Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
17 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электромотор Чукреева с кривошипно-шатунным механизмом

Электромотор Чукреева с кривошипно-шатунным механизмом

В процессе поиска подходящего электродвигателя для моего Mercedes 190, пришла идея электродвигателя нового типа. Это классический ДВС, но вместо поршней используются электромагнитные линейные электродвигатели. Такой двигатель отлично подходит для установки в область под задним диваном в редуктор задней оси.

На идею натолкнули 2 видео.


Линейные двигатели устроены просто: внутри «ротора» (далее по тексту толкатели) металлической трубы из алюминия, или другого немагнитного материала, запрессованы неодимовые магниты. В «статоре» статичной части линейного двигателя находятся катушки индуктивности, которые включаются и выключаются в определенной последовательности, заставляя двигаться толкатель в нужном направлении. Современные линейные двигатели способны развивать силу порядка 2000 ньютон и высокую скорость возвратно-поступательных движений. На видео выше это видно.

В сравнении с 30 кН усилием, создаваемых поршнем во время детонации, у стандартного ДВС, 2 кН линейного кажутся смешными. Однако, в отличие от поршня ДВС, где работает только один такт из четырех, у линейного двигателя каждый такт рабочий. Следственно, 2 кН умножаются на 4 и в итоге получаем 8 кН без потерь возникающей в процессе работы ДВС (подача топлива, воздуха, удаление отработанных газов и тд.

В процессе аналитической работы над компьютерными моделями стало понятно, что придётся решить ряд вопросов:
1) При движении толкателей с магнитами внутри параллельно друг другу, магнитные поля начинают сильно взаимодействовать. Значит толкатели придётся располагать дальше друг от друга, что увеличит габариты двигателя.
2) Как охлаждать магниты внутри трубки толкателя, которые при сильном нагреве могут потерять магнитные свойства.
3) Как запрессовывать мощные магниты в трубку толкателя, ведь они будут направлены одинаковыми полюсами друг к другу.
4) Возникающие динамические нагрузки сильно ограничивают выбор материалов для трубки толкателя, нужны тонкие стенки из немагнитного материала с хорошим показателем сопротивления сжатию, растяжению и изгибу.

Оставляем магниты в сторону, думаем над реактивной тягой, то есть вместо стержня с магнитами будет металлическая болванка с зубьями — классическая реактивная электрическая машина.

Преимущества:
1) Нет магнитов. Те же тяговые характеристики при сопоставимых размерах.
2) Катушки обернуты электротехнической сталью и магнитные поля во время работы двигателей не мешают друг другу, что увеличивает плотность компонентов и уменьшает габариты.
3) Направляющая труба помогает эффективно работать с боковыми нагрузками, возникающими при толкании и втягивании толкателя.
4) Направляющая труба используется для отвода тепла воздухом либо жидкостью.

Недостатки:
1) Требуется много смазки. Это касается и первого варианта с магнитами.
2) Из-за направляющей трубы возникает потребность в двух шатунах на каждый толкатель.
3) Непонятно как изготавливать статоры из шихтованной стали.
4) Сложно крепить и удерживать обмотки.

Лучшим вариантом оказалось использование одного шатуна на 2 толкателя.

Следующий вариант это инвертированная реактивная машина. С катушками в середине и «ротором» снаружи.

Преимущества:
1) Конструкция двигателя стала меньше, чем предыдущая.
2) Нет проблем с намоткой катушек.
3) Можно эффективно охлаждать статор через трубу, на которую он прикреплен.

Недостатки:
1) В качестве направляющей для толкателя выступает его статор.
2) Смазка.

Вариант с плоскими линейными толкателями кажется наиболее перспективным. Его относительно легко изготовить, катушки располагаются на достаточном расстоянии от движущейся части и можно получить чуть большие показатели по сравнению с цилиндрическими машинами. Однако, есть проблемы с изгибом толкателя при работе.

У двигателей различных конфигураций, выдаваемая мощность была 70-120 кВт при крутящем моменте 500-800 Н/М.

Занимаемся этим двигателем с декабря прошлого года и интерес к нему потихоньку угасает, поэтому появилась потребность в комментариях, советах и конечно в «Вам что делать нечего? Купите асинхронник и не выпендривайтесь!1».

P.S.
Заявка на патент была подана в январе этого года.

Комментарии 16

Есть какие новости по проекту? Очень интересно знать. Работаете над ним или забросили

Вот мне тоже интересен практический смысл.
Основные преимущества электродвигателя перед ДВС для автомобиля.
1. Компактность и меньший вес при равной мощности.
2. Малое количество пар трения (два подшипника на валу не требуют сложной системы смазки)
3. Крутящий момент не зависит от оборотов.
4. Отсутствие систем вентиляции и охлаждения.
Недостатки
1. Большой вес(компенсируется малыми размерами и весом самого двигателя) и изнашиваемость источника питания.
2. Долгий процесс «дозаправки» (зарядки).
3. Требует отдельной системы отопления салона.
Итого — ваш агрегат, имеет все недостатки ДВС (п.3 надо просчитать) и электродвигателя, но лишён преимуществ последнего (за исключением п.3)
Кроме того себестоимость вашего агрегата (по сравнению с аналогичным ДВС) кто-нибудь считал? Судя по количеству цветного металла, она вряд ли будет ниже.

