Что такое коаксиальный двигатель

Содержание
  1. Коаксиальные компрессоры и их отличие
  2. Почему производители электромобилей не используют электродвигатели с аксиальным потоком?
  3. Аксиальный двигатель внутреннего сгорания Г.Л.Ф. Треберта (США)
  4. Общий обзор линейных электродвигателей
  5. Основные принципы действия плоского и коаксиального линейных двигателей, их главные преимущества и недостатки. Сравнение электродвигателей с другими электромеханическими, гидравлическими и пневматическими приводами возвратно-поступательного движения.
  6. Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
  7. Из истории создания линейных электродвигателей
  8. Принцип действия линейного электродвигателя.
  9. Принцип действия линейного коаксиального двигателя.
  10. Области применения линейных двигателей
  11. Автоматические ленты (конвейеры)
  12. Станкостроение
  13. Широкое распространение получили линейные серводвигатели в отечественном и зарубежном станкостроении. Напомним, что сервоприводом называется система, состоящая из электромеханического привода, задачей которой является отслеживание заданного положения. Именно поэтому сервоприводы так востребованы в станкостроении. Во многих современных обрабатывающих комплексах требуется обеспечить поступательное движение рабочего органа по трём осям в пространстве. Работа ведётся именно в декартовых координатах. В качестве примера можно привести такое новое направление в развитии станкостроении как 3D принтеры. Так чем же линейный двигатель лучше традиционных решений в этой области, таких как ременные, реечные передачи, или же передачи типа «винт-гайка»? Подробно этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе данной статьи, а пока что кратко перечислим основные преимущества:
  14. Упаковочные, раздаточные механизмы на производстве.
  15. Все вышеперечисленные преимущества линейных сервоприводов могут быть полезны в случае использования его не только лишь в составе обрабатывающего комплекса, но также и в качестве основного приводного механизма иного специализированного оборудования на производстве. Рассмотрим, в качестве примера, в составе каких устройств предлагает немецкая компания «Dunkermotoren» использовать свои коаксиальные сервоприводы (Рис. 5) [6].
  16. А) Розлив жидкости по бутылкам;
  17. Б) Транспортировка с одного конвейера на другой;
  18. В) Упаковка продукта в тару;
  19. Г) Толкатели для карусельного буфера.
  20. Делая выводы из вышеперечисленных примеров, можно заключить, что применение линейного двигателя на производстве ограничено лишь разнообразием оснастки, устанавливаемой на подвижный элемент.
  21. Тяжёлая строительная техника
  22. Лифты, элеваторы
  23. Магнитогидродинамический (МГД) насос
  24. Оружие
  25. В следующих двух пунктах будут рассмотрены, так называемые, линейные двигатели больших ускорений. К данному классу двигателей не предъявляется таких стандартных требований как продолжительная работа в номинальном режиме, точность позиционирования, или же широкий диапазон регулировочных характеристик. Главный критерий качества таких машин — это то, какое максимальное ускорение они могут сообщить объекту управления. Несомненно, стрелковое оружие — одна из тех областей, где этот параметр играет немаловажную роль. Если представить линейный коаксиальный двигатель, вторичным элементом которого является кинетический снаряд, то мы получим ничто иное как электромагнитное орудие [19]. Разница лишь в том, что снаряд, в отличие от типового вторичного элемента линейного асинхронного двигателя имеет меньшую длину, чем индуктор. Это накладывает определённые требования к управлению обмотками подобного ускорителя, а именно следующие — ток в дисковой катушке должен падать до нуля именно в тот момент, когда снаряд находится в её геометрическом центре. И в этот же момент должна включаться следующая по ходу движения снаряда катушка. Таким образом снаряд в стволе будет разгоняться непрерывно, а кроме того — центрироваться, благодаря известной форме силовых линий магнитного поля катушки. К преимуществам такого вида оружия можно отнести бесшумность и беспламенность.
  26. Электромагнитное орудие не требует периодичной замены ствола так, как этого требует огнестрельное оружие. Отдача от выстрела меньше, чем у огнестрельного ввиду отсутствия дополнительного импульса, связанного с выходом пороховых газов. При условии герметизации электрических цепей стрельба может вестись практически в любой среде, так как для произведения выстрела не требуется наличие кислорода. Да и сам снаряд стоит дешевле. Но несмотря на все вышеперечисленные преимущества электромагнитное орудие данного типа так никогда и не было выпущено серийно. Основная причина этого — низкий КПД подобной машины, и, как следствие, высокое энергопотребление. Именно отсутствие компактного, но мощного источника электропитания и по сей день является «камнем преткновения» в вопросе применения электродвигателей любых типов на мобильных автономных устройствах. На сегодняшний день известно применение линейного двигателя в качестве разгонного устройства для снарядов только лишь в экспериментальных, любительских установках. Хотя не отрицается перспектива использования подобного оружия в условиях космического пространства.
  27. Стартовые катапульты
  28. Задачей такого устройства является обеспечение максимальной начальной скорости вылета летательного аппарата с направляющей установки. Подобные системы, как правило, используются на авианосцах, а также в качестве переносного устройства запуска БПЛА. Наличие стартовой катапульты для БПЛА снимает необходимость во взлётной полосе, что является существенным преимуществом в плане мобильности аппарата. Как правило, приводы таких катапульт либо пороховые, либо основаны на применение упругих элементов. Недостатком порохового заряда является высокий уровень шума, издаваемого при воспламенении. Сила, сообщаемая от упругого элемента разгоняемому БПЛА, линейно уменьшается по мере прохождения дистанции разгона. Линейный электродвигатель лишён подобных недостатков, хотя его использование требует соответствующего энергоснабжения. Когда подобная система используется в составе авианесущего судна с ядерной силовой установкой указанная проблема энергоснабжения перестаёт быть проблемой.
  29. Начиная с 2010 года ВМФ США проводит успешные испытания электромагнитной катапульты «EMALS» (ElectroMagnetic Aircraft Launch System), установленной в составе авианосца «Gerald R. Ford» [20]. В ходе испытаний, тестовая тележка массой 3,6 тонны была разогнана до скорости в 333 (км/ч). Учитывая длину разгонной полосы в 91 метр, нетрудно посчитать, что сообщаемое ускорение примерно равняется 4,7g. Преимущества электромагнитной катапульты перед традиционной паровой заключаются в её лучших масса-габаритных параметрах, большей надёжности и меньшем энергопотреблении.
  30. Элемент подвески транспортного средства
  31. В 2004 году компания Bose® представила прессе результат своей 24-летней исследовательской работы — систему электромагнитной подвески для автомобиля [21]. Особенность данной системы заключается в том, что функции упругого элемента, демпфера, а также системы обеспечения поперечной жёсткости были возложены на один единственный элемент — линейный электродвигатель (рис. 7).
  32. Сравнение приводов поступательного движения

