專利名稱:電沖機(jī)的制作方法
本發(fā)明是一種將普通電源的電能轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能的裝置。它涉及電磁鐵工作原理、半導(dǎo)體變流技術(shù)、自動(dòng)控制和機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)。
現(xiàn)有的各種電-機(jī)轉(zhuǎn)換元件如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)或振蕩電機(jī)作為某些需要高速直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器的動(dòng)力源，存在著需要復(fù)雜的中間傳動(dòng)和變速機(jī)構(gòu)、體積龐大、工作頻率和轉(zhuǎn)換效率低、成本高、不容易引進(jìn)各種自動(dòng)控制和調(diào)速等缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的是要推出一種能克服上述缺點(diǎn)的電機(jī)換能裝置，稱作電沖機(jī)，下面結(jié)合附圖分換能機(jī)構(gòu)的工作原理及實(shí)施例，專用電源的執(zhí)行和控制等部分來說明。
由電磁學(xué)知，面積為S的氣隙中，兩磁鐵的吸力F為4倍磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方乘S，S為平方厘米，B為韋伯/米2時(shí)，F(xiàn)為公斤力。圖1是電磁鐵吸力作功示意圖。線圈(9)得電后，固定導(dǎo)磁板(4)和只能作水平運(yùn)動(dòng)(由工藝實(shí)現(xiàn))的銜鐵(5)以及氣隙(6)形成一個(gè)閉合磁回路。氣隙附近的磁力線可用曲線(1)描述。銜鐵(5)從開始時(shí)實(shí)線位置運(yùn)動(dòng)到最后的虛線位置，相應(yīng)地磁力線(1)也從實(shí)線位置變到虛線位置。該電磁鐵的吸力也可用曲線(1)來表示，為了使吸力(水平分量)更平穩(wěn)、作用行程更長，可以從減小氣隙中磁力線(1)與水平線交角著手，對(duì)氣隙處的固定導(dǎo)磁板(4)和銜鐵(5)的外形加以改進(jìn)，如圖2和圖3示。圖4描述了電磁力(1)可分解為垂直分量(2)和水平分量(3)，從圖4可見夾角θ越小，水平分量越大。圖5中銜鐵(5)在前進(jìn)中還受到其頂端的固定導(dǎo)磁板的吸力，這樣銜鐵所受水平吸力和行程就更大。圖6采用兩塊固定導(dǎo)磁板(4)，這樣可減小銜鐵(5)的質(zhì)量，有利提高工作頻率和效率。圖7為一個(gè)有三個(gè)固定的獨(dú)立磁回路(7)(它們各自等價(jià)于圖1中線圈(9)和固定導(dǎo)磁板(4)所組成的磁路部分)和5塊由無磁性鋼制成的隔離板(12)相聯(lián)的銜鐵(5)組成的長行程系統(tǒng)。帶箭頭的實(shí)線表示當(dāng)前作用的磁力線虛線表示下一節(jié)拍可能產(chǎn)生的磁力線，當(dāng)實(shí)線所指固定的獨(dú)立磁回路失電后，如其左(右)邊的磁回路得電，則多級(jí)銜鐵向左(右)移動(dòng)。這種方法使銜鐵行程大大增加并可利用銜鐵的慣性。此外，控制各固定磁回路作用的時(shí)間還可得到較平穩(wěn)或脈動(dòng)較明顯的直線運(yùn)動(dòng)。圖8是對(duì)圖6中銜鐵作改進(jìn)的示意圖，它由一條寬度漸增的導(dǎo)磁板彎成螺旋形而成，其內(nèi)外固定導(dǎo)磁板未畫，采用這種形狀使銜鐵在向前運(yùn)動(dòng)時(shí)其在氣隙中的面積增長較慢(有增有減，增略大于減)從而在更長的行程中使磁感應(yīng)保持一定量值以維持足夠的吸力。這種銜鐵有自旋作用，不需要時(shí)可用導(dǎo)軌或?qū)⒐潭ㄣ曡F表面制成相反螺旋狀來克服。換能機(jī)構(gòu)的銜鐵返回工作起點(diǎn)的力可由外加永久磁鐵的吸力、密封腔體的壓縮空氣的彈力、彈簧的彈力或再用一個(gè)線圈和磁回路，利用各自反向工作的力來充當(dāng)，也可由以上幾種力的組合或再加上重力來提供。當(dāng)采用兩個(gè)對(duì)稱線圈和磁回路時(shí)就組成所謂推挽工作形式。也可采用如圖7示的多節(jié)磁路形式輪流工作以增加往復(fù)距離。以后我們把使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的必需部分稱為電沖機(jī)(要包括電源)。