Отвечаю
Плюсы:
1. Вы забыли учесть вес аккумуляторов, электроавтомобили весят существенно больше авто на ДВС
2. Есть несколько идей с «сухой» смазкой
3. Еще как зависит, изучите вопрос лучше
4. В двигателях более 30кВт она обязательно присутствует

Минусы
1. Тут вы опомнились
2. Прогресс в этой области еще не остановился
3. Это скорее плюс

Итого ваши аргументы не состоятельны.
Себестоимость агрегата в первую очередь зависит не от цены металла, это как-раз меньшая из затрат. Куда важнее техпроцесс изготовления он как-раз гораздо проще именно в моем двигателе.

1. Ваш двигатель объёмнее и тяжелее обычного электродвигателя, соответственно компенсировать массу и размер источника питания нечем.
2. Про крутящий момент я утрировал, но его диапазон позволяет отказаться от КПП на обычном электродвигателе.
3. Прогресс в области ускорения зарядки пока что ведёт к снижению количества циклов до смерти батареи.
4. Плюс в дополнительной системе отопления в чём? В том что снижается запас хода? При том что в холодное время ещё и ёмкость батарей снижается?
По вашим описаниям, понятно одно — преимущество вашей конструкции в том, что можно сделать электродвигатель внешне похожий на ДВС. Только вот 90% нынешних автовладельцев абсолютно пофиг как выглядит то, что у них под капотом, большинство туда только зимой заглядывает, чтобы незамерзайку залить.

1. Не факт.
2. В обычном электродвигателе всегда есть понижающий редуктор 10:1 так как номинальные обороты находятся в районе 3000 об/мин при более низких оборотах КПД электродвигателей стремится к нулю.
3. LTO батареи опровергают это утверждение
4. В том что она может быть компактнее и энергоэффективнее, использование тепла от ДВС это всего-лишь попытка использовать тепловые потери во благо. Речи об энергоэффективности тут быть не может.

Я не создал двигатель который решит проблемы всех людей в мире, это утопия. И да возможно вы точно описали мою целевую аудиторию^ которая по вашим подсчетам составляет 10%

1. Ваш двигатель объёмнее и тяжелее обычного электродвигателя, соответственно компенсировать массу и размер источника питания нечем.
2. Про крутящий момент я утрировал, но его диапазон позволяет отказаться от КПП на обычном электродвигателе.
3. Прогресс в области ускорения зарядки пока что ведёт к снижению количества циклов до смерти батареи.
4. Плюс в дополнительной системе отопления в чём? В том что снижается запас хода? При том что в холодное время ещё и ёмкость батарей снижается?
По вашим описаниям, понятно одно — преимущество вашей конструкции в том, что можно сделать электродвигатель внешне похожий на ДВС. Только вот 90% нынешних автовладельцев абсолютно пофиг как выглядит то, что у них под капотом, большинство туда только зимой заглядывает, чтобы незамерзайку залить.

Мотор-колёса работают с 1898 года.
Используют все преимущества элетродвигателей.
Отсутствуют промежуточные системы передачи мощности от силовой установки на колёса, дифференциал и все системы реализуются электронными компонентами не усложняя механику.

Недостаток — увеличение неподрессоренной массы снижается применением новых материалов и оптимизации под конкретные мощности.

Ну аккумуляторы — общее место но и к ним требования снижаются по сравнению с «классической» схемой.

А вообще это всё принципиально уже больше ста лет существует и доработки идут только на уровне рюшечек и полировки, впрочем как и весь автопром.

Почему то никто не пытается уйти от колеса?
возможно тут и антиграв не понадобится;-)

Каков основной недостаток колеса? Это потери энергии на преодоление сил трения. Однако эти же силы обеспечивают и курсовую устойчивость. При отсутствии контакта с поверхностью, возникает проблема стабилизации движения, любой порыв ветра приведёт к уходу с траектории. Пока что есть две реальные модели бесколёсных ТС — это суда на воздушной и поезда на магнитной подушках. Первые сложны в управлении, требуют дополнительной энергии на создание подушки и их применение ограничено рельефом (требуется достаточно ровная поверхность). Вторым, как и любому рельсовому транспорту требуется наличие ответной части движителя — рельса.
Что касается электромобилей. ИМХО существенного прогресса в их использовании можно добиться если применять универсальные сменные АКБ. Это решит основную проблему — запас хода и длительность зарядки. Электромобиль просто заезжает на зарядную станцию и меняет батареи за время сопоставимое с обычной заправкой топливом и едет дальше, а снятый модуль заряжается и используется другим по мере готовности. Но для этого нужно всех производителей привести к единому стандарту и на его основе повсеместно создать собственно инфраструктуру.
Касаемо идеи автора — она имеет право на существование, только помимо технической части надо рассчитать ещё и экономическую. Для успешного внедрения конструкция должна иметь преимущества перед существующими, тогда это имеет смысл.