Коаксиальные компрессоры и их отличие

Что такое коаксиальный компрессор и в чем его отличие?

Отличие коаксиальных компрессоров в том что это воздушный компрессор, в котором используется прямое соединение вала двигателя с валом головки компрессора. Чаще всего такая конструкция применяется в поршневых воздушных компрессорах, предназначенных для бытовых целей. Но есть и винтовые маслозаполненные воздушные компрессоры, где применяется похожая конструкция (например, компрессор Solo). Подобное оборудование используется для работ небольшого объема, например, покрасочных работ в автомастерских. Компрессор с коаксиальным приводом может быть масляным или безмасляным, одно- или двухступенчатым.

Достоинством таких воздушных компрессоров служит их небольшой размер и оригинальные технические решения, используемые в их производстве. Прямой привод, которым обладает коаксиальный компрессор, позволяет избавиться при его производстве от ряда деталей, что положительно сказалось на его стоимости. Компрессоры с прямым приводом эффективнее устройств с опосредованным соединением, так как в этом случае отсутствуют потери мощности на соединительных механизмах. Другими словами – весь крутящий момент, который выдает электродвигатель, передается валу поршневой головки.

Коаксиальный компрессор уникален тем, что компрессорная головка за счет прямого соединения вынуждена работать с той же частотой, что и двигатель, а это обеспечивает стабильную и оптимальную подачу сжатого воздуха.

Единственным минусом является то что если с напряжением в сети есть проблемы, то компрессор с коаксиальным приводом вряд ли сможет запуститься.

Вы можете отправить ссылку на эту страницу в популярные социальные сети и месенджеры

Источник

Почему производители электромобилей не используют электродвигатели с аксиальным потоком?

Если вы возьмёте любой конвейерный электромобиль, то там обязательно будут установлены редукторные электроприводы. Архитектура силовой установки всегда одинаковая у всех без исключения производителей электромобилей: высокоскоростной тяговый электродвигатель вращает редуктор, чтобы понизить скорость вращения, повысить крутящий момент и передать эту мощность на колёса через дифференциал. У электромобилей, которые только готовятся к конвейерному производству, а также у электрических гиперкаров с ограниченным тиражом архитектура электропривода та же самая.

И отсюда возникает вопрос: почему производители электромобилей даже не рассматривают архитектуру силовой установки с прямым электроприводом, когда все четыре колеса вращаются напрямую (через ШРУСы и полуоси) от вала электродвигателя без каких-либо редукторов и дифференциалов?

Специально для таких целей производители электродвигателей предлагают электрические машины с аксиальным магнитным потоком, которые рассчитаны на низкие скорости вращения и высокие крутящие моменты. Так например американская компания Evo AVID Technology расширила линейку своих тяговых электродвигателей моделью AF340 , максимальная мощность которой доходит до 660 кВт (898 л.с.), а пиковый крутящий момент достигает 1800 Нм. При этом эта сборка аксиальных электродвигателей, приведённых к одному валу при соосном сращивании, весит 122 кг. Максимальная скорость вращения ограничена на отметке 5000 об/мин, что при прямом приводе колеса диаметром 70 см эквивалентна теоретически достижимой максимальной скорости до 660 км/ч.

До официального выхода этой модели мы довольствовались моделью AF240 максимальной мощностью 440 кВт (598 л.с.) с пиковым моментом 1200 Нм. Т.е. теперь они просто сделали соосное сращивание не двух как ранее электродвигателей AF140, а трёх, и тем самым увеличили параметры в полтора раза. До этого обычно мы заказывали четыре AF240 по одному на каждое колесо. Изображение прямого электропривода одной из оси электромобиля (передней или задней) можно видеть на самом первом фото статьи.

Там есть дополнительная алюминиевая станина, которая объединяет два электродвигателя AF240 так, чтобы выходные валы получившегося электропривода были развёрнуты к колёсам. И таким образом суммарная мощность такой установки доходит до 880 кВт (1197 л.с.), а момент до 2400 Нм. Разумеется на второй оси электромобиля расположена точно такая же установка, и таким образом суммарная мощность электрического гиперкара доходит до 2394 л.с., а суммарный колёсный момент до 4800 Нм.

И тут в Evo AVID вдруг решили, что нам этого мало. Что мы никого не сможем удивить на фоне грядущих конвейерных электрических гиперкаров типа Lotus Evija с его 2000 л.с. и Rimac C Two с его 1914 л.с. Они решили что заказчикам этих 2394 л.с. уже недостаточно и предложили нам собрать силовую установку с суммарной мощностью 3590 л.с. на четырёх AF340. Только вот проблема в том, что нам особо негде разогнаться до скорости 660 км/ч, да и Дмитровский автополигон пока на такое не рассчитан.

