Недостатками описанной конструкции является колебательный режим разряда конденсатора, при котором ток, проходящий через катушку, представляет собой одну полуволну разрядного импульса тока конденсатора. Данный режим разряда конденсатора является энергетически невыгодным, так как приводит к возникновению дополнительных токов, протекающих в зарядном устройстве, что в свою очередь приводит к понижению КПД электродинамического привода в целом. Кроме того, используемые в качестве коммутирующего устройства тиристоры имеют ограничения по скорости нарастания тока. Превышение скорости нарастания разрядного тока в обмотке катушки приводит к необходимости увеличения мощности коммутационного устройства для предотвращения его теплового пробоя.

В основу изобретения поставлена задача создания такого электродинамического привода, который за счет простоты и эффективности конструкции, а также за счет подбора и согласования параметров источника электрической энергии с параметрами конструктивных элементов привода, позволит обеспечить высокий уровень КПД, что в свою очередь позволит создать требуемый импульс механической силы, снизить энергоемкость устройства, а также позволит обеспечить требуемое быстродействие, частоту срабатывания устройства и требуемую точность работы.

Поставленная задача решается тем, что электродинамический привод, в котором электрическая энергия преобразуется в линейное перемещение толкателя привода, включающий электрическую катушку и электропроводящий якорь выполненный из неферромагнитного материала по крайней мере в той части якоря, в которую проникает магнитное поле катушки, взаимодействующий с катушкой при подключении катушки к импульсному источнику электрической энергии, содержащему конденсатор с подключенным к нему коммутирующим устройством с блоком управления, при этом включает N электрических катушек, при этом N≥1, и K электропроводящих якорей, при этом K≥1 а коммутирующее устройство выполнено с возможностью обеспечения частичного разряда конденсатора в апериодическом режиме разряда.

Обеспечение конструкцией электродинамического привода преобразования электрической энергии в линейное перемещение толкателя привода позволяет обеспечить заданные перемещения в течение очень коротких и точно обозначенных промежутков времени. В качестве импульсного источника электрической энергии применяется конденсатор с подключенным к нему коммутирующим устройством с блоком управления.

Предпочтительным является использование апериодического режима разряда конденсатора. При апериодическом режиме разряда конденсатора ток в катушке электродинамического привода нарастает быстрее, чем при колебательном режиме, при равенстве начальных напряжений заряда конденсатора. При больших скоростях изменения тока в катушке увеличивается амплитуда тока в якоре и соответственно растет величина импульса механической силы, что позволяет обеспечить высокий уровень КПД, а также требуемое быстродействие, частоту срабатывания устройства и требуемую точность работы. Целесообразно отключать катушку электродинамического привода от конденсатора до или близко к моменту достижения током катушки максимального значения в области максимальной скорости нарастания тока. К этому моменту напряжение на конденсаторе изменяется незначительно и достигается наибольшая эффективность электродинамического привода.

При апериодическом разряде конденсатора на катушку электродинамического привода даже при малой величине индуктивности катушки можно одновременно получить высокую величину КПД и развиваемой электродинамическим приводом силы. Достигается это следующим образом. В зоне нарастания тока через катушку электродинамического привода при малом изменении напряжения на конденсаторе, катушка электродинамического привода последовательно несколько раз отключается и подключается к конденсатору на короткое время. Электродинамический привод при этом вырабатывает несколько импульсов силы с высоким КПД каждого импульса, требуемый же общий импульс силы обеспечивается сложением нескольких последовательных импульсов силы. Такое управление мощностью привода физически реализуется за счет протекающего процесса широтно-импульсной модуляции.

В независимости от параметров катушки и якоря электродинамического привода при апериодическом разряде электролитического конденсатора может быть получен более выгодный режим работы электродинамического привода, чем при колебательном режиме разряда конденсатора.

Кроме того, при использовании апериодического режима разряда конденсатора становится возможным использование энергоемких электролитических конденсаторов, для которых режим неглубокого разряда соответствует их обычному режиму работы в качестве фильтра в блоках питания.