Читать еще:  Газелевские двигатели какой лучше

Хорошо, летать пока подождём.
Можно суперконденсаторы в качестве накопителей использовать, но пока это дорого, а графеновые уже 15 лет обещают(

Потери в данной конструкции намного больше чем в «классических» электродвигателях, как на трение так и на разогрев «катушек»

Да малые обороты и бОльшая тяга плюс, но ценой усложнения конструкции, а значит снижения надёжности и технологичности.
А это удорожание и немалое, так что с точки зрения экономики тут только как «игрушки для богатых по индивидуальному заказу с прозрачными окнами для эстетического наслаждения»

Уже давно опробованы электромагнитые клапана для ДВС, но не прижились, дорого и ненадёжно.

а на сколько процентов выше крутящий по сравнению с обычными?
Красота это хорошо, но интересен практический смысл

Надо строить физическую модель и на стенде проверять, на бумаге все не так однозначно.

Применение линейных двигателей — Достоинства и недостатки линейного двигателя

Линейные электродвигатели. Основные разновидности и их применение

Назначение и типы линейных электродвигателей

Ротационные электродвигатели обычно предназначены для реализации вращательного движения рабочего механизма. Иногда эти двигатели осуществляют поступательные или возвратно-поступательные движения. Достигается это при помощи кинематических передач усложняющих конструкцию и снижающих коэффициент полезного действия привода. Применение линейных электродвигателей позволяет устранить эти недостатки.

В ротационных электродвигателях индуктор представляет собой цилиндр, внутри которого вращается ротор. В плоских линейных электродвигателях индуктор развернут на плоскости. Индуктор цилиндрического линейного электродвигателя — цилиндр, внутри которого линейно перемещаются вторичные элементы.

Основные типы линейных электродвигателей: линейные асинхронные электродвигатели, линейные синхронные электродвигатели, линейные электродвигатели постоянного тока, линейные шаговые электродвигатели. Наибольшее применение получили линейные асинхронные электродвигатели. Первичная обмотка асинхронного линейного электродвигателя возбуждает бегущее электромагнитное поле. В результате взаимодействия первичного поля и индуктируемых токов во вторичном элементе возникает тяговое усилие. Вторичный элемент прямолинейно перемещается. В линейных асинхронных электродвигателях имеют место ухудшающие характеристики краевые эффекты. Разомкнутость магнитной цепи в продольном направлении вызывает продольный краевой эффект. Увеличение числа полюсов индуктора снижает продольный краевой эффект. Наличие на краях вторичного элемента продольных составляющих токов, не создающих полезное тяговое усилие — поперечный краевой эффект. Увеличение ширины вторичного элемента снижает влияние поперечного краевого эффекта. Итак, принцип действия как ротационных, так и линейных электродвигателей имеет одну и ту же физическую природу.

Применение линейных электродвигателей

Линейные электродвигатели применяются там, где они упрощают конструкцию, повышают производительность машин и оборудования, или в тех случаях, когда использование ротационных электродвигателей по их характеристикам невозможно. Применение линейных электродвигателей наиболее перспективно в промышленном и пассажирском транспорте. В конвейерных поездах индукторы электропривода расположены вдоль рельсового пути, вторичный элемент электродвигателя находится на подвижном составе. Такие поезда удобны при транспортировке угля, руды и строительных материалов. На примере системы городского эстакадного пассажирского транспорта показан другой вариант исполнения линейного электродвигателя, где вторичный элемент установлен вдоль пути в виде токопроводящей вертикальной полосы. А индукторы установлены в движущемся вагоне. Линейные асинхронные электродвигатели широко применяются в приводах различных исполнительных механизмов и устройств. В приводах разъединителей тяговых подстанций цилиндрический линей электродвигатель существенно упрощает конструкцию, повышает быстродействие и эксплуатационную надежность оборудования.

В ряде случаев, вторичным элементом двигателя может быть и деталь рабочего механизма. Привод поворотного стола манипулятора осуществлен на базе плоских линейных электродвигателей, что обеспечивает высокую точность углового позиционирования стола и существенно упрощает механическую часть устройства. В отдельных случаях, линейные асинхронные электродвигатели могут эффективно выполнять сразу несколько целевых функций. Литейная карусельная машина. Ее привод реализован на линейных электродвигателях плоского исполнения. Он может перемещать и при технологической необходимости подогревать из ложницы. Коэффициент полезного действия таких приводов значительно выше, чем КПД приводов с одной целевой функцией.