Так вот возвращаясь к теме обсуждения — почему все производители электромобилей демонстративно игнорируют эти технологии прямого привода — можно рассмотреть ту же Теслу. Там у них на на топовых моделях стоит большой задний теперь уже синхронный на неодимовых магнитах электропривод весом 132 кг , и спереди стоит передний электропривод весом 90 кг . Их суммарный вес 222 кг, а мощность доходит до 800 л.с. И все они конечно же редукторные. Т.е. у Теслы удельная мощность электроприводов 3,6 л.с. с одного кг массы.

И все эти сложности делаются ради одного — крутящего момента на колёсах. У Теслы колёсный момент доходит до 12000 Нм, у Тайкана он тоже около 12000, у Римаца он доходит до 17000. Мощность сейчас мало кого интересует, всем нужен только колёсный крутящий момент. Именно этим и обуславливается выбор в пользу редукторного электропривода. Потому что электрическая тяговая установка с прямым безредукторным приводом никогда не даст вам таких внушительных колёсных крутящих моментов.

На высоких скоростях крутящий момент не играет принципиальной роли, там значение имеет только мощность. А вот на старте во временном промежутке от 0 до 2 секунд решающее значение имеет только крутящий момент. И его высокие значения позволяют вам выехать из 2 сек. при разгоне от 0 до 100 км/ч. Однако эти редукторные электроприводы не позволяют гиперкарам разгоняться свыше 450 км/ч.

Источник

Аксиальный двигатель внутреннего сгорания Г.Л.Ф. Треберта (США)

В начале десятых годов прошлого века возникла новая тенденция в двигателестроении. Инженеры нескольких стран занялись созданием т.н. аксиальных двигателей внутреннего сгорания. Компоновка мотора с параллельным размещением цилиндров и главного вала позволяла уменьшить габариты конструкции с сохранением приемлемой мощности. Ввиду отсутствия устоявшихся альтернатив силовые установки этого класса представляли большой интерес и регулярно становились предметами новых патентов.

В 1911 году к работам по тематике аксиальных двигателей подключился американский конструктор Генри Л.Ф. Треберт. Работая в собственной мастерской в Рочестере (штат Нью-Йорк), он разработал свой вариант перспективного двигателя, который, в первую очередь, предназначался для самолетов. Предполагаемая сфера применения сказалась на основных требованиях к конструкции. Новый двигатель должен был иметь минимально возможные габариты и вес. Анализ перспектив различных идей и решений привел к уже известным выводам: одно из самых лучших соотношений размеров, веса и мощности дает аксиальная компоновка.

Проект Треберта был готов к осени 1911 года. В октябре инженер подал заявку в патентное бюро, но ее одобрения пришлось ждать несколько лет. Патент был выдан только в ноябре 1917 года – через шесть лет после подачи документов. Тем не менее, конструктор получил все необходимые документы, которые, в частности, позволили ему остаться в истории как создателю интересного проекта.

Г.Л.Ф. Треберт решил строить новый авиационный двигатель по аксиальной схеме с воздушным охлаждением цилиндров. С целью улучшения охлаждения, подобно другим разработкам того времени, новый мотор планировалось делать ротативным с поворачивающимся блоков цилиндров. Кроме того, автор проекта предложил использовать новый механизм преобразования движения цилиндров во вращение вала. Предыдущие аксиальные двигатели для этого использовали шайбовый механизм. В проекте Треберта для этих целей предлагалось использовать коническую зубчатую передачу.

Основной деталью двигателя Треберта был цилиндрический картер, состоящий из крупной «банки» и крышки с болтовым соединением. Внутри картера размещался основной механизм. Поскольку двигатель был ротативным, на донной части картера предусматривались жесткие крепления для вала, на котором должен был устанавливаться воздушный винт. Кроме того, внутри картера предусматривались подшипники для главного вала, который предлагалось жестко закреплять на мотораме самолета.

В крышке предусматривались отверстия для установки литых цилиндров. Известно о существовании двух вариантов двигателя Треберта. В первом применялись четыре цилиндра, во втором – шесть. Патент 1917 года был выдан на шестицилиндровый двигатель. Следует отметить, количество цилиндров не сказывалось на общей компоновке двигателя и влияло только на размещение конкретных агрегатов. Общая структура двигателя и принцип его работы не зависели от числа цилиндров.

Внутри цилиндров размещались поршни с шатунами. Ввиду использования сравнительно простого механизма передачи Треберт использовал качающееся крепление шатунов, которые могли двигаться только в одной плоскости. В верхней части цилиндра предусматривался патрубок для подачи бензовоздушной смеси от карбюратора. Патрубок имел Г-образную форму и своим верхним концом соприкасался со специальным полым барабаном на главном валу двигателя. В стенке барабана предусматривалось окно для подачи смеси. При вращении подвижного блока двигателя впускные патрубки последовательно соединялись с окном барабана и подавали смесь в цилиндр. Кроме того, имелись клапаны для сброса выхлопных газов. Отдельный выхлопной коллектор не предусматривался, газы выбрасывались через патрубок цилиндра. Зажигание производилось свечами, соединенными с магнето. Последнее, согласно патенту, размещалось рядом с валом воздушного винта.