Управление усилием, развиваемым электродинамическим приводом, осуществляется в слаботочной цепи управления временем открытия и закрытия коммутирующего устройства, а не путем управления напряжением заряда конденсатора, что обеспечивает существенные преимущества электродинамического привода указанной конструкции по частоте срабатывания устройства и требуемой точности работы, значительно уменьшает сложность и стоимость коммутирующего устройства.

В качестве коммутирующего устройства целесообразно использование транзистора. Наибольшая эффективность электродинамического привода достигается при больших скоростях изменения тока в катушке. Поэтому целесообразно отключать катушку электродинамического привода от конденсатора до или близко к моменту достижения током катушки максимального значения. К этому моменту напряжение на конденсаторе изменяется незначительно. Такая коммутация катушки электродинамического привода и емкостного накопителя дает следующие принципиальные преимущества работы электродинамического привода: многократным подключением-отключением конденсатора в точке максимального энергетического КПД можно обеспечить требуемую величину механического усилия электродинамического привода для достижения максимально возможного КПД при оптимальном сочетании других параметров электродинамического привода. Осуществление коммутации такого типа, обеспечивающей все вышеуказанные преимущества электродинамического привода, обеспечивается именно за счет использования транзисторов.

Предпочтительным является использование транзисторов, выполненных по IGBT технологии (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). IGBT транзистор представляет собой биполярный транзистор с изолированным затвором - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. Кроме того, применение коммутирующего устройства указанного типа позволяет осуществлять позиционирование электродинамического привода путем подачи серии импульсов тока на катушку с током.

Толкателем электродинамического привода может выступать как электрическая катушка, так и электропроводящий якорь. Якорь может быть выполнен в форме цилиндра (гильзы) или диска. Такое конструктивное исполнение электродинамического привода позволяет применять его в различных областях техники и в устройствах различного назначения. Целесообразно для изготовления электропроводящего якоря применять неферромагнитный материал по крайней мере в той части якоря, в которую проникает магнитный поток, создаваемый током катушки. Такое исполнение якоря исключает возможность возникновения импульса механической силы, обратного по направлению импульсу силы, создаваемому взаимодействием тока диска с магнитным полем катушки с током, что в свою очередь позволяет обеспечить высокий уровень КПД электропривода, а, следовательно, позволит обеспечить требуемое быстродействие, частоту срабатывания устройства и требуемую точность работы. Предпочтительно выполнение электропроводящего якоря с диаметром, близким к диаметру катушки. Это обусловлено тем, что выполнение электропроводящего якоря, например, в форме прямоугольной пластины с диагоналями большими чем диаметр катушки, приводит к возникновению в электропроводящем якоре импульса силы, имеющего направление, обратное импульсу силы отталкивания, что в свою очередь приводит к снижению КПД устройства, а следовательно к снижению быстродействия, допустимой частоты срабатывания устройства и точности работы.

Якорь может быть выполнен с плоским торцом или может иметь кольцевую канавку на торце, обращенном к катушке, при этом якорь расположен на катушке таким образом, что обеспечивается охват катушки до плоскости симметрии катушки, которая перпендикулярна оси катушки. Предпочтительно выполнение электродинамического привода с высотой электрической катушки менее 3 мм. КПД процесса передачи электрической энергии от конденсатора в диск электродинамического привода падает при большой высоте катушки. Возникновение вихревого тока в диске создает магнитное поле диска, которое направлено навстречу магнитному полю катушки и приводит к уменьшению магнитного поля катушки, вытесняя его в противоположную от диска часть катушки. В результате магнитное поле в диске, с которым взаимодействуют вихревые токи диска, уменьшается и вследствие этого уменьшается механическая сила, зависящая от взаимодействия вихревого тока с магнитным полем, созданным в катушке. Выполнение электрической катушки с высотой менее 3 мм позволяет предотвратить указанный неблагоприятный эффект. Кроме того, предпочтительным является выполнение электродинамического привода с диаметром катушки менее 20 мм, и соответственно электропроводящего диска с диаметром менее 20 мм. При равенстве диаметров катушки и диска, с уменьшением этих диаметров до наиболее предпочтительных максимальная амплитуда импульса силы растет и при диаметре менее 20 мм имеет максимальную величину. При величине диаметров более 20 мм происходит значительное снижение эффективности электродинамического привода вследствие снижения величины импульса механической силы, что приводит к снижению уровня КПД, что в свою очередь не позволяет обеспечить требуемое быстродействие, частоту срабатывания устройства и требуемую точность работы.