Принцип работы линейного асинхронного электродвигателя может быть использован при создании других электромагнитных устройств, например в сепараторах цветных металлов. Линейные электродвигатели успешно применяются в различных системах внутрицехового транспорта. Основными преимуществами линейных электродвигателей являются возможность получения непосредственного прямолинейного движения, больших скоростей и ускорений, простота конструкции, бесшумность и надежность работы. Развитие микропроцессорной техники и разработка новых средств управления позволяют постоянно расширять области эффективного применения линейных электродвигателей.

Магнитный двигатель своими руками: как сделать

Практически все в нашей жизни зависит от электричества, но существуют определенные технологии, которые позволяют избавиться от локальной проводной энергии. Предлагаем рассмотреть, как сделать магнитный двигатель своими руками, его принцип работы, схема и устройство.

Типы и принципы работы

Существует понятие вечных двигателей первого порядка и второго.

Первый порядок – это устройства, которые производят энергию сами по себе, из воздуха, второй тип – это двигатели, которым необходимо получать энергию, это может быть ветер, солнечные лучи, вода и т.д., и уже её они преобразовывают в электричество.

Согласно первому началу термодинамики, обе эти теории невозможны, но с таким утверждением не согласны многие ученые, которые и начали разработку вечных двигателей второго порядка, работающих на энергии магнитного поля.

Фото – Магнитный двигатель дудышева

Над разработкой «вечного двигателя» трудилось огромное количество ученых во все времена, наиболее большой вклад в развитие теории о магнитном двигателе сделали Никола Тесла, Николай Лазарев, Василий Шкондин, также хорошо известны варианты Лоренца, Говарда Джонсона, Минато и Перендева.

Фото – Магнитный двигатель Лоренца

У каждого из них своя технология, но все они основаны на магнитном поле, которое образовывается вокруг источника. Стоит о двигателей не существует в принципе, т.к. магниты теряют свои способности приблизительно через 300-400 лет.

Самым простым считается самодельный антигравитационный магнитный двигатель Лоренца. Он работает за счет двух разнозаряженных дисков, которые подключаются к источнику питания. Диски наполовину помещаются в полусферический магнитный экран, поле чего их начинают аккуратно вращать. Такой сверхпроводник очень легко выталкивает из себя МП.

Простейший асинхронный электромагнитный двигатель Тесла основан на принципе вращающегося магнитного поля, и способен производить электричество из его энергии. Изолированная металлическая пластина помещается как можно выше над уровнем земли.

Другая металлическая пластина помещается в землю. Провод пропускается через металлическую пластину, с одной стороны конденсатора и следующий проводник идет от основания пластины к другой стороне конденсатора.

Противоположный полюс конденсатора, будучи подключенным к массе, используется как резервуар для хранения отрицательных зарядов энергии.

Фото – Магнитный двигатель Тесла

Роторный кольцар Лазарева пока что считается единственным работающим ВД2, кроме того, он прост в воспроизведении, его можно собрать своими руками в домашних условиях, имея в пользовании подручные средства. На фото показана схема простого кольцевого двигателя Лазарева:

Фото – Кольцар Лазарева

На схеме видно, что емкость поделена на две части специальной пористой перегородкой, сам Лазарев применял для этого керамический диск. В этот диск установлена трубка, а емкость заполнена жидкостью. Вы для эксперимента можете налить даже простую воду, но желательно применять улетучивающийся раствор, к примеру, бензин.

Работа осуществляется следующим образом: при помощи перегородки, раствор попадает в нижнюю часть емкости, а из-за давления по трубке перемещается наверх. Это пока что только вечное движение, не зависящее от внешних факторов. Для того чтобы соорудить вечный двигатель, нужно под капающей жидкостью расположить колесико.

На основе этой технологии и был создан самый простой самовращающийся магнитный электродвигатель постоянного движения, патент зарегистрирован на одну российскую компанию. Нужно под капельницу установить колесико с лопастями, а непосредственно на них разместить магниты.

Из-за образовавшегося магнитного поля, колесо начнет вращаться быстрее, быстрее перекачиваться вода и образуется постоянное магнитное поле.

Синхронный линейный двигатель


Схема синхронного линейного двигателя.
Основной областью применения синхронных двигателей, где их преимущества проявляются особенно сильно, является высокоскоростной электрический транспорт. Дело в том, что по условиям нормальной эксплуатации такого транспорта необходимо иметь сравнительно большой воздушный зазор между подвижной частью и вторичным элементом. Асинхронный линейный двигатель имеет при этом очень низкий коэффициент мощности (cosφ), и его применение оказывается экономически невыгодным. Синхронный линейный двигатель, напротив, допускает наличие относительно большого воздушного зазора между статором и вторичным элементом и работает при этом с cosφ, близким к единице, и высоким КПД, достигающим 96%. Применение синхронных линейных двигателей в высокоскоростном транспорте сочетается, как правило, с магнитной подвеской вагонов и применением сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что позволяет повысить комфортабельность движения и экономические показатели работы подвижного состава.