上面我們說明了電沖機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的。下面舉實(shí)施例。實(shí)施例1是制造電動(dòng)往復(fù)泵，圖9為其半剖示圖(電源和引線未畫)，它采用圖6所述的銜鐵運(yùn)動(dòng)形式，當(dāng)繞于線圈架(8)上的線圈(9)得電后，由內(nèi)外固定導(dǎo)磁板(4)和泵殼(11)及氣隙組成的導(dǎo)磁回路對(duì)銜鐵(5)(其起始于虛線處)作用一個(gè)吸力使其運(yùn)動(dòng)同時(shí)推動(dòng)活塞(18)至圖示位置。這期間，出水閥(19)關(guān)閉，并將水泵出，裝于端蓋(14)上的進(jìn)水閥(13)開啟同時(shí)將水吸入;在銜鐵由彈簧(16)拉回時(shí)，出水閥(19)打開，進(jìn)水閥(13)關(guān)閉。通過通道(15)水可自由流動(dòng)，密封圈(17)同時(shí)充當(dāng)活塞(18)運(yùn)動(dòng)的約束體，(20)為散熱板。這種泵的活塞也可以進(jìn)行變動(dòng)以適應(yīng)工作需要。也可以制成雙缸四閥形式。實(shí)施例2是電沖切割機(jī)，其銜鐵或通過傳動(dòng)臂可聯(lián)接鋸片或刀片來對(duì)物體如布料、木板進(jìn)行切割;也可聯(lián)接鏟刀來鏟除鐵銹油漆，或聯(lián)接鉆頭來打孔。實(shí)施例3是制造微型電動(dòng)縫紉機(jī)，縫紉機(jī)針和送布機(jī)構(gòu)可用一臺(tái)或兩臺(tái)電沖機(jī)帶動(dòng)。實(shí)施例4是直線傳送機(jī)，如果我們將可通過柔性或剛性的圓條物體的棘爪裝在銜鐵內(nèi)，由于棘爪單向作用電沖機(jī)可輸出直線運(yùn)動(dòng)，這可用于電動(dòng)拉窗簾。實(shí)施例5是兩維傳輸設(shè)備。如果我們用兩臺(tái)電沖機(jī)正交安置并工作，則可在兩維空間如直角座標(biāo)平面實(shí)現(xiàn)曲線運(yùn)動(dòng)或傳送物體。也可制成實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動(dòng)的傳輸設(shè)備。
本發(fā)明的換能機(jī)構(gòu)可簡稱電沖機(jī)，但嚴(yán)格講電沖機(jī)還包括專用電源。下面介紹專用電源，從電路理論看，電沖機(jī)是一個(gè)大的時(shí)變電感器，其平均時(shí)間常數(shù)T(可在其工作過程中采樣三點(diǎn)取平均值來求取)可達(dá)數(shù)秒電感值可達(dá)1亨，為使其輸出力大須用大電流，如直接用交流電，由于頻率太高，且磁通脈動(dòng)太大而不能很好工作，又因電沖機(jī)工作需要方波電流，也不能直接用直流電，對(duì)此，本發(fā)明采用多段電壓源來解決，以使線圈中獲得邊沿陡峭的接近于方波的電流，這里的接近于方波是指電流的升降時(shí)間都不得大于整個(gè)周期的20%，也不大于電感器平均時(shí)間常數(shù)T的十分之一，一般為10毫秒以下，這樣電沖機(jī)工作頻率可達(dá)20赫，接近于方波的另一個(gè)意義是允許電流在高電平期間變動(dòng)，如因交流整流電流的紋波干擾以及用續(xù)流兩極管時(shí)電流的下降(還有作功所消耗的)但以變動(dòng)不超過40%為限相對(duì)于方波電流的上升、高電平、下降、低電平四個(gè)階段，要求電源的電壓也順序分為四個(gè)階段，其特征是第一階段主要是正向大電壓以使主線圈中電流迅速增大。第二階段主要是絕對(duì)值小的電壓包括用續(xù)流兩極管作為一個(gè)數(shù)值為PN結(jié)正向壓降的零電壓。第三個(gè)階段主要是數(shù)值大的負(fù)電壓使線圈中電流迅速降到零。第四階段也是一個(gè)絕對(duì)值小的電壓。一般不得接入電壓即處于關(guān)斷狀態(tài)并使線圈保持零電流狀態(tài)。(允許流過電子開關(guān)漏電流)相應(yīng)地銜鐵(5)處于自由釋放狀態(tài)。電壓分段由半導(dǎo)體無觸點(diǎn)電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)。敘述電壓特征時(shí)用到“主要是”是因?yàn)檎疹櫟綄?shí)際電源和電路工作需要，通過具體介紹電路就會(huì)理解其意義，圖10是一種向有兩個(gè)線圈(共電阻約0.1歐)和磁路供電的電源示意圖。