Аксіальний двс. Аксіальний двигун внутрішнього згоряння Г.Л.Ф. Треберта (США). Ростех "загороджується" і робить замах на лаври Samsung і General Electric

Винахід відноситься до двигунів внутрішнього згоряння, а саме до двигунів роторних. Технічна задача, розв'язувана винаходом: підвищення надійності роботи конструкції, зокрема зниження зносу ущільнень лопаток. Двигун включає кришки, між якими встановлений на осі ротор, у напрямних прорізах якого встановлені лопатки. Лопатка має форму сплощеного циліндра, а на її бічній поверхні виконані два тангенціальні пази, розташовані діаметрально протилежно. Кришки з боку, зверненої до ротора, мають кільцеві виїмки, що утворюють кільцевий канал для проходження робочого тіла, розділений ротором. Кільцевий канал має у перерізі, що проходить через вісь, форму кола з діаметром, що відповідає діаметру лопатки. Канал хвилеподібно згинається за синусоїдою симетрично щодо середнього перерізу ротора, перпендикулярного осі. У кришках є вікна для впуску повітря та випуску відпрацьованих газів. У тілі кожної кришки є з'єднані з каналом камери, в яких розміщені форсунки паливні, а при необхідності калоризатори. Кільця ущільнювача вільно встановлені в пазах лопаток, виконаних на бічній поверхні їх дискових ділянок. 4 іл.

Винахід відноситься до двигунів внутрішнього згоряння, а саме до двигунів роторних. Відомий роторно-поршневий двигун Ванкеля [А.Ф.Крайнєв. Словник-довідник з механізмів. - М: Машинобудування, 1987 р., стор 40]. У двигуні тригранний ротор розміщений усередині циліндричного корпусу, профіль якого виконаний по епітрохоїді. Ротор встановлений так, що він може обертатися на ексцентриковому валу і жорстко з'єднаний із зубчастим колесом, яке взаємодіє із нерухомим зубчастим колесом. Ротор із зубчастим колесом обкатується нерухомим колесом так, що його грані ковзають по внутрішній поверхні корпусу, відсікаючи змінні об'єми камер внутрішнього каналу. При цьому канал для проходження робочого тіла утворений між внутрішньою поверхнею корпусу та поверхнею ротора. Корпус забезпечений вікнами для подачі паливної суміші та виходу газів, що відпрацювали, а також з'єднаною з каналом камерою зі встановленою в ній свічкою запалювання. Двигун не має масивних деталей, що здійснюють зворотно-поступальний рух, завдяки чому підвищується плавність ходу, зменшується рівень шуму та вібрації під час роботи. Однак конструкція має недоліки, пов'язані з наявністю зубчастих коліс та ексцентрикового валу, що знижує надійність його роботи. Як прототип обраний роторний аксіальний двигун [Заявка PCT 94/04794, МКІ F 01 C 1/344, опубл. 03.03.94]. Двигун має корпус, усередині якого на осі обертання закріплений дисковий ротор із встановленими у його прорізах лопатками. Корпус із двох з'єднаних між собою масивних кришок. У кільцевій виїмці кожної кришки з боку ротора встановлено знімну вставку, яка формує конфігурацію каналу для проходження робочого тіла. Таким чином, можна вважати, що кожна кришка виконана складовою. Це прийом використаний в прототипі підвищення технологічності виготовлення масивної кришки з каналом заданої конфігурації, яка диктується формою лопатки і законом її осьового зворотно-поступального переміщення. У прототипі використовуються лопатки у формі прямокутних пластин, короткі сторони яких звернені до кришок мають радіусне закруглення. Відповідну форму поперечному перерізі має кільцевий канал для проходження робочого тіла, який розділений диском ротора на дві рівні за обсягом частини. У напрямку уздовж осі ротора канал хвилеподібно згинається за періодичним законом, симетрично щодо середнього перерізу ротора, перпендикулярного осі ротора. Хвиля у розгортці на площині має форму трапеції. Кришки забезпечені вікнами для подачі повітря і виходу газів, що відпрацювали, а також камерою, з'єднаною з каналом, в якій встановлена паливна форсунка. Прототип, на відміну від наведеного вище аналога, має аксіальне розташування дискового ротора і повністю врівноважений, тому більш надійний в експлуатації. Однак при роботі двигуна лопатки зазнають значних пікових навантажень, внаслідок ступінчастих згинів каналу. Крім того, складна система нерухомих ущільнень на лопатці призводить до їх нерівномірного зношування в процесі роботи. Ущільнення, що знаходяться на закругленнях лопатки зношуються значно швидше, ніж на прямих поверхнях, що призводить до втрати герметичності робочих камер, а отже, до падіння потужності або навіть поломки двигуна. В основу винаходу поставлено завдання підвищення надійності роботи конструкції. Поставлене завдання вирішується тим, що в роторному аксіальному двигуні, що включає корпус, що складається із з'єднаних між собою двох кришок, між якими встановлений закріплений на осі ротор, на периферійній частині якого є напрямні прорізи, орієнтовані в радіальних площинах уздовж осі ротора, в яких встановлені лопатки із забезпеченням можливості їх зворотно-поступального руху в напрямку, паралельному осі ротора, на внутрішній поверхні кожної кришки виконана кільцева виїмка такої конфігурації, що при з'єднанні кришок утворюється кільцевий канал для проходження робочого тіла, канал має в перерізі, що проходить через вісь ротора форму лопатки і хвилеподібно згинається за періодичним законом, симетрично щодо середнього перерізу ротора, перпендикулярного його осі, при цьому лопатки забезпечені ущільнювальними елементами, периферійна частина ротора з встановленими лопатками розміщена всередині кільцевого каналу, а кожна кришка подачі газів, а також камерою, з'єднаною з кільцевим каналом, в якій встановлена паливна форсунка, згідно винаходу кожна лопатка має форму сплощеного циліндра, на бічній поверхні якого є два тангенціальні пази, розташованих діаметрально протилежно, виконаних із забезпеченням можливості розміщення лопатки в напрямному прорізі ротора, ущільнювальні елементи встановлені на бічній поверхні дискових частин лопатки із забезпеченням можливості їх вільного переміщення по периметру дискових частин лопатки, хвилеподібно канал згинається по синусоїді. Винахід ілюструється фігурами креслень:

Фіг.1 - ізометрія загального виду двигуна,

Фіг.2 - ізометрія лопатки з ущільнювальними елементами,

Фіг.3 - переріз А-А на фіг. 1 (по роз'єму кришки та ротора),

Фіг.4 - діаграма робочого процесу двигуна (розгортка на площині кільцевого перерізу середньої лінії каналу). Двигун включає верхню кришку 1 і нижню кришку 2, з'єднані болтами 3 через проставку 4. Ротор 5 закріплений на осі 6 із забезпеченням можливості обертання на підшипниках 7. У напрямних прорізах ротора 5 на його периферійній частині вільно встановлені лопатки 8, що мають форму. Кришки 1, 2 з боку, зверненої до ротора 5, мають кільцеві виїмки 9, які виконані таким чином, що при зборі кришок в єдину конструкцію утворюється кільцевий канал 10 для проходження робочого тіла, розділений ротором 5. Кільцевий канал 10 має переріз, що проходить через вісь 6 форму кола з діаметром, що відповідає діаметру лопатки. Кільцевий канал 10 хвилеподібно згинається по синусоїді 11 симетрично щодо середнього перерізу ротора 5, перпендикулярного осі 6. У кришках 1, 2 є вікна 12 для впуску повітря та вікна 13 для випуску відпрацьованих газів. У тілі кожної кришки є з'єднані з 10 каналом камери 14, в яких розміщені паливні форсунки 15, а при необхідності калоризатори (на фігурах не показані). Лопатка 8 має на бічній поверхні два тангенціальні пази 16, розташовані діаметрально протилежно. Ущільнювальні елементи - 17 кільця - можуть бути вільно встановлені в пазах, виконаних на бічній поверхні дискових ділянок лопаток 8. Канал 10 ділиться ротором на дві частини, кожну з яких умовно можна розділити на зони: 18 - зона впуску повітря, 19 - зона стиснення, 20 – зона робочого ходу, 21 – зона випуску відпрацьованих газів. При цьому кожна робоча зона верхньої частини каналу зрушена по відношенню до аналогічної робочої зони нижньої частини каналу на певний кут. У випадку, якщо "синусоїда" каналу має 2 періоди, як показано на фіг. 4, то кут зсуву становить 90 o . У двигунах з більшою потужністю, а отже з великим діаметром ротора, доцільно збільшувати кількість періодів згинів каналу. У такому разі кут зсуву становитиме меншу величину. Двигун працює в такий спосіб. У початковий момент пусковий механізм приводить у обертання ротор 5, і лопатки 8 починають переміщатися каналом 10. При цьому в об'єм між сусідніми лопатками 8, що знаходяться в зоні 18 всмоктується або нагнітається повітря через вікно 12. Потім після проходження вікна обома лопатками зменшується та відбувається стиск повітря (зона 19). У зоні 20 робочого ходу з камери 14 через форсунку 15 у стиснене повітря подається паливо, яке самозаймається при високому ступені стиснення, або підпалюється за допомогою калоризатора. Тиск розширюваних газів впливає на лопатки 8 і обертають ротор 5. Відпрацьовані гази виходять через вікна 13 в зоні 21. Надалі горіння підтримується безперервною подачею палива через форсунку 15. При роботі двигуна лопатки 8 здійснюють складний рух: поворотно- поступальний рух у кільцевому каналі 10. Ущільнення робочих камер між лопатками здійснюється кільцями 17. Зважаючи на те, що кільця встановлені в пазах на лопатках вільно, вони при русі лопаток прослизають по пазу, постійно змінюючи своє положення, і отже, зношуються рівномірно. Синусоїдальна форма 10 каналу забезпечує плавність ходу лопаток, що знижує їх знос в порівнянні з прототипом і підвищує надійність роботи. Заявляється двигун може працювати за описаним циклом на будь-якому рідкому вуглеводневому паливі без зміни конструкції. У особливих випадках, коли досягнення великої потужності двигуна діаметр лопатки істотно збільшують, може наближатися до критичної величині. Щоб цього уникнути в кришках виконують кілька концентричних каналів, а в роторі - кілька концентричних рядів прорізів з відповідною кількістю встановлених у них менших лопаток діаметра. Винахід знайде промислове застосування в автомобілебудуванні, авіабудуванні і може бути використане в переносних енергоустановках.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Роторний аксіальний двигун, що включає корпус, що складається з з'єднаних між собою двох кришок, між якими встановлений закріплений на осі ротор, на периферійній частині якого є напрямні прорізи, орієнтовані в радіальних площинах вздовж осі ротора, в яких встановлені лопатки із забезпеченням можливості їх зворотно-поступач руху в напрямку, паралельному осі ротора, на внутрішній поверхні кожної кришки виконана кільцева виїмка такої конфігурації, що при з'єднанні кришок утворюється кільцевий канал для проходження робочого тіла, канал має в перерізі, що проходить через вісь ротора, форму за формою лопатки і хвилеподібно згинається по період закону, симетрично щодо середнього перерізу ротора, перпендикулярного його осі, при цьому лопатки забезпечені ущільнювальними елементами, периферійна частина ротора з встановленими лопатками розміщена всередині кільцевого каналу, а кожна кришка забезпечена вікнами для подачі повітря в кільцевий канал і виходу з'єднаної з кільцевим каналом, в якій встановлена паливна форсунка, який відрізняється тим, що кожна лопатка має форму сплощеного циліндра, на бічній поверхні якого є два тангенціальних пази, розташованих діаметрально протилежно, виконаних із забезпеченням можливості розміщення лопатки в напрямному прорізі ротора, ущільнювальні бічної поверхні дискових частин лопатки із забезпеченням можливості їх вільного переміщення по периметру дискових частин лопатки, хвилеподібно канал згинається по синусоїді.

Винахід відноситься до двигунобудування. Технічний результат полягає у можливості створення аксіально-поршневого двигуна, що відрізняється підвищеною надійністю та малими габаритами, у якому в процесі роботи змінюється тиск свіжого заряду. Згідно винаходу двигун містить блок циліндрів з циліндрами робочої секції та з циліндрами компресорної секції. У блоці циліндрів встановлений з можливістю обертання підшипникових опорах колінчастий вал з кривошипом. Розташовані в циліндрах порно поршні робочої секції і поршні компресорної секції для запобігання осьового розвороту мають некруглу форму, наприклад овальну. Поршні пов'язані штоками через сферичні шарніри з важелями похилої шайби, в якій співвісно з нею виконано отвір, з обох боків якого розташовані симетрично підшипникові опори, що з'єднують похилу шайбу з кривошипом. У корпусі на двох протилежно розташованих цапфах шарнірно встановлена хрестовина, а похила шайба виконана з можливістю гойдання на двох протилежно розташованих цапфах, які шарнірно встановлені в хрестовині. При цьому двигун додатково містить компресор з електроприводом від системи електрообладнання, що включає для створення тиску в ресивері перед запуском двигуна і при необхідності підвищення ступеня стиснення. Крім того, вихід компресорної секції та вихід компресора через повітряний ресивер підключені до входів клапанів впускних головки циліндрів робочої секції. 2 іл.

Малюнки до патенту РФ 2301896

Винахід відноситься до двигунобудування, конкретніше до аксіально-поршневих двигунів внутрішнього згоряння з осями циліндрів, розташованих в одній площині з віссю ведучого валу, і з похилою шайбою, що коливається.

Відомий аксіально-поршневий двигун, що містить блок циліндрів, поршні з шатунами, встановлені в блоці циліндрів, провідний вал, похилу шайбу з встановленою на ній шайбою, що коливається, пов'язаної з шатунами, додаткові в кожному циліндрі зустрічно розташований поршень з шатуном. проміжний вал, одну додаткову похилу шайбу з встановленою на ній шайбою, що коливається, пов'язаної з шатунами зустрічно розташованих поршнів, причому на кожному підлогою проміжному валу встановлені обидві похилі шайби, при цьому кожен проміжний вал пов'язаний з провідним валом через циліндричні зубчасті передачі. пов'язана з провідним валом через конічну та циліндричну зубчасті передачі (див. опис винаходу до патенту РФ №2163682, МПК F02В 75/32, F02В 75/26, F01В 3/02, публікація 27.02.2001 р.).

Недоліком відомого двигуна є невисокий ККД через велику кількість зубчастих зачеплень.

Відомий аксіально-поршневий двигун, що містить корпус, встановлений в корпусі на підшипниках ковзання з можливістю обертання провідний вал з першою віссю симетрії і з кривошипом, блок циліндрів, осі яких паралельні першій осі ведучого валу, розташовані в циліндрах поршні з шатунами, віссю і з центральною цапфою, пов'язаною шарнірно з можливістю гойдання з кривошипом, при цьому похила шайба шарнірно з'єднана за допомогою шатунів з поршнями, хрестовину з двома протилежно розташованими на третій осі цапфами, які встановлені шарнірно в корпусі на підшипниках з додатковими двома протилежно розташованими на четвертій осі цапфами, які встановлені шарнірно в хрестовині за допомогою підшипників кочення, при цьому четверта вісь перпендикулярна до третьої осі і перетинається в загальній точці з першою, другою і третьою осями (див. опис корисної моделі до патенту РФ №4039 МПК F01В 3/02, публікація 10.09.2004).

Недоліком цього двигуна, прийнятого за прототип, є консольне розташування провідного валу, що збільшує габарити двигуна, підвищує навантаження на шарнір центральної цапфи, пов'язаний з кривошипом, і знижує відповідно надійність двигуна в цілому.

Завданням винаходу є підвищення надійності, зменшення габаритів, зміна ступеня стиснення в процесі роботи аксіально-поршневих двигунів.

Сутність винаходу полягає в тому, що аксіально-поршневий двигун, що містить блок циліндрів з циліндрами робочої секції і з циліндрами компресорної секції, встановлений в блоці циліндрів з можливістю обертання в підшипникових опорах колінчастий вал з кривошипом і з першою віссю симетрії, яка розташована з осями циліндрів, розташовані в циліндрах попарно поршні робочої секції та поршні компресорної секції, для запобігання осьового розвороту мають некруглу форму (наприклад овальну), зі штоками, похилу шайбу з важелями, з другою віссю симетрії та з співвісним з нею отвором, якого симетрично розташовані підшипникові опори, що з'єднують похилий шайбу з кривошипом, при цьому похила шайба ковзними по її важелях сферичними шарнірами з'єднана зі штоками і поршнями, хрестовину з двома протилежно розташованими на третій осі цапфами, які встановлені шарні похила шайба виконана з можливістю гойдання на двох протилежно розташованих на четвертій осі цапфах, які встановлені шарнірно в хрестовині в підшипникових опорах, при цьому четверта вісь перпендикулярна до третьої осі і перетинається в загальній точці з першою, другою і третьою осями, двигун додатково містить головку циліндр секції, компресор з електроприводом від системи електрообладнання, що включається перед запуском двигуна і при необхідності підвищення ступеня стиснення, повітряний ресивер, розподільний вал з кулачками для керування через штовхачі впускними та випускними клапанами головки циліндрів робочої секції, який встановлений на продовженні першої осі в блоці циліндрів підшипниковій опорі, при цьому вихід компресорної секції та вихід компресора через повітряний ресивер підключені до входів клапанів впускних головки циліндрів.

Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де:

на фіг.1 показаний аксіально-поршневий двигун, загальний вигляд у поздовжньому розрізі;

на фіг.2 - те саме, поперечний розріз А-А.

Аксіально-поршневий двигун містить блок циліндрів 1 з циліндрами 2 робочої секції і з циліндрами 3 компресорної секції, встановлений в блоці циліндрів 1 з можливістю обертання в підшипникових опорах 4, 5 колінчастий вал 6 з кривошипом 7 і з першою віссю площини з осями циліндрів 2, 3, розташовані в циліндрах 2, 3 попарно поршні 8 робочої секції і поршні 9 компресорної секції, для запобігання осьового розвороту мають некруглу форму (наприклад овальну), з штоками 10, похили шайбу 11 з важелями віссю симетрії і з співвісним з нею отвором, з обох сторін якого симетрично розташовані підшипникові опори 13, 14, що з'єднують похилу шайбу 11 з кривошипом 7, при цьому похила шайба 11 ковзними по її важелях 10 12 шарнирами , хрестовину 16 з двома протилежно розташованими на третій осі цапфами 17, 18, які встановлені шарнірно в блоці циліндрів 1 у підшипникових опорах 19, 20, крім того, похила шайба 11 виконана з можливістю хитання на двох протилежно розташованих на четвертій осі , які встановлені шарнірно в хрестовині 16 в підшипникових опорах 23, 24, при цьому четверта вісь перпендикулярна до третьої осі і перетинається в загальній точці з першою, другою і третьою осями, двигун додатково містить головку циліндрів 25 компресорної секції, компресор 26 з , повітряний ресивер 27, розподільний вал 28 з кулачками 29, 30 для управління через штовхачі 31, 32 впускними 33 і випускними клапанами 34 головки циліндрів 35 робочої секції, який встановлений на продовженні першої осі в блоці циліндрів 1 в підшипниковій опорі компресорної секції та вихід компресора через повітряний ресивер 27 підключені до входів впускних клапанів 33 головки циліндрів 35 робочої секції. У головці циліндрів 35 встановлені форсунки 37 подачі палива.

Аксіально-поршневий двигун працює в такий спосіб. При обертанні колінчастого валу 6 підшипникових опорах 4, 5 в циліндрах 3 компресорної секції поршнями 9 стискається повітря і витісняється в повітряний ресивер 27. Цикли впуску і стиснення. При положенні поршня 8 у верхній мертвій точці циліндра 2 блоку циліндрів 1 при обертанні колінчастого валу 6 закривається випускний клапан 34 і відкривається впускний клапан 33, розміщені в головці циліндрів 35. При русі поршня 8 в напрямку нижньої мертвої точки робоча з ресивера 27. При положенні поршня 8, в якому обсяг надпоршневої порожнини дорівнює об'єму камери згоряння, закривається впускний клапан 33 і впорскується палива через форсунку 37. Початок циклу робочого ходу. При досягненні поршнем 8 нижньої мертвої точки (або з деяким випередженням) відкривається випускний клапан 34. Закінчення робочого ходу та початок циклу випуску. При русі поршня 8 від нижньої мертвої точки до верхньої відбувається видалення вихлопних газів. Здійснюють зворотно-поступальний рух поршні 8 через штоки 10, шарніри 15 впливають на важелі 12 похилої шайби 11, що гойдається на цапфах 21, 22 в підшипникових опорах 23, 24 хрестовини 16 щодо осі IV і блоку циліндрів 1 щодо осі ІІІ. В результаті похила шайба 11 через підшипникові опори 13, 14 впливає на кривошип 7, що здійснює з колінчастим валом 6 круговий рух щодо осі I в підшипникових опорах 4, 5 і з розподільчим валом 28 в підшипниковій опорі 39 скул 3 31, 32 на відповідні впускні 33 та випускні 34 клапани головки циліндрів 35 двигуна. Компресор 26 служить для створення тиску повітря в повітряному ресивері 27 перед запуском двигуна і збільшення тиску в процесі роботи з метою підвищення стиснення.

Заявлений винахід дозволить підвищити надійність, зменшити габарити, змінювати ступінь стиснення в процесі роботи аксіально-поршневих двигунів.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Аксіально-поршневий двигун, що містить блок циліндрів з циліндрами робочої секції і з циліндрами компресорної секції, встановлений в блоці циліндрів з можливістю обертання в підшипникових опорах колінчастий вал з кривошипом і з першою віссю симетрії, яка розташована в одній площині з осями попарно поршні робочої секції і поршні компресорної секції, для запобігання осьового розвороту мають некруглу форму (наприклад, овальну), зі штоками, похилу шайбу з другою віссю симетрії, хрестовину з двома протилежно розташованими на третій осі цапфами, які встановлені шарнір , крім того, похила шайба виконана з можливістю гойдання на двох протилежно розташованих на четвертій осі цапфах, які встановлені шарнірно в хрестовині в підшипникових опорах, при цьому четверта вісь перпендикулярна до третьої осі і перетинається в загальній точці з першою, другою і третьою осями, двигун додатково містить головку циліндрів компресорної секції, повітряний ресивер, розподільний вал з кулачками для управління через штовхачі впускними та випускними клапанами головки циліндрів робочої секції, який встановлений на продовженні першої осі в блоці циліндрів у підшипниковій опорі, при цьому вихід компресорної секції та вихід компресора через підключені до входів впускних клапанів головки циліндрів, який відрізняється тим, що двигун додатково містить компресор з електроприводом від системи електроустаткування, що включається для створення тиску в ресивері перед запуском двигуна і при необхідності підвищення ступеня стиснення, а похила шайба має отвір, з обох боків якого симетрично розташовані підшипникові опори, що з'єднують похилу шайбу з кривошипом, при цьому похильна шайба сферичними шарнірами, що ковзають по її важелях, з'єднана зі штоками і поршнями.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http:// www. allbest. ru/

Лінійні електродвигуни. Загальний огляд

На сьогоднішній день у багатьох вузлах машин та механізмів виникає потреба у приводах поступального руху. Реалізація таких приводів доступна безліччю можливих способів залежно від вимог технічного завдання до конструкції, що розробляється, а також параметрів самого приводу. За способом перетворення енергії поступальні приводи можна розділити на 3 великі категорії: електричні, пневматичні та гідравлічні. Кожен вид має свої переваги та недоліки, які будуть детальніше розглянуті далі в цій статті. Загальна риса поширених на сьогоднішній день «готових рішень» у галузі лінійного позиціонування – це велика кількість вузлів і деталей, що становлять конструкцію приводу, що згодом позначається на ефективності роботи, простоті налаштування та обслуговування, а також довговічності цього механізму. У зв'язку з цим активно розробляються лінійні машини безпосередньої дії. У конструкції таких машин, як правило, відсутні редуктори та механічні перетворювачі обертального руху на поступальне. Таким чином, рух приводного та приводного елемента здійснюються в одній і тій же координаті. Саме цим вимогам і відповідає такий широкого поширення, що отримав останнім часом такий клас електричних машин, як лінійні електродвигуни. Мета даної роботи - представити огляд даного класу двигунів у зручному для читача вигляді шляхом систематизування інформації з різних джерел. Також, у статті буде розглянуто принцип дії лінійних електродвигунів, сфери їх застосування, їх порівняння з іншими приводами поступального руху, та різновиди їх конструкцій.

З історії створення лінійних електродвигунів

Найраніша згадка про електричну машину, взаємодія електромагнітних полів у якій змушувало один елемент поздовжньо переміщатися щодо іншого, пов'язане з ім'ям Чарльза Уітстоуна (Charles Wheatstone), англійського вченого та винахідника. Ще в 1840-х роках ним була описана модель подібного двигуна, правда, конструкція його була примітивна і неефективна. Опис більш наближеної до реальних умов моделі було задокументовано в 1905 році винахідником Альфредем Зеденом (Alfred Zehden). Перші функціонуючі моделі були зроблені на 30 років пізніше, лише в 1935-1940 роках.

З того часу багато що змінилося в конструкції лінійних електродвигунів: увійшли до застосування нові матеріали (у тому числі постійні магніти з вмістом рідкісноземельних металів), були спроектовані різні модифікації приводів для найрізноманітніших галузей застосування, а номенклатура номінальних потужностей розросла в діапазоні від 0.5 (мВт) до 1200 (кВт).

Принцип дії лінійного електродвигуна.

Лінійний електродвигун є електричною машиною, активні поверхні взаємодіючих елементів магнітної системи якої розімкнуті. Первинний елемент, як правило, називають індуктором або «forcer», в англомовній літературі. Первинний елемент є прямим аналогом статора електродвигуна обертального руху. В індукторі розміщуються обмотки збудження, підключені до мережі змінного струму. Найчастіше індуктор є нерухомим. Хоча, втім, у спеціалізованих технічних областях зустрічаються конструкції зверненої лінійної машини, наприклад, тяговий двигун складів монорейкової транспортної системи. До складності створення двигуна з рухомим індуктором можна віднести необхідність у ковзному контакті передачі енергії в обмотки двигуна.