Сравнение ШВП с прямым приводом

Конструкция ШВП предполагает большое количество механических сопряжений, что приводит к износу частей шарико-винтовой пары и как следствие потери точности обработки. В свою очередь, линейный двигатель состоит всего из двух частей, взаимодействие которых происходит исключительно на электромагнитном уровне. Механического контакта между частями нет, следовательно, нет механического износа самого линейного привода.

Читать еще:  F16d3 двигатель не заводится

Следует отметить, что присутствует дополнительная сложность реализации систем ШВП для длинных ходов, что обусловлено дополнительными механическими напряжениями вследствие прогиба винта. Для таких систем требуется точный инженерный расчёт и использование высококачественных комплектующих. Поэтому производители, не обладающие достаточным инженерно-научным потенциалом, делают координатные системы ШВП с низкой надёжностью, либо избегают её использования.

Принцип работы

В любом электродвигателе ротор приводится во вращение в результате взаимодействия магнитных полей ротора и статора и работы силы Ампера. Для создания магнитного поля используются либо постоянные магниты, либо электромагниты — обмотки статора и ротора. Одну из обмоток (ротора или статора) называют обмоткой возбуждения, вторую обмотку называют обмоткой якоря. Асинхронный двигатель отличается от других типов электромашин тем, что у него нет выраженной обмотки возбуждения, отсюда возникает вопрос «если нет обмотки возбуждения, то как создаётся магнитное поле?», если опустить некоторые особенности, то ответ на этот вопрос достаточно простой — асинхронный двигатель почти как трансформатор.

Конструктивные особенности

Из каких элементов состоит магнитный двигатель:

  1. Статор
    , выполненный как один постоянный магнит на пружинной основе.
  2. Ротор
    . Диск, обязательно выполненный из материала, который не подвержен намагничиванию. По поверхности диски расположены небольшие постоянные магниты определённых размеров. Все магниты на диске необходимо разместить в определённой форме и последовательности.
  3. Балласт
    . В магнитном двигателе это отдельный элемент, он обеспечивает разгон ротора и его постоянное вращение при работе.

Это пример самой простой конструкции магнитного двигателя. Мастера вроде Николы Тесла

или
Василия Шкондина
создавали куда более изощрённые модели, а многие из конструкторов в данной сфере электротехники даже получили патенты на свои изделия.

Передачи винт-гайка с бесколлекторными микро мотор-редукторами Faulhaber

Микро мотор-редукторы с винтовым штоком, диаметр корпуса 3 или 6 мм, продолжительная осевая нагрузка – до 41,2 Н, кратковременная осевая нагрузка – до 61,8 Н, скорость линейного перемещения – до 150 мм/мин

Ссылка на подробное описание передач винт-гайка с микро мотор-редукторамиFaulhaber:

Малогабаритные передачи винт-гайка с бесколлекторными микродвигателями Faulhaber

Ознакомиться с описанием всей продукции компании Faulhaber можно по данной ссылке.

Линейные двигатели высокого и низкого ускорения

Все линейные двигатели можно разделить на две категории:

  • двигатели низкого ускорения
  • двигатели высокого ускорения

Двигатели низкого ускорения

используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен) как тяговые, а также в станках (лазерных, водорезных, сверлильно-фрезерных) и другом технологическом оборудовании в промышленности. Двигатели
высокого ускорения
весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его (см. пушка Гаусса). Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, а также, гипотетически, может использоваться в специальных устройствах, таких, как оружие или пусковые установки космических кораблей.

Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков и в робототехнике. Для повышения точности позиционирования часто используются линейные датчики положения.

Сравнение особенностей реечной передачи с прямым приводом

Реечная передача лишена таких недостатков ШВП, как прогиб и высокая инерционная нагрузка на двигатель, но требует ещё более высококачественного исполнения координатной системы: высокоточной установки направляющих, зубчатой рейки, редуктора и двигателя. При должном качестве изготовления станины и сборке, современная зубчатая передача на основе закалённой шестерни-рейки обеспечит длительную и стабильную работу станка.

Однако погрешности в изготовлении станины или установке направляющих могут привести к появлению люфтов и быстрого механического износа привода. Поэтому, как и в случае с ШВП, производители, не обладающие опытом и технологиями высокоточного изготовления координатных систем, либо не могут обеспечить должной надёжности станка, либо избегают использования реечной передачи.

Электропривод с линейными двигателями

Подавляющее большинство электродвигателей является электродвигателями вращательного движения. В то же время многие рабочие органы производственных машин должны по технологии своей работы осуществлять поступательное (например, конвейеры, транспортеры и др.) или возвратно-поступательное движение (механизмы подачи станков, манипуляторы, поршневые и другие машины).