Более ранние аксиальные двигатели Смоллбоуна и Макомбера имели в своем составе механизм «планшайба-стержни». Такая система обеспечивала требуемые характеристики, но была сложной с точки зрения конструкции, эксплуатации и обслуживания. Генри Л.Ф. Треберт предложил использовать для тех же целей коническую зубчатую передачу. На жестко закрепленном главном валу размещалось зубчатое колесо, которое отвечало за поворот всей конструкции двигателя. С ним контактировали 4 или 6 зубчатых колес (по числу цилиндров) меньшего диаметра. Эти шестерни были связаны с кривошипами и шатунами поршней.

Во время работы двигателя поршни, двигаясь вниз и вверх относительно цилиндра, через шатуны и кривошипы должны были вращать малые шестерни. Последние, находясь в сцеплении с жестко закрепленным главным зубчатым колесом, заставляли блок цилиндров и картер вращаться вокруг главного вала. Вместе с ними должен был вращаться и воздушный винт, жестко закрепленный на картере. За счет вращения предполагалось улучшить обдув головок цилиндров с целью более эффективного охлаждения.

Запатентованный вариант двигателя Треберта имел цилиндры с внутренним диаметром 3,75 дюйма (9,52 см) и ходом поршня длиной 4,25 дюйма (10,79 см). Общий рабочий объем двигателя составлял 282 куб. дюйма (4,62 л). В составе двигателя планировалось использовать карбюратор фирмы Panhard и магнето компании Mea. Предлагаемый двигатель, по расчетам, мог развивать мощность до 60 л.с.

Характерной особенностью аксиальных двигателей внутреннего сгорания являются сравнительно малые габариты и вес конструкции. Двигатель Треберта не стал исключением из этого правила. Он имел максимальный диаметр 15,5 дюйма (менее 40 см) и общую длину 22 дюйма (55,9 см). Общий вес двигателя со всеми агрегатами составлял 230 фунтов (менее 105 кг). Таким образом, удельная мощность составляла 1,75 л.с. на килограмм веса. Для авиационных двигателей того времени это было неплохим достижением.

Аксиальный авиационный двигатель конструкции Г.Л.Ф. Треберта стал предметом патента, выданного в ноябре 1917 года. Дальнейшая судьба проекта достоверно неизвестна. В некоторых источниках упоминается, что Треберт смог начать серийное производство изделий собственной разработки, но подробности этого отсутствуют. Дефицит информации позволяет предполагать, что двигатели Треберта не заинтересовали потенциальных покупателей. В противном случае история сохранила бы информацию об использовании таких моторов в качестве силовой установки каких-либо самолетов. Вероятно, ввиду позднего получения патента конструктор не успел представить свою разработку в то время, когда она была актуальна и представляла интерес. Как результат, двигатели, если и производились серийно, не имели большого успеха.

Источник

Общий обзор линейных электродвигателей

Основные принципы действия плоского и коаксиального линейных двигателей, их главные преимущества и недостатки. Сравнение электродвигателей с другими электромеханическими, гидравлическими и пневматическими приводами возвратно-поступательного движения.

Рубрика Физика и энергетика
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 22.04.2017
Размер файла 555,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Линейные электродвигатели. Общий обзор

На сегодняшний день во многих узлах машин и механизмов возникает потребность в приводах поступательного движения. Реализация таких приводов доступна множеством возможных способов в зависимости от требований технического задания к разрабатываемой конструкции, а также параметрам самого привода. По способу преобразования энергии поступательные приводы можно разделить на 3 большие категории: электрические, пневматические и гидравлические. У каждого вида есть свои преимущества и недостатки, которые будут более подробно рассмотрены далее в этой статье. Общая черта распространённых на сегодняшний день «готовых решений» в области линейного позиционирования — это большое количество узлов и деталей, составляющих конструкцию привода, что в последствии сказывается на эффективности работы, простоте настройки и обслуживания, а также долговечности этого механизма. В связи с этим активно разрабатываются линейные машины непосредственного действия. В конструкции таких машин, как правило, отсутствуют редукторы и механические преобразователи вращательного движения в поступательное. Таким образом, движение приводящего и приводимого элемента осуществляются в одной и той же координате. Именно этим требованиям и отвечает получивший в последнее время широкое распространение такой класс электрических машин, как линейные электродвигатели. Цель данной работы — представить обзор данного класса двигателей в удобном для читателя виде, путём систематизирования информации из различных источников. Также, в статье будет рассмотрен принцип действия линейных электродвигателей, области их применения, их сравнение с иными приводами поступательного движения, и разновидности их конструкций.

Из истории создания линейных электродвигателей

Самое раннее упоминание об электрической машине, взаимодействие электромагнитных полей в которой заставляло один элемент продольно перемещаться относительно другого, связано с именем Чарльза Уитстоуна (Charles Wheatstone), английского учёного и изобретателя. Ещё в 1840-х годах им была описана модель подобного двигателя, правда конструкция его была примитивна и неэффективна [1]. Описание же более приближённой к реальным условиям модели было задокументировано в 1905 году изобретателем Альфредем Зеденом (Alfred Zehden) [2]. Первые функционирующие модели были произведены на 30 лет позже, лишь только в 1935-1940 годах.

С тех пор многое изменилось в конструкции линейных электродвигателей: вошли в применение новые материалы (в том числе постоянные магниты с содержанием редкоземельных металлов), были спроектированы различные модификации приводов для самых разнообразных отраслей применения, а номенклатура номинальных мощностей разрослась в диапазоне от 0.5 (мВт) [3] до 1200 (кВт) [4].

Принцип действия линейного электродвигателя.

Линейный электродвигатель представляет из себя электрическую машину, активные поверхности взаимодействующих элементов магнитной системы которой разомкнуты. Первичный элемент, как правило, называют индуктором [5] или же «forcer», в англоязычной литературе [6]. Первичный элемент является прямым аналогом статора электродвигателя вращательного движения. В индукторе размещаются обмотки возбуждения, подключённые к сети переменного тока. В большинстве случаев индуктор является неподвижным. Хотя, впрочем, в специализированных технических областях встречаются конструкции обращённой линейной машины, например тяговый двигатель составов монорельсовой транспортной системы. К сложности создания двигателя с подвижным индуктором можно отнести необходимость в скользящем контакте для передачи энергии в обмотки двигателя.

Название вторичного элемента, как правило, используется без изменения, хотя в некоторой литературе встречается термин «якорь», в качестве обозначения подвижного элемента линейного двигателя. Вторичный элемент по аналогии можно сравнить с ротором. Технологическое исполнение вторичного элемента зависит от типа проектируемой электрической машины: это может быть металлический лист, покрытый слоем материала высокой электропроводности для случая асинхронной машины или же набор постоянных магнитов, уложенных в плоскости разными полюсами друг за другом в случае синхронной. Применение редкоземельных магнитов в конструкции вторичного элемента привело к значительному увеличению силовых показателей электродвигателей.

Рис. 1. Общая идея конструкции линейного электродвигателя

На рис. 1 изображено общее представление о конструкции линейного электродвигателя. Это есть ничто иное, как развёртка обоих элементов бесколлекторного вращательного двигателя. На данном конкретном примере — развёртка трёхфазной синхронной обращённой машины.

Рассмотрим взаимодействие магнитных полей в двигателе, приводящее к появлению продольной силы на примере двухфазной синхронной машины. На рис. 2 представлена эквивалентная схема, поясняющая принцип работы. Индуктор неподвижно закреплён на основании. Вторичный элемент может перемещаться вдоль прямой, параллельной основанию на опорах скольжения. Обмотки индуктора представлены в виде цилиндрических катушек, подключённых к сети переменного тока. В общем случае, для обеспечения непрерывности сообщаемого вторичному элементу усилия необходимо, чтобы разность фаз коммутации обмоток индуктора удовлетворяла уравнению:

где ТИ — расстояние между геометрическими центрами соседних обмоток, м;

ТВЭ — расстояние между геометрическими центрами двух ближайших одинаково ориентированных магнитов.

Таким образом, в воздушном зазоре будет формироваться бегущее магнитное поле.

Можно показать, что для машины, изображённой на рис. 2 разность фаз

Как известно, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноимённые — притягиваются. Сложив вектора всех действующих сил в системе получим результирующий вектор силы F, направленный вдоль оси вторичного элемента.

Рис. 2. Эквивалентная схема

Принцип действия линейного коаксиального двигателя.

Существует довольно много конструкций и разновидностей линейных электродвигателей. Одной из них является модификация линейной машины из плоского форм-фактора в цилиндрический. Такая конструкция получила название «коаксиальной» (в дословном переводе — соосная). Также, в некоторой литературе встречаются названия «трубчатая», «цилиндрическая» [7], а в английском языке «tubular linear motor» [8]. В данном случае оба элемента имеют форму вытянутых цилиндров, продольные оси которых совпадают. Причём вторичный элемент находится непосредственно внутри индуктора. Цилиндрический форм-фактор может являться более приветственным для некоторых технических задач ввиду его компактности. К примеру, если требуется заменить гидро или пневмоцилиндры в некотором устройстве электрическим приводом.

Существует принципиальная разница между ранее рассмотренной схемой линейного двигателя и его коаксиальной модификацией. Разница эта заключается в способе замыкания магнитного потока двигателя. В первом случае поток замыкается поперечно, относительно вектора действующей силы. В коаксиальном же варианте магнитный поток замыкается продольно. Рассмотрим подробно устройство обеих частей коаксиального двигателя.

Индуктор состоит из магнитопровода, который, как правило, набирается из отдельных стальных шайб. В пазы шайб укладываются дисковые катушки, являющиеся обмотками возбуждения [9]. Контакты для подключения к сети выводятся наружу, за периметр шайбы. Схематический чертёж элемента магнитопровода представлен на рис. 3.

Вторичный элемент коаксиального двигателя может быть выполнен в трёх различных вариантах: стержень, в котором постоянные магниты цилиндрической формы уложены одноимёнными полюсами друг к другу; стержень или же полая труба из ферромагнитного материала. В конструкции корпуса индуктора должны быть предусмотрены подшипники скольжения в торцевых крышках, необходимые для опоры и центрирования вторичного элемента. Также разработчиком должны быть предусмотрены уплотнения подвижного соединения, если того требуют условия эксплуатации. Цилиндрическая форма вторичного элемента удобна для использования его в качестве поршня в различных устройствах, например, компрессорах или даже линейных дизель-генераторах.

Рис. 3. Элемент магнитопровода коаксиального двигателя

Рассмотрим принцип функционирования коаксиального двигателя. На рис. 4 изображена упрощённая схема трёхфазной синхронной машины. Зелёным цветом показаны силовые линии магнитного поля штока. Как видно из рисунка, в плоскости соединения одноимённых полюсов соседних магнитов линии магнитной индукции направленны вертикально вверх. Соответственно пересекать обмотку дисковой катушки они будут перпендикулярно. Значит, подавая в каждую из фаз двигателя требуемое напряжение можно заставить вторичный элемент перемещаться в продольном направлении (в случае, если индуктор неподвижно закреплён).

Рис. 4. Пояснительная схема [6].

Заметим, что каждая фаза двигателя воздействует на «соседний» относительно своей катушки магнит, т.к. на магнит, находящийся непосредственно в месте геометрического центра дисковой катушки не будет действовать продольная сила, а значит сдвинуть его без начального импульса не представляется возможным.

Трубчатый форм-фактор даёт существенные преимущества, т.к. продольное замыкание магнитного потока между обмотками индуктора и магнитным штоком обеспечивает математически идеальную ориентацию магнитного поля.

Области применения линейных двигателей


Автоматические ленты (конвейеры)


Станкостроение


Широкое распространение получили линейные серводвигатели в отечественном и зарубежном станкостроении. Напомним, что сервоприводом называется система, состоящая из электромеханического привода, задачей которой является отслеживание заданного положения. Именно поэтому сервоприводы так востребованы в станкостроении. Во многих современных обрабатывающих комплексах требуется обеспечить поступательное движение рабочего органа по трём осям в пространстве. Работа ведётся именно в декартовых координатах. В качестве примера можно привести такое новое направление в развитии станкостроении как 3D принтеры. Так чем же линейный двигатель лучше традиционных решений в этой области, таких как ременные, реечные передачи, или же передачи типа «винт-гайка»? Подробно этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе данной статьи, а пока что кратко перечислим основные преимущества:

· отсутствие промежуточных узлов между двигателем и рабочем органом;

· увеличенная долговечность привода;

· повышенная точность позиционирования;

· высокие показатели скорости и ускорения [11].

Немного поясним вопрос точности позиционирования. Абсолютная точность, разрешающая способность, а также повторяемость привода поступательного движения зависит от устройства обратной связи. На сегодняшний день в свободной продаже доступны множества различных датчиков линейного перемещения, скорости и ускорения, а также необходимые для их работы контроллеры. В связи с этим вопрос о точности позиционирования, в основном, упирается в бюджет, закладываемый на разработку и производство привода. Помимо этого, требуется высокая полоса пропускания системы управления линейным приводом, но, опять же, ввиду распространённости высококачественной цифровой электроники, данная проблема вполне решаема.

Упаковочные, раздаточные механизмы на производстве.


Все вышеперечисленные преимущества линейных сервоприводов могут быть полезны в случае использования его не только лишь в составе обрабатывающего комплекса, но также и в качестве основного приводного механизма иного специализированного оборудования на производстве. Рассмотрим, в качестве примера, в составе каких устройств предлагает немецкая компания «Dunkermotoren» использовать свои коаксиальные сервоприводы (Рис. 5) [6].


А) Розлив жидкости по бутылкам;


Б) Транспортировка с одного конвейера на другой;


В) Упаковка продукта в тару;


Г) Толкатели для карусельного буфера.


Делая выводы из вышеперечисленных примеров, можно заключить, что применение линейного двигателя на производстве ограничено лишь разнообразием оснастки, устанавливаемой на подвижный элемент.

Рис. 5. Линейныйе двигатели на производстве [6].

Перспективные виды путевого транспорта

К таким видам транспорта можно отнести маглев (поезд на магнитной подушке), а также монорельсовую транспортную систему. В августе 2001 года в Москве началось строительство первой и единственной в городе ветки монорельсовой транспортной системы. Поскольку подвижный состав такой системы эксплуатируется на подвесной путевой балке, перед разработчиками встал вопрос минимизации массы данного состава. Учитывая, что монорельс эксплуатируется на открытом воздухе, в холодное время года может возникать проблема обледенения опорной балки, а вес лёгкого подвижного состава может оказаться недостаточным для обеспечения надёжного зацепления микровыступов. Кроме того, следует заметить, что маршрут линии проходит через густонаселённую городскую застройку, значит на транспорт накладываются ограничения по уровню издаваемого шума. Анализ этих задач приводит к выводу, что недопустимо на данном виде транспорта использовать классические поворотные тележки со стальными колёсами. Опоры было решено выполнить в виде прорезиненных катков, а в качестве движителя разработчиками инженерно-научного центра «ТЭМП» был спроектирован тяговый линейный асинхронный двигатель [12]. В случае поезда на магнитной подвесной системе дело обстоит, в некотором роде, более однозначно, поскольку в данном случае колёсный движитель исключается по определению. Остаётся несколько возможных вариантов: реактивный двигатель, или же бесконтактный движитель, основанный на силовом взаимодействии электромагнитных полей. Реактивный двигатель отбрасывается по причине большого потребления топлива, а также недопустимо высокого уровня шума. Таким образом, линейный электродвигатель закрепил за собой право называться традиционным решением в качестве элемента, обеспечивающего движение поездов на магнитной подушке. В качестве примера можно привести японскую систему JR-Maglev, экспериментальный состав которой в 2003 году установил абсолютный рекорд скорости для железнодорожного транспорта в 581 км/ч с пассажирами на борту [13]. Конкретно в данной системе, на корпус состава устанавливаются сверхпроводящие постоянные магниты, а благодаря электромагнитам, помещаемым вдоль трассы генерируется бегущее магнитное поле. Иллюстрация принципа действия системы приведена на рис. 6.

Тяжёлая строительная техника

В [5] и [14] авторами рассматривается возможность создания ударного электромолота на базе линейного двигателя. Подобное устройство планируется применять для дробления горных пород, а также при дорожных и строительных работах для забивания свай. Конструкция такого рода установки приведена на рис. 7, где 1 — индуктор линейного двигателя, 2 — стрела молота, 3 — лебёдка, 4 — ударная часть молота. При забивании сваи, ударная часть молота может опускаться как под действием собственной силы тяжести, так и под действием суммы силы тяжести и силы, получаемой от линейного электродвигателя. Стрела молота опускается вниз при помощи лебёдки, по мере заглубления сваи. К преимуществам электромолота перед стандартными решениями, такими как дизельный молот и гидромолот, можно отнести возможность быстрого реверса, а также широкий диапазон регулирования выходного усилия.

Лифты, элеваторы

В 2014 году немецким концерном «ThyssenKrupp» было объявлено о начале работ по проектированию безтросовой лифтовой системы, получившей имя «MULTI» [15]. В рамках данной системы предполагается, что кабина будет оснащена двумя линейными электродвигателями — для вертикального и горизонтального перемещения соответственно. Данный подход может кардинально изменить представления о стандартной архитектуре высотных зданий. Также предполагается движение нескольких кабин внутри одной лифтовой шахты одновременно. Скорость движения кабины, по заявлениям разработчиков, будет составлять 5 (м/с), а линейный двигатель обеспечит его плавность. Идея о вышесказанном концепте звучит довольно авантюристично. Тем не менее, патент на схожую систему (вертикального перемещения) был зарегистрирован в 1993 году [16]. Запатентованный безтросовый лифт имеет в составе своей конструкции один плоский линейный электродвигатель, индуктор которого неподвижно закреплён относительно лифтовой шахты, а вторичный элемент выполнен в виде полосы, закреплённой на кабине лифта. В неподвижном состоянии система не расходует энергию на удержание веса, вместо этого активизируется тормозной механизм. Помимо вышесказанного, известны патенты на стандартные тросовые лифты, в качестве тяговых приводов которых используются линейные двигатели плоского (1992 год) [17] и коаксиального (1994 год) [18] исполнения. В обоих перечисленных случаях вторичный элемент двигателя устанавливается непосредственно на противовесе.

Рис. 7. Линейный двигатель для сваезабивного молота [5].

Магнитогидродинамический (МГД) насос

МГД-насос — это устройство для перекачки электропроводящего вещества в жидком состоянии. Конструктивное исполнение такого устройства существенно отличается от рассмотренных выше схем линейных двигателей, тем не менее, принципиальная схожесть физических процессов, благодаря которым функционируют обе эти машины позволяют косвенным образом классифицировать МГД-насосы как отдельное подразделение линейных электродвигателей. Магнитогидродинамические насосы могут быть как постоянного, так и переменного тока. Кратко поясним принцип работы подобного устройства на примере МГД-насоса постоянного тока. На рис. 8 [5] имеется: 1 — С-образный электромагнит, 2 — трубопровод с жидким металлом, 3 — электроды, приваренные к стенкам трубопровода. Через электроды подаётся постоянный ток, и, в области протекания этого тока формируется сила электромагнитного взаимодействия, проталкивающая металл далее по трубопроводу. Причём направление действия этой силы легко определить по известному правилу «левой руки». Преимуществами МГД-насосов являются: отсутствие вращающихся и трущихся деталей, возможность плавной регулировки расхода в широком диапазоне, простота эксплуатации и обслуживания, надёжность и безопасность в работе ввиду герметизации канала транспортируемой жидкости.

Рис. 8. МГД-насос постоянного тока [5].

Оружие


В следующих двух пунктах будут рассмотрены, так называемые, линейные двигатели больших ускорений. К данному классу двигателей не предъявляется таких стандартных требований как продолжительная работа в номинальном режиме, точность позиционирования, или же широкий диапазон регулировочных характеристик. Главный критерий качества таких машин — это то, какое максимальное ускорение они могут сообщить объекту управления. Несомненно, стрелковое оружие — одна из тех областей, где этот параметр играет немаловажную роль. Если представить линейный коаксиальный двигатель, вторичным элементом которого является кинетический снаряд, то мы получим ничто иное как электромагнитное орудие [19]. Разница лишь в том, что снаряд, в отличие от типового вторичного элемента линейного асинхронного двигателя имеет меньшую длину, чем индуктор. Это накладывает определённые требования к управлению обмотками подобного ускорителя, а именно следующие — ток в дисковой катушке должен падать до нуля именно в тот момент, когда снаряд находится в её геометрическом центре. И в этот же момент должна включаться следующая по ходу движения снаряда катушка. Таким образом снаряд в стволе будет разгоняться непрерывно, а кроме того — центрироваться, благодаря известной форме силовых линий магнитного поля катушки. К преимуществам такого вида оружия можно отнести бесшумность и беспламенность.


Электромагнитное орудие не требует периодичной замены ствола так, как этого требует огнестрельное оружие. Отдача от выстрела меньше, чем у огнестрельного ввиду отсутствия дополнительного импульса, связанного с выходом пороховых газов. При условии герметизации электрических цепей стрельба может вестись практически в любой среде, так как для произведения выстрела не требуется наличие кислорода. Да и сам снаряд стоит дешевле. Но несмотря на все вышеперечисленные преимущества электромагнитное орудие данного типа так никогда и не было выпущено серийно. Основная причина этого — низкий КПД подобной машины, и, как следствие, высокое энергопотребление. Именно отсутствие компактного, но мощного источника электропитания и по сей день является «камнем преткновения» в вопросе применения электродвигателей любых типов на мобильных автономных устройствах. На сегодняшний день известно применение линейного двигателя в качестве разгонного устройства для снарядов только лишь в экспериментальных, любительских установках. Хотя не отрицается перспектива использования подобного оружия в условиях космического пространства.


Стартовые катапульты


Задачей такого устройства является обеспечение максимальной начальной скорости вылета летательного аппарата с направляющей установки. Подобные системы, как правило, используются на авианосцах, а также в качестве переносного устройства запуска БПЛА. Наличие стартовой катапульты для БПЛА снимает необходимость во взлётной полосе, что является существенным преимуществом в плане мобильности аппарата. Как правило, приводы таких катапульт либо пороховые, либо основаны на применение упругих элементов. Недостатком порохового заряда является высокий уровень шума, издаваемого при воспламенении. Сила, сообщаемая от упругого элемента разгоняемому БПЛА, линейно уменьшается по мере прохождения дистанции разгона. Линейный электродвигатель лишён подобных недостатков, хотя его использование требует соответствующего энергоснабжения. Когда подобная система используется в составе авианесущего судна с ядерной силовой установкой указанная проблема энергоснабжения перестаёт быть проблемой.


Начиная с 2010 года ВМФ США проводит успешные испытания электромагнитной катапульты «EMALS» (ElectroMagnetic Aircraft Launch System), установленной в составе авианосца «Gerald R. Ford» [20]. В ходе испытаний, тестовая тележка массой 3,6 тонны была разогнана до скорости в 333 (км/ч). Учитывая длину разгонной полосы в 91 метр, нетрудно посчитать, что сообщаемое ускорение примерно равняется 4,7g. Преимущества электромагнитной катапульты перед традиционной паровой заключаются в её лучших масса-габаритных параметрах, большей надёжности и меньшем энергопотреблении.


Элемент подвески транспортного средства


В 2004 году компания Bose® представила прессе результат своей 24-летней исследовательской работы — систему электромагнитной подвески для автомобиля [21]. Особенность данной системы заключается в том, что функции упругого элемента, демпфера, а также системы обеспечения поперечной жёсткости были возложены на один единственный элемент — линейный электродвигатель (рис. 7).

Рис. 7. Линейный электродвигатель системы Bose® [22].

Благодаря своему форм-фактору, привод удачно интегрируется в конструкцию автомобиля, заменяя собой стандартный телескопическтий амортизатор. Таким образом обеспечивается независимая подвеска каждого колеса, благодаря чему имеется возможность регулировать поворачиваемость транспортного средства. Отработка неровностей дорожного полотна реализуется благодаря управляющим сигналам, сформированным быстродействующем контроллером, но помимо этого имеется возможность устранить продольные «клвеки» автомобиля при разгоне и торможении, а также ограничить боковой крен. Динамическая подвеска не требует точной ручной настройки. Все её рабочие параметры программируются управляющим контроллером. К основным преимуществам электромагнитной подвески перед другими системами адаптивного шасси относятся быстродействие и возможность рекуперации энергии. К примеру, пружинно-гидравлическая система «ABC» (Active Body Control) седанов Mercedes S-класса работает под высоким гидравлическим давлением (около 150 бар), которое поддерживается гидронасосом, отбирающим от двигателя мощность, порядка 20-25 кВт [22]. Заметный перерасход горючего — в конечном счете на обогрев атмосферы.

Электромагнитная подвеска требует примерно такой же мощности, но и возвращает в бортовую сеть порядка 16-20 кВт. Разумеется, есть у данной системы и недостатки — энергия расходуется не только лишь во время движения, но и в статике на поддержание веса автомобиля. Следовательно, применять подобную систему рационально в условиях непрерывной работы амортизаторов, там, где действительно требуется динамика. Пока что серийный выпуск адаптивной подвески не запущен, но компания прогнозирует востребованность подобных систем на автомобилях класса «люкс». линейный двигатель электромеханический привод

Сравнение приводов поступательного движения

Рассмотрим преимущества и недостатки основных типов приводов поступательного движения, таких как: гидравлические, пневматические, линейные электродвигатели и механические передачи, преобразующие вращательное движение электромотора в поступательное. Под последним типом будут подразумеваться: ременная передача, реечная передача, а также шариковинтовая (ШВП) и роликовинтовая (РВП) передачи. Относительное сравнение приводится для механизмов возвратно-поступательного действия.

Для начала чуть подробнее остановимся на механических передачах. Известно, что высокооборотные машины обладают существенно лучшими массогабаритными показателями, чем их аналоги с низкими частотами вращения. Но большинство механизмов, для которых создаётся электропривод как правило требуют много меньших частот вращения или же скоростей перемещения. Механические передачи в составе электроприводов поступательного движения выполняют как минимум 2 функции — редуктора и преобразователя координаты. В свою очередь каждая из этих составляющих вносит негативные факторы в параметры привода. Редуктор значительно сказывается на массогабаритных параметрах привода. Масса редуктора составляет до 80% от общей массы исполнительного механизма. В [23] автор приводит следующий пример: масса двигателя эскалатора метро Мдв = 0.8 (т), редуктора — Мред = 18 (т). Кроме того, не стоит забывать, что чем сложнее механизм — тем большее количество изнашивающих элементов он в себя включает. Основную составляющую шума и вибраций даёт именно редуктор. Наличие редуктора ухудшает условия переходного процесса (Тэм). Механические передачи любого рода вносят кинематическую погрешность в систему привода. Несмотря на рассмотренные недостатки поступательные приводы, основанные на механических передачах, остаются распространённым решением в промышленности. Основная причина этого — относительная дешевизна и простота вышеупомянутых конструкций.

Перечисляя ниже преимущества и недостатки конкретных устройств учтём, что сравнение ведётся между системами поступательного движения в целом, а не между отдельными промежуточными элементами, такими как механические передачи. Следовательно, для справедливой оценки КПД такой системы, необходимо учесть в ней наличие движителя. Как правило, движителями механических передач возвратно-поступательного действия является электродвигатель вращения, среднестатистический КПД которого з = 85%. Данное значение перемножается на КПД механической передачи для получения общего значения КПД системы.

1) Ременная передача. (общий КПД порядка 76%)

· Плавность и малошумность работы;

· Большой рабочий ход;

· Защита от перегрузок за счёт проскальзывания ремня;

Источник

Читайте также:  Громкая работа двигателя при запуске