Назва вторинного елемента, як правило, використовується без зміни, хоча в деякій літературі зустрічається термін «якір», як позначення рухомого елемента лінійного двигуна. Вторинний елемент за аналогією можна порівняти з ротором. Технологічне виконання вторинного елемента залежить від типу проектованої електричної машини: це може бути металевий лист, покритий шаром матеріалу високої електропровідності для випадку асинхронної машини або набір постійних магнітів, покладених у площині різними полюсами один за одним у разі синхронної. Застосування рідкісноземельних магнітів у конструкції вторинного елемента призвело до значного збільшення силових показників електродвигунів.

Мал. 1. Загальна ідея конструкції лінійного електродвигуна

На рис. 1 зображено загальне уявлення про конструкцію лінійного електродвигуна. Це ніщо інше, як розгортка обох елементів безколекторного обертального двигуна. На даному прикладі - розгортка трифазної синхронної зверненої машини.

Розглянемо взаємодію магнітних полів у двигуні, що призводить до появи поздовжньої сили на прикладі двофазної синхронної машини. На рис. 2 представлена еквівалентна схема, що пояснює принцип роботи. Індуктор нерухомо закріплений на підставі. Вторинний елемент може переміщатися вздовж прямої, паралельної основи на опорах ковзання. Обмотки індуктора представлені як циліндричних котушок, підключених до мережі змінного струму. У загальному випадку, для забезпечення безперервності зусилля, що повідомляється вторинному елементу, необхідно, щоб різниця фаз комутації обмоток індуктора задовольняла рівнянню:

де ТІ - відстань між геометричними центрами сусідніх обмоток, м;

Т ВЕ – відстань між геометричними центрами двох найближчих однаково орієнтованих магнітів.

Таким чином, у повітряному зазорі буде формуватися магнітне поле, що біжить.

Можна показати, що для машини, зображеної на рис. 2 різниця фаз

Як відомо, однойменні магнітні полюси відштовхуються, а різноіменні – притягуються. Склавши вектор всіх діючих сил в системі отримаємо результуючий вектор сили F, спрямований уздовж осі вторинного елемента.

Мал. 2. Еквівалентна схема

Принцип дії лінійного коаксіального двигуна.

Існує досить багато конструкцій та різновидів лінійних електродвигунів. Однією є модифікація лінійної машини з плоского форм-фактора в циліндричний. Така конструкція отримала назву «коаксіальної» (у дослівному перекладі – співвісна). Також, у деякій літературі зустрічаються назви "трубчаста", "циліндрична", а в англійській мові "tubular linear motor". В даному випадку обидва елементи мають форму витягнутих циліндрів, поздовжні осі яких збігаються. Причому вторинний елемент знаходиться усередині індуктора. Циліндричний форм-фактор може бути більш вітальним для деяких технічних завдань через його компактність. Наприклад, якщо потрібно замінити гідро чи пневмоциліндри в деякому пристрої електричним приводом.

Існує принципова різниця між раніше розглянутою схемою лінійного двигуна та його коаксіальною модифікацією. Різниця ця полягає у способі замикання магнітного потоку двигуна. У першому випадку потік замикається поперечно, щодо вектора чинної сили. У коаксіальному варіанті магнітний потік замикається поздовжньо. Розглянемо докладно влаштування обох частин коаксіального двигуна.

Індуктор складається з магнітопроводу, який, як правило, набирається з окремих сталевих шайб. У пази шайб укладаються дискові котушки, що є обмотками збудження. Контакти для підключення до мережі виводяться назовні за периметр шайби. Схематичний креслення елемента магнітопроводу представлений на рис. 3.

Вторинний елемент коаксіального двигуна може бути виконаний у трьох різних варіантах: стрижень, в якому постійні магніти циліндричної форми укладені однойменними полюсами один до одного; стрижень або порожня труба з феромагнітного матеріалу. У конструкції корпусу індуктора повинні бути передбачені підшипники ковзання в торцевих кришках, необхідних опори і центрування вторинного елемента. Також розробником мають бути передбачені ущільнення рухомого з'єднання, якщо цього вимагають умови експлуатації. Циліндрична форма вторинного елемента зручна для використання його як поршня в різних пристроях, наприклад компресорах або навіть лінійних дизель-генераторах.

Мал. 3. Елемент магнітопроводу коаксіального двигуна

Розглянемо принцип функціонування коаксіального двигуна. На рис. 4 зображено спрощену схему трифазної синхронної машини. Зеленим кольором показано силові лінії магнітного поля штока. Як видно з малюнка, у площині з'єднання однойменних полюсів сусідніх магнітів лінії магнітної індукції спрямовані вертикально вгору. Відповідно, перетинати обмотку дискової котушки вони будуть перпендикулярно. Отже, подаючи в кожну з фаз двигуна необхідну напругу можна змусити вторинний елемент переміщатися в поздовжньому напрямку (якщо індуктор нерухомо закріплений).

Мал. 4. Пояснювальна схема.

Зауважимо, кожна фаза двигуна впливає на «сусідний» щодо своєї котушки магніт, т.к. на магніт, що знаходиться безпосередньо в місці геометричного центру дискової котушки не буде діяти поздовжня сила, а значить зрушити його без початкового імпульсу неможливо.

Трубчастий форм-фактор дає значні переваги, т.к. поздовжнє замикання магнітного потоку між обмотками індуктора та магнітним штоком забезпечує математично ідеальну орієнтацію магнітного поля.

Області застосування лінійних двигунів

Автоматичні стрічки (конвеєри)

У класичній схемі конвеєра стрічка має бути натягнута між двома валиками, які передаватимуть їй рух. Причому зусилля, що передається, залежатиме від натягу стрічки між валиками, що вносить досить суттєві обмеження в конструкцію, а також додаткові вимоги до міцності матеріалу самої стрічки. Ще варто відзначити, що при ненавмисному попаданні в пляму контакту валиків та стрічки різних розсипчастих або мастильних матеріалів зчеплення поверхонь суттєво знизиться. У разі використання лінійного електродвигуна сполучене зусилля не залежатиме від натягу стрічки і зчеплення поверхонь, а валики потрібно використовувати тільки як опори. У цьому випадку на стрічці повинна бути закріплена смуга з провідного матеріалу, яка відіграватиме роль вторинного елемента двигуна.

Верстатобудування

Широкого поширення набули лінійні серводвигуни у вітчизняному та зарубіжному верстатобудуванні. Нагадаємо, що сервопривод називається система, що складається з електромеханічного приводу, завданням якої є відстеження заданого положення. Саме тому сервоприводи настільки потрібні в станкобудуванні. Багато сучасних обробних комплексах потрібно забезпечити поступальний рух робочого органу за трьома осями у просторі. Робота ведеться саме у декартових координатах. Як приклад можна навести такий новий напрямок у розвитку станкобудуванні як 3D принтери. Так чим же лінійний двигун краще традиційних рішень у цій галузі, таких як ремінні, рейкові передачі, або передачі типу «гвинт-гайка»? Докладно це питання буде розглянуто в наступному розділі цієї статті, а поки що коротко перерахуємо основні переваги:

· Відсутність проміжних вузлів між двигуном і робочим органом;

· Збільшена довговічність приводу;

· Простота обслуговування;

· Підвищена точність позиціонування;

· Високі показники швидкості та прискорення.

Трохи пояснимо питання точності позиціонування. Абсолютна точність, що дозволяє, а також повторюваність приводу поступального руху залежить від пристрою зворотного зв'язку. На сьогоднішній день у вільному продажу доступні безлічі різних датчиків лінійного переміщення, швидкості та прискорення, а також необхідні для роботи контролери. У зв'язку з цим питання про точність позиціонування, в основному, впирається в бюджет, що закладається на розробку та виробництво приводу. Крім цього, потрібна висока смуга пропускання системи керування лінійним приводом, але, знову ж таки, зважаючи на поширеність високоякісної цифрової електроніки, дана проблема цілком вирішувана.

Пакувальні, роздаткові механізми на виробництві.

Всі вищеперелічені переваги лінійних сервоприводів можуть бути корисні у разі використання його не тільки у складі обробного комплексу, але також і як основний приводний механізм іншого спеціалізованого обладнання на виробництві. Розглянемо як приклад, у складі яких пристроїв пропонує німецька компанія «Dunkermotoren» використовувати свої коаксіальні сервоприводи (Рис. 5).

А) Розлив рідини по пляшках;

Б) Транспортування з одного конвеєра на інший;

В) Упаковка продукту тару;

Г) Товкачі для карусельного буфера.