兩組直流電源(21)、(22)可以是任何一般直流電源，設(shè)它們是額定電壓200伏的整流穩(wěn)壓電源，電沖機(jī)輸入功率為100瓦，電流為0.5安，(23)、(26)、(27)、(29)是無觸點(diǎn)電子開關(guān)，這里用可關(guān)斷晶閘管。(24)(55)、(28)、(30)是兩極管。先觸發(fā)晶閘管(23)主線圈電流迅速上升，當(dāng)達(dá)到額定電流時(shí)，觸發(fā)晶閘管(26)關(guān)斷晶閘管(23)，這時(shí)進(jìn)入電流高電平時(shí)期，晶閘管(26)作續(xù)流兩極管。然后再關(guān)斷晶閘管(26)(進(jìn)入電流下降時(shí)期)時(shí)線圈(9)中電流經(jīng)兩極管(30)和(25)對(duì)電源(22)充電直至電流為零。另一組線圈(10)工作過程相同，如果去掉兩極管(24)(30)讓兩個(gè)線圈的電流不是對(duì)電源而是相互充電，可實(shí)現(xiàn)沖激響應(yīng)而使電流邊沿更陡，這個(gè)電源可無級(jí)變頻，但成本高，功率也小，另外對(duì)于穩(wěn)壓作用不強(qiáng)的整流電源為了使電沖機(jī)工作精確，可令電流的上升時(shí)間由電流值來決定。圖11所示的電路為向單個(gè)磁路的電沖機(jī)供電的電源，對(duì)照圖12所示交流電壓波形討論，如在每個(gè)波形的點(diǎn)(34)處觸發(fā)晶閘管(32)(電流上升)，并在電壓過零時(shí)，觸發(fā)晶閘管(33)，晶閘管(32)受反壓關(guān)斷(電流高電平)在所有交流電源(31)由正變負(fù)將過零處(35)可再次觸發(fā)晶閘管(32)(電流下降)線圈(9)中電流對(duì)電源充電直至為零晶閘管(32)關(guān)斷(電流低電平)等銜鐵復(fù)位后再進(jìn)入下一周期。對(duì)于兩級(jí)或多級(jí)磁路可用兩個(gè)或多個(gè)這樣的電路供電。圖13是使右線圈(9)中產(chǎn)生如圖14所示波形電流的電壓波形，(未計(jì)功耗)圖11的電路只能有級(jí)變頻，但可用交流電網(wǎng)供電并且功率大。由于每個(gè)周期都要觸發(fā)電子開關(guān)，并且對(duì)工作對(duì)象的要求如往復(fù)泵的流量，電鋸工作頻率可通過控制方波電流的幅值、占空比和頻率來實(shí)現(xiàn)，所以電沖機(jī)可容易實(shí)現(xiàn)各種控制，如在電子開關(guān)的控制(觸發(fā))回路加入各種變量的閉環(huán)控制或加入人為設(shè)定的開環(huán)控制。另外對(duì)于多獨(dú)立回路的電沖機(jī)、控制精度高的場合和電沖機(jī)要求聯(lián)動(dòng)的場合可用計(jì)算機(jī)控制。
本發(fā)明具有體積小、工作可靠、適用范圍廣、可直接實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)、容易引入各種控制等優(yōu)點(diǎn)。因而具有廣泛的用途。本發(fā)明的機(jī)械部分最好能結(jié)合應(yīng)用產(chǎn)品統(tǒng)盤設(shè)計(jì)并用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)床制造，其專用電源的執(zhí)行和控制部分最好也能集成化、模塊化以提高質(zhì)量、降低成本。
權(quán)利要求
1.一種將普通電源的電能轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的裝置，用作各種機(jī)器的動(dòng)力。該裝置由電-機(jī)換能機(jī)構(gòu)和專用電源兩大部分組成，其專用電源分執(zhí)行和控制兩部分，執(zhí)行部分含有若干個(gè)由定時(shí)電路或計(jì)算機(jī)控制的無觸點(diǎn)電子開關(guān)，它向電機(jī)換能機(jī)構(gòu)提供能量同時(shí)對(duì)它的工作狀況進(jìn)行控制，這個(gè)專用電源的執(zhí)行部分的特征是通過對(duì)換能機(jī)構(gòu)的主線圈順序施加不同的電壓，使線圈在每個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)波形接近于方波的電流，電源的控制部分主要是指在電子開關(guān)的控制(觸發(fā))回路加入各種有關(guān)變量的閉環(huán)控制或加入人為設(shè)定的開環(huán)控制用以使換能機(jī)構(gòu)的主線圈內(nèi)產(chǎn)生幅值、頻率和占空比可任意調(diào)節(jié)的邊沿陡峭的波形接近于方波的電流；其換能機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)將線圈內(nèi)的方波電流變?yōu)殂曡F的往復(fù)運(yùn)動(dòng)并輸出機(jī)械能，其特征是固定導(dǎo)磁板(4)、銜鐵(5)和氣隙(6)組成導(dǎo)磁回路由流過與磁回路交鏈的主線圈(9)、(10)的方波電流作用于導(dǎo)磁回路使銜鐵運(yùn)動(dòng)并直接或通過與其聯(lián)接的活塞、聯(lián)桿、棘爪使機(jī)器工作。
2.一個(gè)按照權(quán)利要求
1所述的電-機(jī)換能裝置，由電源輸送到換能機(jī)構(gòu)主線圈的不同電壓可順序分為四個(gè)階段來描述，其特征是第一階段主要是正值大電壓，以使主線圈中電流在其平均時(shí)間常數(shù)的十分之一或更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定電流。第二階段主要是絕對(duì)值較小的電壓，包括用續(xù)流二極管作為一個(gè)數(shù)值為PN結(jié)正向壓降的零電壓，它使線圈中電流基本保持恒定。第三階段主要是數(shù)值大的負(fù)電壓以使線圈中電流在其平均時(shí)間常數(shù)十分之一或更短的時(shí)間內(nèi)降到零。第四階段也是一個(gè)絕對(duì)值小的電壓，一般不接電壓即線圈處于關(guān)斷狀態(tài)，相應(yīng)地銜鐵(5)處于自由釋放狀態(tài)。
3.一個(gè)按照權(quán)利要求
1、權(quán)利要求
2所述的電-機(jī)換能裝置，其銜鐵回到工作起點(diǎn)由如下五種方式組成A、依靠兩個(gè)獨(dú)立磁回路或其變形的相互反向運(yùn)動(dòng)。B、由壓縮空氣的彈力產(chǎn)生拉力。C、由彈簧(16)的恢復(fù)力產(chǎn)生拉力。D、由永久磁鐵的磁力產(chǎn)生拉力。E、由前述幾種形式的組合或再加上重力產(chǎn)生的拉力。
4.一個(gè)按照權(quán)利要求
1、權(quán)利要求
2、權(quán)利要求
3所述的電-機(jī)換能裝置，其正反向作用力由兩級(jí)或多級(jí)獨(dú)立的磁回路共同提供或輪流提供。
5.一個(gè)按照權(quán)利要求
1、權(quán)利要求
2、權(quán)利要求
3所述的電-機(jī)換能裝置，其輸出的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)可拓展為直線運(yùn)動(dòng)，并且這個(gè)直線運(yùn)動(dòng)可由剛性或柔性材料來實(shí)現(xiàn)，并且可用這些裝置組成多維的運(yùn)動(dòng)。
6.一個(gè)如權(quán)利要求
1和權(quán)利要求
2所述的電-機(jī)換能裝置的專用電源的電路。用于在具有電感器特性的電器中產(chǎn)生頻率可調(diào)的接近于方波的電流
專利摘要
本發(fā)明采用機(jī)械電子組合技術(shù)，將一般電源如交流電網(wǎng)電源通過電子開關(guān)變成可使換能機(jī)構(gòu)高效工作的方波電流，電沖機(jī)輸出高頻率(如五至五十赫)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能。其方波電流的占空比、幅值和頻率可容易地引進(jìn)各種控制，從而使許多需要高頻直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)器(如縫紉機(jī)、電鏟、電鋸)得到結(jié)構(gòu)緊湊、無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)、可方便調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制的動(dòng)力源。并可在電沖機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)出許多新的產(chǎn)品。
文檔編號(hào)H02K41/02GK86100148SQ86100148
公開日1987年1月31日 申請日期1986年1月7日
發(fā)明者施國梁 申請人:施國梁導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan