прорези 29 - полости 27 - сквозные прорези 28 - полость корпуса ударной машины отверстия 4 в верхней крышке - атмосфера. Так продолжается до тех пор, пока якорь 5 не достигнет вначале конца обмотки 7, в этот момент с помощью коммутирующего устройства КУ прекращается подача на нее напряжения, а затем,двигаясь по инерции, и своего крайнего нижнего положения (фиг. 2). В этот момент наносится удар по инструменту 14, кольцевая камера 15 максимально сжимается и с помощью коммутирующего устройства КУ вновь подается напряжение на обмотки 7 всех силовых электромагнитов. Ферромагнитный якорь 5 начинает двигаться в обратную сторону. С этого момента в полости 33 кольцевой камеры 15 устанавливается пониженное, по сравнению с атмосферным, давление. В результате клапан 18 открывается и атмосферный воздух через отверстия 4 в крышке 2, полость корпуса ударной машины и открытый клапан 18 начинает поступать в полость 33 кольцевой камеры 15. Это будет продолжаться до тех пор, пока якорь 5 не достигнет вначале конца обмотки 7, в этот момент с помощью коммутирующего устройства прекращается подача на нее напряжения, а затем,двигаясь по инерции, и своего крайнего верхнего положения (фиг. 1). В этот момент прекращается подача атмосферного воздуха в полость 33 и с помощью коммутирующего устройства вновь подается напряжение на обмотки 7 всех силовых электромагнитов и описанные выше процессы повторяются. Таким образом, из рассмотренной работы устройства следует, что в предложенной ЭМУД осуществлено принудительное движение воздуха по рассмотренной выше схеме, что повышает эффективность отвода тепла с наружных,внутренних и торцевых поверхностей обмоток отдельных секций, а значит и обмотки силового электромагнита в целом. Это позволит увеличить продолжительность включения ударной машины, а значит и ее производительность. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Электромагнитная машина ударного действия,содержащая корпус в виде направляющей трубы с верхней и нижней крышками, внутренняя полость которого сообщена с атмосферой, ферромагнитный якорь, размещенный внутри направляющей трубы с возможностью продольного перемещения и охватывающий силовые электромагниты, каждый из которых включает многослойную обмотку,изолированно размещенную на магнитопроводе с верхним и нижним ферромагнитными полюсами на его концах, и каждый из которых с зазором расположен в соответствующем сквозном продольном отверстии,выполненном в ферромагнитном якоре, симметрично друг другу относительно продольной оси ударной машины, и закреплен внутри корпуса посредством двух элементов крепления, выполненных в виде стержней, один из которых установлен между верхним полюсом магнитопровода и верхней крышкой корпуса, а другой - между нижним полюсом магнитопровода и нижней крышкой корпуса, коммутирующее устройство и рабочий инструмент, отличающаяся тем, что на верхнем полюсе магнитопровода каждого силового электромагнита выполнена охватывающая элемент крепления кольцевая камера, состоящая из боковой гармонеобразной стенки и двух оснований верхнего,выполненного с возможностью перемещения вдоль элемента крепления и содержащего клапан одностороннего действия, и нижнего, жестко связанного с верхним полюсом магнитопровода и через которое проходит элемент крепления с образованием кольцевого канала между этим основанием кольцевой камеры и боковой 5 24307 поверхностью элемента крепления, в обмотке,разделенной на секции, между последними установлены контактирующие с торцами обмоток этих секций теплопроводящие элементы,выполненные в виде тонкостенных полукольцевых пластин, и элементы фиксации обмоток секций,представляющие собой наружные и внутренние полукольцевые распорки,установленные соответственно по наружному и внутреннему краям тонкостенных полукольцевых пластин,с образованием воздушных полостей между этими пластинами,а в средней части каждой полукольцевой распорки, как наружной так и внутренней, выполнены каналы в виде сквозных прорезей, вдоль продольной оси магнитопровода каждого силового электромагнита выполнен центральный канал в виде сквозного отверстия, а в теле каждого из этих магнитопроводов напротив каждой сквозной прорези,принадлежащей внутренней полукольцевой распорке, выполнены боковые каналы, каждый из которых сообщен с центральным каналом магнитопровода и через соответствующую сквозную прорезь во внутренней полукольцевой распорке с соответствующей воздушной полостью между тонкостенными полукольцевыми пластинами, кроме того, в теле магнитопровода каждого силового электромагнита выполнены дополнительные воздухопроводы,которые сообщены с центральным каналом магнитопровода и через кольцевой канал в нижнем основании кольцевой камеры с внутренней полостью этой камеры, при этом ферромагнитный якорь тягами, выполненными из немагнитного материала, жестко связан с верхним основанием каждой кольцевой камеры, а упомянутые выше воздушные полости между тонкостенными полукольцевыми пластинами через соответствующие сквозные прорези, выполненные в наружных полукольцевых распорках, и через внутреннюю полость корпуса ударной машины сообщены с атмосферой.