Роблячи висновки з вищеперелічених прикладів, можна зробити висновок, що застосування лінійного двигуна на виробництві обмежена лише різноманітністю оснастки, що встановлюється на рухомий елемент.

Мал. 5. Лінійні двигуни на виробництві.

Перспективні види колійного транспорту

До таких видів транспорту можна віднести маглів (поїзд на магнітній подушці), а також монорейкову транспортну систему. Торішнього серпня 2001 року у Москві розпочалося будівництво першої та єдиної у місті гілки монорейкової транспортної системи. Оскільки рухомий склад такої системи експлуатується на підвісній колійній балці, перед розробниками постало питання мінімізації маси даного складу. Враховуючи, що монорейка експлуатується на відкритому повітрі, в холодну пору року може виникати проблема зледеніння опорної балки, а вага легкого рухомого складу може виявитися недостатньою для забезпечення надійного зачеплення мікровиступів. Крім того, слід зауважити, що маршрут лінії проходить через густонаселену міську забудову, отже на транспорт накладаються обмеження за рівнем шуму, що видається. Аналіз цих завдань призводить до висновку, що неприпустимо на даному виді транспорту використовувати класичні поворотні візки зі сталевими колесами. Опори було вирішено виконати у вигляді прогумованих котків, а як рушій розробниками інженерно-наукового центру «ТЕМП» було спроектовано тяговий лінійний асинхронний двигун. У разі поїзда на магнітній підвісній системі справа, певною мірою, більш однозначна, оскільки в даному випадку колісний рушій виключається за визначенням. Залишається кілька можливих варіантів: реактивний двигун, або безконтактний рушій, заснований на силовій взаємодії електромагнітних полів. Реактивний двигун відкидається через велике споживання палива, а також неприпустимо високого рівня шуму. Таким чином, лінійний електродвигун закріпив за собою право називатися традиційним рішенням як елемент, що забезпечує рух поїздів на магнітній подушці. Як приклад можна навести японську систему JR-Maglev, експериментальний склад якої в 2003 році встановив абсолютний рекорд швидкості для залізничного транспорту в 581 км/год із пасажирами на борту. Саме в цій системі, на корпус складу встановлюються надпровідні постійні магніти, а завдяки електромагнітам, що розміщуються вздовж траси генерується магнітне поле, що біжить. Ілюстрація принципу дії системи наведено на рис. 6.

Мал. 6. JR-Maglev

Важка будівельна техніка

В і авторами розглядається можливість створення ударного електромолота на базі лінійного двигуна. Подібний пристрій планується застосовувати для дроблення гірських порід, а також при дорожніх та будівельних роботах для забивання паль. Конструкція такого типу установки наведена на рис. 7 де 1 - індуктор лінійного двигуна, 2 - стріла молота, 3 - лебідка, 4 - ударна частина молота. При забиванні палі ударна частина молота може опускатися як під дією власної сили тяжіння, так і під дією суми сили тяжіння і сили, що отримується від лінійного електродвигуна. Стріла молота опускається вниз за допомогою лебідки у міру заглиблення палі. До переваг електромолот перед стандартними рішеннями, такими як дизельний молот і гідромолот, можна віднести можливість швидкого реверсу, а також широкий діапазон регулювання вихідного зусилля.

Ліфти, елеватори

У 2014 році німецьким концерном ThyssenKrupp було оголошено про початок робіт з проектування безтросової ліфтової системи, яка отримала ім'я MULTI. В рамках даної системи передбачається, що кабіна буде оснащена двома лінійними електродвигунами – для вертикального та горизонтального переміщення відповідно. Цей підхід може кардинально змінити уявлення про стандартну архітектуру висотних будівель. Також передбачається рух кількох кабін усередині однієї ліфтової шахти одночасно. Швидкість руху кабіни, за заявами розробників, становитиме 5 (м/с), а лінійний двигун забезпечить його плавність. Ідея про вищесказаний концепт звучить досить авантюристично. Тим не менш, патент на схожу систему (вертикального переміщення) був зареєстрований у 1993 році. Запатентований безтросовий ліфт має у складі своєї конструкції один плоский лінійний електродвигун, індуктор якого нерухомо закріплений щодо ліфтової шахти, а вторинний елемент виконаний у вигляді смуги, закріпленої на кабіні ліфта. У нерухомому стані система не витрачає енергію на утримання ваги, натомість активізується гальмівний механізм. Крім вищесказаного, відомі патенти на стандартні тросові ліфти, як тягові приводи яких використовуються лінійні двигуни плоского (1992 рік) і коаксіального (1994 рік) виконання. В обох випадках вторинний елемент двигуна встановлюється безпосередньо на противагу.

Мал. 7. Лінійний двигун для своєзабивного молота.

Магнітогідродинамічний (МГД) насос

МГД-насос - це пристрій для перекачування електропровідної речовини у рідкому стані. Конструктивне виконання такого пристрою істотно відрізняється від розглянутих вище схем лінійних двигунів, проте принципова схожість фізичних процесів, завдяки яким функціонують обидві ці машини дозволяють непрямим чином класифікувати МГД-насоси як окремий підрозділ лінійних електродвигунів. Магнітогідродинамічні насоси можуть бути як постійного, так і змінного струму. Коротко пояснимо принцип роботи такого пристрою на прикладі насоса МГД постійного струму. На рис. 8 є: 1 - С-подібний електромагніт; 2 - трубопровід з рідким металом; 3 - електроди, приварені до стінок трубопроводу. Через електроди подається постійний струм, і в області протікання цього струму формується сила електромагнітної взаємодії, що проштовхує метал далі трубопроводом. Причому напрямок дії цієї сили легко визначити за відомим правилом «лівої руки». Перевагами МГД-насосів є: відсутність деталей, що обертаються і труться, можливість плавного регулювання витрати в широкому діапазоні, простота експлуатації та обслуговування, надійність і безпека в роботі через герметизацію каналу транспортованої рідини.

Мал. 8. МГД-насос постійного струму.

Зброя

У наступних двох пунктах будуть розглянуті так звані лінійні двигуни великих прискорень. До цього класу двигунів не пред'являється таких стандартних вимог як тривала робота в номінальному режимі, точність позиціонування, або широкий діапазон регулювальних характеристик. Головний критерій якості таких машин - це те, яке максимальне прискорення можуть повідомити об'єкту управління. Безперечно, стрілецька зброя - одна з тих областей, де цей параметр відіграє важливу роль. Якщо уявити лінійний коаксіальний двигун, вторинним елементом якого є кінетичний снаряд, ми отримаємо ніщо інше як електромагнітне знаряддя . Різниця лише тому, що снаряд, на відміну типового вторинного елемента лінійного асинхронного двигуна має меншу довжину, ніж індуктор. Це накладає певні вимоги до управління обмотками подібного прискорювача, саме наступні - струм в дисковій котушці повинен падати до нуля саме тоді, коли снаряд перебуває у її геометричному центрі. І в цей момент повинна включатися наступна по ходу руху снаряда котушка. Таким чином, снаряд у стовбурі буде розганятися безперервно, а крім того - центруватися, завдяки відомій формі силових ліній магнітного поля котушки. До переваг такого виду зброї можна віднести безшумність та безполум'я.

Електромагнітна зброя не потребує періодичної заміни ствола так, як цього вимагає вогнепальна зброя. Віддача від пострілу менше, ніж у вогнепального з огляду на відсутність додаткового імпульсу, пов'язаного з виходом порохових газів. За умови герметизації електричних ланцюгів стрілянина може вестися практично в будь-якому середовищі, оскільки для пострілу не потрібна наявність кисню. Та й сам снаряд коштує дешевше. Але незважаючи на всі перераховані вище переваги електромагнітна зброя даного типу так ніколи і не було випущено серійно. Основна причина цього – низький ККД подібної машини, і, як наслідок, високе енергоспоживання. Саме відсутність компактного, але потужного джерела електроживлення і досі є «каменем спотикання» щодо застосування електродвигунів будь-яких типів на мобільних автономних пристроях. На сьогоднішній день відомо застосування лінійного двигуна як розгінний пристрій для снарядів тільки в експериментальних, аматорських установках. Хоча не заперечується перспектива використання такої зброї за умов космічного простору.

Стартові катапульти

Завданням такого пристрою є забезпечення максимальної початкової швидкості вильоту літального апарату з напрямної установки. Подібні системи, як правило, використовуються на авіаносцях, а також як переносний пристрій запуску БПЛА. Наявність стартової катапульти для БПЛА знімає необхідність у злітній смузі, що є суттєвою перевагою у плані мобільності апарату. Як правило, приводи таких катапульт або порохові або засновані на застосування пружних елементів. Недоліком порохового заряду є високий рівень шуму, що видається під час займання. Сила, що повідомляється від пружного елемента БПЛА, що розганяється, лінійно зменшується в міру проходження дистанції розгону. Лінійний електродвигун позбавлений подібних недоліків, хоча його використання потребує відповідного енергопостачання. Коли подібна система використовується у складі авіанесучого судна з ядерною силовою установкою, зазначена проблема енергопостачання перестає бути проблемою.

Починаючи з 2010 року, ВМФ США проводить успішні випробування електромагнітної катапульти «EMALS» (ElectroMagnetic Aircraft Launch System), встановленої у складі авіаносця «Gerald R. Ford». У ході випробувань, тестовий візок масою 3,6 тонни був розігнаний до швидкості 333 (км/год). Враховуючи довжину розгінної смуги в 91 метр, неважко порахувати, що прискорення, що повідомляється, приблизно дорівнює 4,7g. Переваги електромагнітної катапульти перед традиційною паровою полягають у її кращих мас-габаритних параметрах, більшій надійності та меншому енергоспоживання.

Елемент підвіски транспортного засобу

У 2004 році компанія Bose® представила пресі результат своєї 24-річної дослідницької роботи – систему електромагнітної підвіски для автомобіля. Особливість даної системи у тому, що функції пружного елемента, демпфера, і навіть системи забезпечення поперечної жорсткості покладено однією єдиний елемент - лінійний електродвигун (рис. 7).

Мал. 7. Лінійний електродвигун системи Bose®.

Завдяки своєму форм-фактору, привід вдало інтегрується в конструкцію автомобіля, замінюючи собою стандартний телескопічний амортизатор. Таким чином забезпечується незалежна підвіска кожного колеса, завдяки чому є можливість регулювати обертання транспортного засобу. Відпрацювання нерівностей дорожнього полотна реалізується завдяки сигналам, що управляють, сформованим швидкодіючим контролером, але крім цього є можливість усунути поздовжні «клвеки» автомобіля при розгоні і гальмуванні, а також обмежити бічний крен. Динамічна підвіска не вимагає точного ручного налаштування. Усі її параметри програмуються управляючим контролером. До основних переваг електромагнітної підвіски перед іншими системами адаптивного шасі відносяться швидкодія та можливість рекуперації енергії. Наприклад, пружинно-гідравлічна система ABC (Active Body Control) седанів Mercedes S-класу працює під високим гідравлічним тиском (близько 150 бар), яке підтримується гідронасосом, що відбирає від двигуна потужність, близько 20-25 кВт. Помітний перевитрата пального - зрештою на обігрів атмосфери.

Електромагнітна підвіска вимагає приблизно такої ж потужності, але й повертає до бортової мережі близько 16-20 кВт. Очевидно, є у цієї системи і недоліки - енергія витрачається не тільки під час руху, але і в статиці на підтримку ваги автомобіля. Отже, застосовувати подібну систему раціонально в умовах безперервної роботи амортизаторів там, де дійсно потрібна динаміка. Поки що серійний випуск адаптивної підвіски не запущено, але компанія прогнозує потрібність подібних систем на автомобілях класу «люкс». лінійний двигун електромеханічний привід

Порівняння приводів поступального руху

Розглянемо переваги та недоліки основних типів приводів поступального руху, таких як: гідравлічні, пневматичні, лінійні електродвигуни та механічні передачі, що перетворюють обертальний рух електромотора на поступальний. Під останнім типом будуть матися на увазі: ремінна передача, рейкова передача, а також кулькогвинтова (ШВП) та роликогвинтова (РВП) передачі. Відносне порівняння наводиться для механізмів зворотно-поступальної дії.

Спочатку трохи докладніше зупинимося на механічних передачах. Відомо, що високооборотні машини мають значно кращі масогабаритні показники, ніж їх аналоги з низькими частотами обертання. Але більшість механізмів, для яких створюється електропривод зазвичай вимагають набагато менших частот обертання або швидкостей переміщення. Механічні передачі у складі електроприводів поступального руху виконують як мінімум 2 функції - редуктора та перетворювача координати. У свою чергу, кожна з цих складових вносить негативні фактори в параметри приводу. Редуктор позначається на масогабаритних параметрах приводу. Маса редуктора становить до 80% загальної маси виконавчого механізму. В автор наводить наступний приклад: маса двигуна ескалатора метро М дв = 0.8 (т), редуктора - М ред = 18 (т). Крім того, не варто забувати, що чим складніший механізм - тим більша кількість зношувальних елементів він включає. Основну складову шуму та вібрацій дає саме редуктор. Наявність редуктора погіршує умови перехідного процесу (Тем). Механічні передачі будь-якого роду вносять кінематичну похибку систему приводу. Незважаючи на розглянуті недоліки, поступальні приводи, засновані на механічних передачах, залишаються поширеним рішенням у промисловості. Основна причина цього - відносна дешевизна та простота вищезгаданих конструкцій.

Перераховуючи нижче переваги і недоліки конкретних пристроїв врахуємо, що порівняння ведеться між системами поступального руху загалом, а чи не між окремими проміжними елементами, як-от механічні передачі. Отже, для справедливої оцінки ККД такої системи необхідно врахувати в ній наявність рушія. Як правило, рушіями механічних передач зворотно-поступальної дії є електродвигун обертання, середньостатистичний ККД якого з = 85%. Це значення перемножується на ККД механічної передачі для отримання загального значення ККД системи.

Таким чином:

1) Ремінна передача. (Загальний ККД близько 76%)

Переваги:

· Висока швидкість;

· Низька вартість;

· Плавність та малошумність роботи;

· Великий робочий хід;

· Захист від перевантажень за рахунок прослизання ременя;

Недоліки:

· непостійність передавального відношення;

· Підвищена зношування;

· Значні габарити;

· Необхідність захисту ременя від попадання олії;

2) Рейкова передача (загальний ККД близько 82%)

Переваги:

· Простота виготовлення;

· Компактність;

· Великий робочий хід;

· Надійність;

Недоліки:

· Не здійснює редукцію;

· Шум та вібрація;

· Вносить похибки (кінематичну та мертвого ходу);

3) Кулькова гвинтова передача (загальний ККД порядку 76%)

Переваги:

· Високе вихідне зусилля;

Недоліки:

· Вимагає мастила;

· Високий рівень шуму;

· Низькі швидкості та прискорення;

· Мертвий хід;

4) Роликовітова передача (загальний ККД порядку 87%)

Переваги:

· Високе вихідне зусилля;

· Підвищена зносостійкість;

· Висока точність позиціонування;

Недоліки:

· Висока вартість та складність виготовлення елементів кочення;

· Вимагає мастила;

5) Пневматичний привід (загальний ККД близько 15%)

Переваги:

· Низька вартість систем, що працюють у релейному режимі;

· Високі прискорення;

· Можливість застосування в небезпечних середовищах;

· Великий термін служби;

Недоліки:

· М'яка механічна характеристика;

· Мала швидкодія;

· Вкрай низький ККД;

· Високий рівень шуму.

6) Гідравлічний привід (загальний ККД близько 81%)

Переваги:

· Висока питома потужність;

· Великі вихідні зусилля;

· Жорсткі механічні характеристики;

· Швидкодія;

Недоліки:

· Витоку робочої рідини;

· вимогливість до параметрів робочої рідини;

· Висока вартість;

· Підвищений знос;

7) Лінійний електродвигун (ККД може досягати 90-95%)

Переваги:

· Високі швидкості та прискорення;

· Низький рівень шуму та вібрацій;

· Висока швидкодія;

· Не вимагає обслуговування;

· Всього один рухливий елемент у всій системі;

Недоліки:

· Невеликий робочий хід;

· Невеликі вихідні зусилля;

· вимогливість до швидкодії керуючого контролера.

Всі вищесказані переваги та недоліки приводів поступального руху можна звести до таблиці (табл. 1), порівнюючи їх за однойменними параметрами. Ще раз повторимося, що порівняння проводиться саме серед класу механізмів зворотно-поступального руху, бо немає сенсу порівнювати між собою привід відкриття/закриття дверей залізничного вагона та тяговий двигун складу. Це різні пристрої, до яких пред'являються різні вимоги. На сьогоднішній день виробниками розроблено величезну кількість агрегатів у галузі лінійного переміщення. Номенклатура їх параметрів вкрай широка і в рамках оглядової роботи неможливо описати конкретні цифрові діапазони для всіх цих параметрів. Крім того, з року в рік розробники пропонують нові серії та моделі своїх пристроїв, тим самим розширюючи розкид вже існуючих параметрів. Таким чином, дане в таблиці 1 порівняння, базується на загальних перевагах та недоліках кожного з видів приводів. Автор підкреслює, що матеріали таблиці 1 не є посібником на вибір типу приводу, але, в першу чергу, мають демонстраційну, ознайомлювальну мету. Кожен параметр оцінюється за шкалою від 1 (*) до 5 (*****), де * – найгірше значення та ***** – найкраще значення відповідно.