Преобразование вращательного движения в поступательное осуществляется посредством специальных кинематических звеньев: винт-гайка, шарико-винтовая передача, шестерня-зубчатая рейка, кривошипно-шатунная передача и другие.

Естественным для конструкторов рабочих машин является желание использовать для привода рабочих органов, совершающих поступательное и возвратно-поступательное движение, двигателей, ротор которых движется линейно.

В настоящее время получают развитие электроприводы, использующие линейные асинхронные, вентильные и шаговые двигатели. Принципиально линейный двигатель любого типа может быть образован из двигателя вращательного движения путем линейной развертки цилиндрического статора в плоскость.

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если развернуть статор асинхронного двигателя в плоскость. При этом вектор намагничивающих сил статора будет линейно перемещаться вдоль развертки статора, т.е. при этом образуется не вращающееся (как в обычных двигателях), а бегущее электромагнитное поле статора.

В качестве вторичного элемента может использоваться ферромагнитная полоса, располагаемая с небольшим воздушным зазором вдоль развертки статора. Эта полоса играет роль короткозамкнутого ротора. Вторичный элемент увлекается движущимся полем статора и линейно перемещается со скоростью, меньшей скорости движения поля статора на величину линейного абсолютного скольжения.

Линейная скорость бегущего электромагнитного поля будет

где τ, м — полюсное деление — расстояние между соседними полюсами линейного асинхронного двигателя.

Скорость вторичного элемента

где sЛ — относительное линейное скольжение.

При питании двигателя напряжением стандартной частоты получаемые скорости поля будут достаточно велики (более 3 м/с), что затрудняет использование этих двигателей для привода промышленных механизмов. Такие двигатели применяются для высокоскоростных транспортных механизмов. Для получения более низких скоростей движения и регулирования скорости линейного асинхронного двигателя его обмотки питают от преобразователя частоты.

Рис. 1. Конструкция линейного однокоординатного двигателя.

Применяются несколько вариантов конструкций линейного асинхронного двигателя. Одна из них показана на рис. 1. Здесь вторичный элемент (2) — полоса, соединенный с рабочим органом, перемещается по направляющим 1 под действием бегущего электромагнитного поля, создаваемого статором 3. Такая конструкция удобна для компоновки с рабочей машинной, однако, она сопряжена со значительными потоками рассеяния поля статора, вследствие чего cosφ двигателя будет низким.

Рис.2. Линейный двигатель цилиндрической конструкции

Для увеличения электромагнитной связи между статором и вторичным элементом, последний размещают в прорезь между двумя статорами, либо конструкция двигателя выполняется в виде цилиндра (см. рис. 2). В этом случае статор двигателя представляет собой трубку (1), внутри которой расположены цилиндрические наборные катушки (2), являющиеся обмоткой статора. Между катушками размещены ферромагнитные шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. Вторичный элемент — шток трубчатой формы также выполнен из ферромагнитного материала.

Линейные асинхронные двигатели могут также иметь обращенную конструкцию, когда вторичный элемент неподвижен, а перемещается статор. Такие двигатели обычно применяются на транспортных средствах. В этом случае в качестве вторичного элемента используется рельс или специальная полоса, а статор размещается на подвижной тележке.

Недостатком линейных асинхронных двигателей является низкий к.п.д и связанные с этим потери энергии, прежде всего, во вторичном элементе (потери скольжения).

В последнее время кроме асинхронных начали применяться синхронные (вентильные) двигатели. Конструкция линейного двигателя такого типа аналогична представленной на рис. 1. Статор двигателя развернут в плоскость, а на вторичном элементе размещаются постоянные магниты. Возможен вариант обращенной конструкции, когда статор является подвижной частью, а вторичный элемент с постоянными магнитами неподвижен. Переключение обмоток статора производится в зависимости от относительного положения магнитов. С этой целью в конструкции предусмотрен датчик положения (4 — на рис. 1).

Для позиционных приводов эффективно применяются также линейные шаговые двигатели. Если развернуть в плоскость статор шагового двигателя, а вторичный элемент выполнить в виде пластины, на которой путем фрезерования канавок образованы зубцы, то при соответствующем переключении обмоток статора вторичный элемент будет совершать дискретное движение, шаг которого может быть весьма малым — до долей миллиметра. Часто применяется обращенная конструкция, в которой вторичный элемент неподвижен.

Скорость линейного шагового двигателя определяется величиной зубцового деления τ, числом фаз m и частотой переключения

Получение высоких скоростей движения не вызывает трудностей, поскольку увеличение зубцового деления и частоты не лимитируется технологическими факторами. Ограничения существуют для минимального значения τ, т.к. отношение зубцового деления к величине зазора между статором и вторичным элементом должно быть не меньше 10.

Использование дискретного привода позволяет не только упростить конструкцию механизмов, совершающих линейное однокоординатное движение, но и дает возможность с помощью одного привода получить двух или многокоординатное движение. Если на статоре подвижной части расположить ортогонально две системы обмоток, а во вторичном элементе выполнить канавки в двух перпендикулярных направлениях, то подвижный элемент будет совершать дискретное движение в двух координатах, т.е. обеспечивать перемещение на плоскости.