Предпочтительным является выполнение катушки с обмоткой, выполненной из ленты прямоугольного сечения, широкая сторона ленты которой при этом размещена в плоскости, перпендикулярной оси катушки. При этом становится возможной конструкция электродинамического привода, у которого отсутствует специальный слой изоляции между обмоткой катушки и поверхностью диска, что позволяет дополнительно увеличить величину коэффициента магнитной связи.В используемых конструкциях электродинамических приводов известно применение катушки, обмотка которой выполнена из ленты прямоугольного сечения. При этом увеличивается коэффициент заполнения объёма катушки электропроводящим материалом, соответственно, уменьшается активное омическое сопротивление обмотки катушки, увеличивается коэффициент магнитной связи, так как катушка может быть выполнена меньшей толщины по сравнению с катушкой, обмотка которой выполнена из провода круглого сечения. В известных конструкциях обмотка катушки из ленты прямоугольного сечения выполняется таким образом, что широкая сторона ленты находится в плоскости, параллельной оси катушки. Это является существенным недостатком данной конструкции обмотки катушки, при применении в электродинамическом приводе по множеству причин. Действующая частота разрядного тока конденсатора, протекающего через обмотку катушки, вызывает эффект вытеснения тока в сечении витка. В применяемой плоской катушке этот эффект вытеснения тока будет пропорционален тому размеру ленты витка, который находится в плоскости, параллельной оси катушки. Таким образом, эффект вытеснения тока в рассматриваемой катушке будет пропорционален ширине ленты. При реальных действующих частотах тока разряда конденсатора, эффект вытеснения тока приводит к возрастанию активного омического сопротивления обмотки катушки в несколько раз. Эффективность и КПД электродинамического привода с катушкой такой конструкции существенно уменьшаются.

Также привод может содержать одну электрическую катушку и два электропроводящих якоря, при этом толкателем может являться либо один из указанных электропроводящих якорей, либо оба якоря одновременно. Также привод может содержать две электрические катушки и один электропроводящий якорь, при этом катушки подключаются к источнику импульса тока попеременно для обеспечения работы привода, как в прямом, так и в обратном направлении. Также привод может содержать набор последовательно установленных катушек и якорей, при этом толкателями могут являться один или оба из крайних якорей или катушек. Таким образом, при указанных конструкциях электродинамического привода количество N катушек или K электропроводящих якорей будет больше 1.

Целесообразно выполнение электропроводящего якоря с соотношением между его индуктивным и активным сопротивлениями при эквивалентной действующей частоте не менее 5. Это связано с тем, что при увеличении действующей частоты тока в якоре ток перестает быть равномерно распределённым по сечению якоря. Плотность тока становится больше в слоях, находящихся ближе всего к поверхности якоря прилегающей к катушке. Физически это соответствует увеличению удельного активного сопротивления материала якоря. Если активное сопротивление якоря будет близко к индуктивному сопротивлению, равно или больше его, эффективность работы привода будет резко падать. Это объясняется сдвигом по фазе вектора импульса наведенного тока в якоре относительно вектора импульса тока в катушке в процессе разряда емкостного накопителя, соответственно смещаются максимальные значения индукции магнитного поля в катушке и наведенного тока в якоре. Что приводит к уменьшению механической силы, которая определяется взаимодействием тока в якоре с магнитным полем катушки в рассматриваемый момент времени.

Предпочтительно выполнения якоря из материала, имеющего удельное омическое сопротивление менее 2,7⋅10-8 Ом⋅м. С увеличением активного омического сопротивления диска, наводимый в диске вихревой ток уменьшается и, соответственно, уменьшается импульс механической силы и КПД электродинамического привода. Экспериментально установлено, что при превышении максимального удельного омического сопротивления материала диска, имеющего значение 2,7⋅10-8 Ом⋅м, наводимый в якоре вихревой ток резко уменьшается, и, соответственно, уменьшаются развиваемый импульс механической силы и КПД электродинамического привода.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез одного из вариантов выполнения электродинамического привода. Электродинамический привод включает электрическую катушку 1 и толкатель привода 2, которым является электропроводящий якорь, выполненный в виде диска, причем диск является плоским.

На фиг. 2 представлен поперечный разрез одного из вариантов выполнения электродинамического привода. Электродинамический привод включает электрическую катушку 1 и толкатель привода 2, которым является электропроводящий якорь, выполненный в виде диска с кольцевой канавкой на торце.

На фиг. 3 представлен поперечный разрез одного из вариантов выполнения электродинамического привода. Электродинамический привод включает электрическую катушку 1 и два электропроводящих диска 2 и 3, причем диски являются плоскими. При реализации указанной конструкции в качестве толкателя привода может выступать электрическая катушка 1, при этом один из дисков 2 или 3 выполняется неподвижным, а другой также является толкателем. Кроме того, указанная конструкция может быть реализована путем использования в качестве толкателей двух дисков 2 и 3 одновременно.

На фиг. 4 представлен поперечный разрез одного из вариантов выполнения электродинамического привода. Электродинамический привод включает электрическую катушку 1 и два электропроводящих диска 2 и 3, причем диски выполнены с кольцевой канавкой на торце. При реализации указанной конструкции в качестве толкателя привода может выступать электрическая катушка 1, при этом один из дисков 2 или 3 выполняется неподвижным, а другой также является толкателем. Кроме того, указанная конструкция может быть реализована путем использования в качестве толкателей двух дисков 2 и 3 одновременно.

На фиг. 5 представлен поперечный разрез одного из вариантов выполнения электродинамического привода. Указанная конструкция выполнена в виде набора последовательно установленных электрических катушек 1 и электропроводящих якорей 2, выполненных в виде диска, причем диск выполнен плоским.

На фиг. 6 представлена схема электродинамического привода для работы в режиме апериодического разряда конденсатора. На схеме представлена электрическая катушка L1, подключенная к конденсатору С, а также электропроводящий якорь L2. В качестве коммутирующего устройства используется IGBT транзистор.

Преобразование электрической энергии в линейное перемещение толкателя привода осуществляют путем подачи в неподвижную электрическую катушку 1 импульса тока от импульсного источника электрической энергии. Предварительно осуществляют накапливание энергии, преобразуемой в импульс механической силы, с помощью конденсатора. При включении коммутирующего устройства, в качестве которого использован транзистор, конденсатор частично разряжают на электрическую катушку 1. Таким образом, осуществляют переход части запасенной в конденсаторе электрической энергии в электромагнитную энергию обмотки электрической катушки 1. Часть запасенной энергии тратится на нагрев проводников катушки 1, а также теряется на тепловые потери от создаваемых вихревых токов в корпусных деталях и т.п. Оставшаяся часть электромагнитной энергии создает электромагнитное поле вокруг обмотки электродинамического привода и тем самым осуществляют частичную передачу индуктивным путем электромагнитной энергии в толкатель электродинамического привода, которым в данном варианте осуществления изобретения является электропроводящий якорь, который выполняют в виде диска.

Проникающий в электропроводящий диск, который выполняют из неферромагнитного материала в той его части, в которую проникает магнитное поле катушки, переменный электромагнитный поток наводит в указанном диске вихревой ток, который, взаимодействуя с магнитным потоком, проникшим в диск, создает импульс механической силы. При этом выполняется отталкивание электропроводящего диска от катушки, за счет чего осуществляют необходимое воздействие на перемещаемый объект.