Таблиця 1. Порівняння приводів поступального руху

Параметр	Ремінна передача	Рейкова передача	Пневмо-циліндр	Гідроциліндр	Лінійний двигун
Швидкість
Прискорення

Робочий хід
Рівень шуму
Вимоги до обслуговування
Перехідний процес
Вартість

Класифікація лінійних електродвигунів

Можна провести класифікацію за загальними ознаками таким чином:

· Синхронні/асинхронні;

· малих/великих прискорень;

· Тягові/позиційні;

· Пасивного/примусового охолодження;

· Нерегульовані/керовані;

· За конструкцією.

У свою чергу, класифікація по конструкції включає велику номенклатуру параметрів. Узагальним раніше відомі класифікації, зроблені в , і наведемо найбільш основоположні з них (табл. 2).

Таблиця 2. Класифікація конструктивних властивостей ЛД

	Варіант виконання
Замикання магнітного потоку	З поздовжнім потоком (аксіальним)
	З поперечним потоком
	З поздовжньо-поперечним потоком
Тип індуктора	З феромагнітним сердечником
	З повітряним сердечником
	Заповнений епоксидним компаундом
Тип форми активних елементів	Односторонній
	Двосторонній
	U-подібний
	С-подібний

	Коаксіальний
Система збудження	Постійні магніти
	Надпровідні магніти
	Обмотка збудження з магнітопроводом
	Комбіноване збудження
Тип обмотки
	Барабанного типу
	Кільцевого типу
	Зосереджена котушкова
	типу Грама
Полюсний поділ обмотки статора	З постійним кроком
	Зі змінним кроком
Вторинний елемент	Діамагнетик
	Феромагнетик
	З постійними магнітами
	Комбінований
Агрегатний стан речовини вторинного елемента	Тверде тіло
	Рідина

Висновок

На сьогоднішній день лінійні електричні машини, будучи однією з найперспективніших гілок розвитку приводів поступального руху, успішно застосовуються у складі пристроїв загального та спеціального призначення. Незважаючи на значно більш рідкісне використання лінійних електродвигунів у промисловості порівняно з двигунами обертального руху, різновиди лінійних машин вкрай великі, а нові моделі безперервно розробляються, поступово витісняючи своїх застарілих електромеханічних конкурентів. Розглянувши сучасні сфери застосування, а також переваги і недоліки лінійних двигунів, можна зробити висновок про доцільність їх використання в декількох випадках, а саме: як основу для швидкодіючого слідкуючого приводу малих зусиль, або як тяговий двигун, у разі, коли використання інших рушіїв неможливо чи не раціонально.

Список літератури

1. Козаченко О.В. Лінійні електродвигуни. М.: Інформелектро, 1984. 72с.

2. Москаленко В.В. Електродвигуни спеціального призначення. - М.: Видавництво, 1981. - 104 с., іл.- (Бібліотека електромонтера. Випуск 522).

3. Servo Tube – Series ST Technology. Брошура Dunkermotoren. DIN EN ISO 9001:2008

4. Чорних І.В., Сарапулов Ф.М. Основи теорії та моделювання лінійного асинхронного двигуна як об'єкта управління. Єкатеринбург: УДТУ, 1999, 229с.

5. R. Luis, J.C.Quadrado. PM tubular synchronous motor modelling. ISEL R. Conselheiro Emndio Navarro, 1950-072 LISBOA PORTUGAL.

6. Конструкція лінійних електродвигунів [Відеозапис]: навчальний посібник/режисер І.Дубінська; автор сценарію Р.Тееметс - М.: Союзфільм, 1985. - .9 хв.

7. Конвеєри: Довідник/Р.А.Волков, А.Н.Гнутов, В.К.Дьячков та ін. За заг. ред. Ю.А.Пертена. Л.: Машинобудування, Ленінградське відділення, 1984. 367с.

8. Серебреницький П.П. Лінійні двигуни нового покоління // Двигун. 2000. №3 (9) травень-червень. З. 46-48.

9. John McBrewster, Frederic P. Miller, Agnes F. Vandome. JR-Maglev. 2011. ID: 1218782, P.124. ISBN: 978-6-1337-1270-6

12. Ernest P. Gagnon, Jerome F. Jaminet, Eric G. Olsen. Elevator driven by flat linear motor: пат. US5086881 США. 11 лют 1992

13. Yoshinori Nakanishi. Tubular linear motor driven elevator: пат. US5300737 США. 5 квіт 1994.

14. Michael R. Doyle, Douglas J. Samuel, Thomas Conway, Robert R. Klimowsk. Electromagnetic Aircraft Launch System – EMALS. Aircraft Div., Naval Air Warfare Center, Lakehurst, NJ. IEEE Transactions on Magnetics (Impact Factor: 1.39). 02/1995; 31 (1): 528 - 533. DOI: 10.1109/20.364638. Source: IEEE Xplore.

15. Свічник Д.В. Електричні машини безпосереднього приводу: Безредукторний електропривод. - М: Енергоатоміздат, 1988. - 208 с.:іл.

16. Соколов М.М., Сорокін Л.К. Електропривод із лінійними асинхронними двигунами. - М: «Енергія», 1974 -136 с.: іл.

17. Чорногорів Є. Механічні передачі. – Челябінськ, 2013. – 87с.

18. Пневматичні пристрої та системи в машинобудуванні. Довідник - За заг. редакцією Є.В. Герц. - М.: Машинобудування, 1981. - 408 с.

Анотація

У статті наведено огляд лінійних електричних машин. Сформульовано визначення поняття лінійного електродвигуна. Розглянуто принципи дії плоского та коаксіального лінійних двигунів. Перераховано їх існуючі галузі застосування. Дано порівняння лінійних електродвигунів з іншими електромеханічними, гідравлічними та пневматичними приводами зворотно-поступального руху. В результаті порівняння виявлено переваги та недоліки лінійних електричних машин. Також, наведено класифікацію різних типів та конструктивних виконань лінійних електродвигунів. За результатами порівняльного аналізу надано рекомендації до використання машин даного класу в різних галузях промисловості.

Ключові словаКабіна: лінійні електродвигуни, приводи поступального руху, безколекторні електричні машини.

Папір містить лінійні електродвигуни. Definition of linear motor concept has been formulated. Principles of action of flat and tubular linear motors has been considered. Listed their existing usage areas. Показник лінійних електричних моторів з іншими електрично-механічними, hydraulic і pneumatic reprocating motion mechanisms has been given. У результаті comparison advantages і disadvantages linear electric machines буде been identified. Також, класифікація різних типів і дизайну linears motors has been shown. У результаті comparative analysis recommendations for use of existing type machines at different industries has been given.

Keywords: Linear electric motors, translational mechanisms, brushless electric machines.

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Захист електродвигунів у процесі їх експлуатації. Аварійні режими електродвигунів. Види захисту асинхронних електродвигунів. Електричні апарати для захисту електродвигунів. Схема електропостачання ГУП ППЗ "Благоварський".

звіт з практики, доданий 13.08.2012

Історія відкриття та створення двигунів постійного струму. Принцип дії сучасних електродвигунів. Переваги та недоліки двигунів постійного струму. Регулювання зміною напруги. Основні лінійні характеристики двигуна.

курсова робота , доданий 14.01.2018

Принцип дії асинхронного двигуна. Влаштування асинхронних електродвигунів з фазним ротором. Схеми приєднання одношвидкісних асинхронних електродвигунів із короткозамкненим ротором. Режими роботи електродвигунів, їх монтаж та центрування.

презентація , доданий 29.04.2013

Упорядкування розрахункових схем. Визначення сил, які діють гідродвигун. Обчислення навантаження на виконавчий гідравлічний двигун. Витрата робочої рідини та корисних перепадів тисків для силових циліндрів зворотно-поступального руху.

курсова робота , доданий 26.10.2011

Характеристика цеху ТОВ "Статор". Розрахунок електричних мереж напругою 0,4 кВ. Технологія ремонту електродвигунів. Установка для просочення статорів асинхронних електродвигунів. Пожежна небезпека технологічних процесів та заходи профілактики.

дипломна робота , доданий 11.07.2012

Основні цілі проведення пуско-налагоджувальних робіт. Обсяги, норми та методика випробувань. Перевіряє можливість включення електродвигунів у роботу без попередньої ревізії та сушіння. Зняття електричних характеристик на холостому ходу та під навантаженням.

звіт з практики, доданий 13.11.2016

Параметри електродвигунів, гранична температура обмотки статора, що тривало допускається. Гідрозахист занурювальних електродвигунів, їх маркування. Пристрої комплектні серії ШГС 5805. Визначення глибини підвіски за допомогою кривих розподілів.

презентація , доданий 03.09.2015

Розробка лабораторної установки для дослідження характеристик електродвигунів постійного струму з різними видами збудження. Елементи конструкції тягового електродвигуна. Кутова швидкість обертання якоря. Способи регулювання збудження.

курсова робота , доданий 16.03.2013

Розрахунок струмів короткого замикання. Розрахунок уставок струмових захистів лінії електропередач, захистів трансформаторів та високовольтних асинхронних електродвигунів. Самозапуск електродвигунів та захист мінімальної напруги. Автоматичне увімкнення резерву.

курсова робота , доданий 19.11.2013

Пристрої релейного захисту та автоматики. Розрахунок струмів короткого замикання. Захист живильної лінії електропередач. Захисти трансформаторів та електродвигунів. Самозапуск електродвигунів та захист мінімальної напруги. Автоматичне увімкнення резерву.

Аксіальний ДВС Duke Engine

Ми звикли до класичного дизайну двигунів внутрішнього згоряння, який, по суті, існує вже ціле століття. Швидке згоряння горючої суміші всередині циліндра призводить до збільшення тиску, який штовхає поршень. Той, своєю чергою, через шатун і кривошип крутить вал.

Класичний ДВС

Якщо ми хочемо зробити двигун потужнішим, в першу чергу потрібно збільшувати об'єм камери згоряння. Збільшуючи діаметр, ми збільшуємо вагу поршнів, що негативно позначається на результаті. Збільшуючи довжину, ми подовжуємо і шатун, і збільшуємо весь двигун загалом. Або ж можна додати циліндрів - що, природно, також збільшує результуючий об'єм двигуна.

З такими проблемами зіткнулися інженери ДВС для перших літаків. Вони, зрештою, прийшли до гарної схеми «зіркоподібного» двигуна, де поршні та циліндри розташовані по колу щодо валу через рівні кути. Така система добре охолоджується потоком повітря, але дуже вона габаритна. Тому пошуки рішень продовжувалися.

У 1911 році Macomber Rotary Engine Company з Лос-Анджелеса представила перший з аксіальних (осьових) ДВС. Їх ще називають «бочковими», двигунами з шайбою, що гойдається (або косою). Оригінальна схема дозволяє розмістити поршні та циліндри навколо основного валу та паралельно йому. Обертання валу відбувається за рахунок шайби, на яку по черзі тиснуть шатуни поршнів.

У двигуна Макомбер було 7 циліндрів. Виробник стверджував, що двигун був здатний працювати на швидкостях від 150 до 1500 об/хв. При цьому на 1000 об/хв він видавав 50 л. Будучи виготовлений з доступних на той час матеріалів, він важив 100 кг і мав розміри 710 480 мм. Такий двигун був встановлений у літак авіатора-першопрохідця Чарльза Френсіса Уолша «Срібний дротик Волша».

Геніальний і злегка божевільний інженер, винахідник, конструктор і бізнесмен Джон Захарія Делореан мріяв побудувати нову автомобільну імперію в спис існуючим, і зробити унікальний «автомобіль мрії». Усі ми знаємо машину DMC-12, яку називають просто DeLorean. Вона не лише стала зіркою екрану у фільмі «Назад у майбутнє», але й відрізнялася унікальними рішеннями у всьому — починаючи від алюмінієвого кузова на плексигласовому каркасі та закінчуючи дверима «крила чайки». На жаль, на тлі економічної кризи виробництво машини не виправдало себе. А потім Делореан довго судився з фальшивої справи про наркотики.

Але мало хто знає, що Делореан хотів доповнити унікальний зовнішній вигляд машини ще й унікальним мотором – серед знайдених після його смерті креслень були креслення аксіального ДВС. Судячи з його листів, він задумав такий двигун ще 1954 року, а всерйоз взявся за розробку 1979-го. У двигуні Делореана було три поршні, і вони розташовувалися рівностороннім трикутником навколо валу. Але кожен поршень був двостороннім — кожен із кінців поршня мав працювати у своєму циліндрі.

Креслення з зошита Делореана

З якихось причин народження двигуна не відбулося — можливо тому, що розробка автомобіля з нуля вийшла досить складним підприємством. На DMC-12 встановлювали 2,8-літровий двигун V6 спільної розробки Peugeot, Renault та Volvo потужністю 130 л. с. Допитливий читач може вивчити скани креслень та нотаток Делореана на цій сторінці.

Екзотичний варіант аксіального двигуна – «двигун Требента»

Тим не менш, такі двигуни не набули широкого поширення — у великій авіації поступово відбувся перехід на турбореактивні двигуни, а в автомобілях досі використовується схема, в якій вал перпендикулярний циліндрам. Цікаво тільки, чому така схема не прижилася в мотоциклах, де компактність припала б саме до речі. Очевидно, вони не змогли запропонувати якоїсь істотної вигоди порівняно зі звичним дизайном. Зараз такі двигуни існують, але встановлюються в основному в торпедах завдяки тому, як добре вони вписуються в циліндр.

Варіант під назвою "Циліндричний енергетичний модуль" із двосторонніми поршнями. Перпендикулярні штоки в поршнях описують синусоїду, рухаючись хвилястою поверхнею

Головна відмінна риса аксіального ДВЗ - компактність. Крім того, в його можливості входить зміна ступеня стиснення (об'єму камери згоряння) просто шляхом зміни кута нахилу шайби. Шайба гойдається на валу завдяки сферичному підшипнику.

Проте новозеландська компанія Duke Engines у 2013 році представила свій сучасний варіант аксіального ДВЗ. У їхньому агрегаті п'ять циліндрів, але лише три форсунки для впорскування палива і — жодного клапана. Також цікавою особливістю двигуна є той факт, що вал та шайба обертаються у протилежних напрямках.

Усередині двигуна обертаються не тільки шайба та вал, а й набір циліндрів з поршнями. Завдяки цьому вдалося позбутися системи клапанів - циліндр, що рухається, в момент запалення просто проходить повз отвори, куди впорскується паливо і де стоїть свічка запалювання. На стадії випуску циліндр проходить повз випускний отвор для газів.

Завдяки такій системі кількість необхідних свічок і форсунок виходить меншою, ніж кількість циліндрів. А на один оборот припадає в сумі стільки ж робочих ходів поршня, як у шестициліндрового двигуна звичайного дизайну. При цьому вага аксіального двигуна на 30% менша.

Крім того, інженери з Duke Engines стверджують, що і ступінь стиснення їх двигуна перевершує звичайні аналоги і становить 15:1 для 91-го бензину (у стандартних автомобільних ДВЗ цей показник зазвичай дорівнює 11:1). Всі ці показники можуть призвести до зменшення витрати палива, і, як наслідок - до зменшення шкідливого впливу на навколишнє середовище (ну або збільшення потужності двигуна - залежно від ваших цілей).

Наразі компанія доводить двигуни до комерційного застосування. У наш час відпрацьованих технологій, диверсифікації, економії на масштабі тощо. складно уявити, як можна серйозно вплинути на індустрію. У Duke Engines, мабуть. це теж уявляють, тому мають намір пропонувати свої двигуни для моторних човнів, генераторів та малої авіації.

Демострація малих вібрацій двигуна Duke

Запис опублікований автором у рубриці Без рубрики. Додати в закладки.
Аксіальний ДВС Duke Engine

Класичний ДВС

Якщо ми хочемо зробити двигун потужнішим, в першу чергу потрібно збільшувати об'єм камери згоряння. Збільшуючи діаметр, ми збільшуємо вагу поршнів, що негативно позначається на результаті. Збільшуючи довжину, ми подовжуємо і шатун, і збільшуємо весь двигун загалом. Або ж можна додати циліндрів – що, природно, також збільшує результуючий об'єм двигуна.

У 1911 році Macomber Rotary Engine Company з Лос-Анджелеса представила перший з аксіальних (осьових) ДВС. Їх ще називають «бочковими», двигунами з шайбою, що гойдається (або косою). Оригінальна схема дозволяє розмістити поршні та циліндри навколо основного валу та паралельно йому. Обертання валу відбувається за рахунок шайби, на яку по черзі тиснуть шатуни поршнів.
У двигуна Макомбер було 7 циліндрів. Виробник стверджував, що двигун був здатний працювати на швидкостях від 150 до 1500 об/хв. При цьому на 1000 об/хв він видавав 50 л. Будучи виготовлений з доступних на той час матеріалів, він важив 100 кг і мав розміри 710 480 мм. Такий двигун був встановлений у літак авіатора-першопрохідця Чарльза Френсіса Уолша «Срібний дротик Волша».

Не залишилися осторонь і радянські інженери. У 1916-му році з'явився двигун конструкції А. А. Мікуліна та Б. С. Стечкіна, а в 1924 р. - двигун Старостіна. Про ці двигуни знають, мабуть, лише любителі історії авіації. Відомо, що детальні випробування, проведені у 1924 р, виявили підвищені втрати на тертя та великі навантаження на окремі елементи таких двигунів.