В этом случае возникает задача создания опоры для подвижного элемента. Для ее решения может использоваться воздушная подушка — напор воздуха, подаваемого в пространстве под подвижным элементам. Линейные шаговые двигатели развивают относительно низкое тяговое усилие и имеют низкий к.п.д. Основной областью их применения являются легкие манипуляторы, легкие сборочные станки, измерительные машины, станки для лазерной резки и другие устройства.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя срабатывания вентилятора

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Электропривод

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Применение линейных двигателей — Достоинства и недостатки линейного двигателя

Содержание материала

  • Применение линейных двигателей
  • Историческая справка
  • Принцип действия и конструкции
  • Достоинства и недостатки
  • Регулирование скорости и тяги
  • Перспективы применения

Достоинствами линейных асинхронных двигателей, используемых в качестве двигателя транспортных средств, являются:
отсутствие скользящих электрических контактов, вращающихся деталей и зубчатых колес; из-за отсутствия в приводе зубчатой передачи эксплуатационные расходы могут быть снижены на 25%;
отсутствие ограничений, обусловливаемых сцеплением колес с рельсами;
уменьшение массы двигателя, установленного на вагоне, связанное с тем, что элемент, играющий роль вторичного элемента, установлен на полотне дороги, однако в отличие от двигателей с вращающимися частями скорость ротора относительно статора не может быть повышена путем применения зубчатых колес. Это способствует увеличению веса линейного двигателя с продольным потоком по сравнению с эквивалентным двигателем с вращающимися частями, установленным на обычном вагоне. Следует сказать, что в связи с изобретением линейного двигателя с поперечным потоком этот недостаток несколько смягчается·;
улучшение тепловых характеристик, объясняемое тем, что работающий двигатель удаляется от нагреваемой им части реактивной шины;
отсутствие ограничений, накладываемых предельно допустимой окружной скоростью вращающихся деталей;
при экстренном торможении не возникает проблем. Чтобы затормозить вагон, надо поменять направление бегущего магнитного поля переключением двух фаз или питать обмотки линейного двигателя постоянным током, а также можно использовать рекуперативное торможение. Для этого необходимо снижать частоту питания, чтобы синхронная скорость была меньше скорости вагона. В этом случае линейный двигатель будет работать в режиме генератора [113];
двигатель бесшумный, не загрязняет воздух [122].

Линейному двигателю присущи следующие недостатки:
применение линейного двигателя связано с недостаточным использованием габарита подвижного состава;
увеличение стоимости из-за необходимости выполнения реактивной шины из цветного металла;
относительно низкий к.п.д. и коэффициент мощности; необходимость выполнения поперечной направляющей системы; трудность обеспечения прохождения кривых участков пути и стрелочных переводов;
необходимость обеспечения питания трехфазным током при переменных напряжениях и частоте [113, 154];
необходимо поддерживать малый зазор между неподвижным и подвижным элементами двигателя [122].
Есть еще одна проблема, которая присуща всем высокоскоростным видам электрического транспорта, — это проблема токосъема при высоких скоростях. Этим вопросом занимаются во многих странах мира [196, 197].
Все указанные недостатки являются недостатками конструкций и могут быть устранены по мере дальнейших разработок, а к.п.д. и cosφ зависят от особенностей линейного асинхронного двигателя.

Магнитные поля в тяговых линейных двигателях отличаются от магнитных полей реактивных асинхронных двигателей в силу ряда обстоятельств. Одни из них связаны с различием в параметрах (например, в десятки раз больший зазор в магнитной системе линейного двигателя) и отражаются на количественной стороне явлений, другие связаны с особенностями конструкции линейного двигателя и вызывают новые физические явления в машине.

Отметим важнейшие из них.
Индуктор тягового линейного двигателя имеет конечную длину в направлении бегущего магнитного поля, которое как бы возникает на одном и исчезает на другом конце сердечника индуктора. Эту особенность характеризуют как «разомкнутость» магнитной системы линейного двигателя. Она, в частности, вызывает несимметрию токов в обмотках индуктора и пульсирующую составляющую магнитного поля индуктора [21, 168]. Пульсацию магнитного поля можно уменьшить при помощи компенсирующих катушек или полностью устранить при помощи новой конструкции магнитной системы линейного двигателя [21, 126, 154]. Это явление называется первичным продольным краевым эффектом.
Отдельные участки реактивной шины последовательно входят в магнитное поле движущегося индуктора и затем выходят из этого поля. Процессы «входа-выхода» вызывают ряд новых, характерных и неустранимых явлений, совокупность которых называют вторичным продольным эффектом. Токи, наводимые в участках реактивной шины, определяются изменением магнитных потоков, сцепленных с контурами токов на этих участках. Изменение в потокосцеплениях вызывается как перемещением поля (скольжением) индуктора относительно шины со скоростью V=SV, так и процессами «входа» участков реактивной шины в магнитное поле индуктора и последующим их «выходом» из этого поля. Соответственно с этим токи в шине могут быть подразделены на токи скольжения, создающие тяговые усилия линейного двигателя, и вихревые токи, связанные с установлением и исчезновением магнитного поля в участках шины при их проходе через зазор индуктора.
Магнитные поля индуктора подразделяются на главное поле и на боковые и торцевые поля рассеяния. Последние являются пульсирующими полями. Явление вторичного краевого эффекта заключается в том, что в проводящем вторичном элементе не может сразу, мгновенно возникнуть магнитный поток. Во вторичном элементе возникает мгновенно электрическое поле, и токи, создаваемые этим полем, стремятся создать противопоток, в результате чего на входе резко падает индукция.
Аналогичная картина на выходе, только там токи во вторичном элементе стараются препятствовать уменьшению потока, и магнитное поле выносится за конец индуктора. Это явление тем ярче выражается, чем выше синхронная скорость.
Описанные краевые эффекты более или менее подробно анализированы в литературе [1, 6, 7, 21, 26, 31-33, 75, 76, 83, 97, 101, 120, 125, 129, 130, 141, 146, 159, 170-173]. Одновременно и в Японии [141], и в СССР, в Ленинградском политехническом институте и в ВЭлНИИ, были получены результаты, которые не объясняются ранее разработанной теорией вторичного продольного эффекта [204—206].
Лабораторный макет тягового линейного двигателя был разработан ВЭлНИИ и изготовлен на Новочеркасском электровозостроительном заводе. Все физические процессы в нем протекали, как в реактивном линейном двигателе, и было обеспечено удобство исследований. Он состоит из индуктора с двойным сердечником 1 (рис. 14), несущим обмотку 2 и установленным на раму 3 так, что зазор между сердечниками может регулироваться в пределах 20-50 мм. Функции реактивной шины в макете выполняет реактивный диск 4 из дюралюминия, насаженный на вал нагрузочной машины постоянного тока. Первый вариант сердечников имел среднюю длину 860 мм при ширине 120 мм. На сердечнике уложена шестиполюсная трехфазная обмотка.
Особенностью данного исполнения макета тягового линейного двигателя, отличающей его от аналогичных установок, является дугообразная форма сердечников индуктора. Этим обеспечивается соответствие траекторий бегущего магнитного поля индуктора и перемещений в нем элементов вращающегося реактивного диска, следствием чего является соответствие процессов макета линейного тягового двигателя данного исполнения таковым в реальном тяговом двигателе с поступательным движением элементов. Установка питается от машинного агрегата, чем обеспечивается синусоидальная форма кривых тока в обмотках линейного двигателя и снимаются побочные явления, связанные с, высшими гармоническими тока.

Рис. 14. Макет линейного двигателя.

По механическим параметрам макет тягового линейного двигателя может работать при линейных скоростях до 350 км/ч, но и по условиям питания эта скорость была ограничена 100 км/ч. Линейная скорость диска относится к середине ширины пакетов стали индуктора [204, 207].
При малых синхронных скоростях вторичного элемента вместо тормозных усилий появляются тяговые, при постепенном увеличении синхронной скорости тяговые усилия уменьшаются и переходят в тормозные (рис. 15) [205, 141].
Существуют также краевые поперечные эффекты, которые проявляются в поперечном направлении двигателя, так как ширина сердечника ограничена. Краевые поперечные эффекты существуют и во вращающихся машинах, но они менее значительны. Во-первых, во вращающемся двигателе ток проходит по проводникам, расположенным в роторе (за некоторым исключением), а не в общей массе ротора. В роторе асинхронного двигателя активный ток проходит по токопроводящим стержням, а обратный — по короткозамкнутым кольцам. Сплошной ротор линейного двигателя не позволяет отделить активные токи от обратных. Во-вторых, ширина ротора и статора во вращающемся двигателе одинакова. В линейном двигателе ротор может быть шире, чем статор, иметь ту же либо меньшую ширину, чем статор.
Обратные токи протекают и в тех зонах ротора, которые расположены за статором, если статор уже, чем ротор.
Если же в силу конструктивных причин статор шире, чем ротор, то обратные токи, естественно, проходят в частях ротора, находящихся в активной зоне статора. Поток возбуждения плохо используется, и это явление приводит к кажущемуся увеличению вторичного сопротивления. Этот эффект стремится увеличить пусковое усилие, но номинальный режим работы двигателя становится менее эффективным [175].

Рис. 15. Зависимость результирующей электромагнитной силы, вызванной процессами «входа-выхода», от индукции для различных синхронных скоростей движения
Явление описано и в зарубежной, и в отечественной литературе [8, 10, 11, 15, 68, 69, 71, 115].

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector